摘要: 介紹了應(yīng)用ABB ACS800 變頻器設(shè)計的造紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)。通過對硬件、軟件的設(shè)計———負(fù)荷分配、速度鏈設(shè)計等問題進(jìn)行較為詳細(xì)地描述，較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求。這種基于PLC和變頻器的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用高速紙機(jī)的高速度、高可靠性控制性能的需要。
關(guān)鍵詞:造紙機(jī)；變頻器；速度鏈；負(fù)荷分配
0 引言
應(yīng)用ABB變頻器和西門子PLC所組成的裝置來組成造紙機(jī)的電氣控制系統(tǒng)；其電氣傳動控制系統(tǒng)是基于S7-200 PLC控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
1 紙機(jī)對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求
該造紙機(jī)主要的技術(shù)數(shù)據(jù)如下。
紙種：文化紙定量52~80g/m2；
最高車速：350m/min
爬行速度：<40m/min可調(diào)；
升減速時間：0.1~1000s可調(diào)；
工作電壓：額定電壓的±10%；
電源頻率：50Hz±5%；
靜態(tài)精度：≤0.1%；
頻率漂移：≤0.1%；
頻率分辨率：0.01Hz；
頻率控制：0~50Hz；
起動轉(zhuǎn)矩：額定轉(zhuǎn)矩的200%；
左、右手機(jī)：右手機(jī)。
該紙機(jī)的18個傳動點，分別由18臺交流電機(jī)單獨拖動，每臺交流電動機(jī)由ABB 全數(shù)字變頻調(diào)速裝置驅(qū)動，閉環(huán)控制。系統(tǒng)的控制采用PLC 作為控制核心，由PLC 對操作臺上每一傳動點的操作信號進(jìn)行處理（每個傳動點在操作臺上都設(shè)有：速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運行等操作按鈕），并把相應(yīng)的速度信號以通信的方式傳送給變頻器。同時，還對伏輥、驅(qū)網(wǎng)、吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進(jìn)行負(fù)荷分配控制。另外，在操作臺上還顯示每一傳動點的車速及工作電流，并具有運行、故障指示。
紙機(jī)正常運行對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點：
1）紙機(jī)傳動系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±（0.02~0.01）%，動態(tài)精度0.1%~0.05%；
2）工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍，適應(yīng)生產(chǎn)不同品種、定量的需要。調(diào)節(jié)范圍為I=1：10之間；
3）各傳動分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機(jī)可以生產(chǎn)出良好的紙頁和延長紙機(jī)正常工作時間，紙機(jī)各分部的速度必須是穩(wěn)定、可調(diào)的。各分部的調(diào)速范圍為±（8～10）%；
4）爬行速度。為了方便檢查、清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯以及檢查各分部的運行情況，各分部應(yīng)具有15～30m/min可調(diào)的爬行速度。但這樣低速運轉(zhuǎn)時間不宜過長，以減少無效的運行和機(jī)械磨損；
5）具有剛性或柔性連接的傳動分部間，在維持速度鏈關(guān)系的基礎(chǔ)上，還須具有負(fù)荷動態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負(fù)荷動態(tài)轉(zhuǎn)移而引起有的分部因過載而過流，有的分部因輕載而過壓；
6）各分部具有微升、微降功能，應(yīng)具有必要的顯示功能，如線速度、電流、運行、故障信號等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動、聯(lián)動功能。
2 紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計
硬件選擇依據(jù)系統(tǒng)的控制精度、通訊速度、響應(yīng)時間、高性價比、高可靠性的原則，選用SIEMENS
S7-200 PLC 及CP 226通信處理器，作為系統(tǒng)主控單元，控制整個系統(tǒng)。該紙機(jī)的電氣控制原理圖分別如圖2、圖3所示。
2.1.1 變頻器
變頻器選用ABB 公司的ACS800 系列高性能變頻器，ACS800變頻器采用先進(jìn)的DTC控制技術(shù)，內(nèi)置直流電抗器，從而降低進(jìn)線電源的高次諧波含量，最大起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；ACS800 的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差，閉環(huán)時為0.05%，靜態(tài)精度為0.01%。動態(tài)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)時間，閉環(huán)時達(dá)到1~5ms?？奢^理想地滿足該機(jī)的高傳動性能的需要。
2.1.2反饋與速度控制
系統(tǒng)為了降低成本，選擇了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不帶速度反饋接口，為了實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，需另外加反饋裝置。本系統(tǒng)選用了由陜西科技大學(xué)自行設(shè)計的脈沖頻率電流變換單元，它能把測速脈沖轉(zhuǎn)換為電流信號輸入到變頻器中去，利用變頻器內(nèi)部的過程控制軟件實現(xiàn)速度變換控制。
這種方法的缺點是對于大慣性負(fù)載，如烘缸的負(fù)載擾動超調(diào)量和動態(tài)恢復(fù)時間較長。對調(diào)整帶來一定的不便，在使用中還要保持一定的工藝條件穩(wěn)定。如果工藝變化頻繁或波動較大時，應(yīng)轉(zhuǎn)入開環(huán)控制。
2.1.3繼電控制
起／停和爬行／運行控制不進(jìn)PLC，一方面節(jié)省I/O接口，另外也是工藝上適應(yīng)的一種設(shè)計。不論紙機(jī)大小，都要求每一傳動點能獨立起/ 停和爬行/ 運行操作。所以，如果進(jìn)入PLC 進(jìn)行連動設(shè)計，看起來自動化程度高了，但實際不實用。因為在全線開機(jī)前為了保證安全和設(shè)備的試運轉(zhuǎn)，一般都采用單機(jī)起動或停止操作，這樣有利于發(fā)現(xiàn)故障和減少事故。故障保護(hù)及指示回路同樣采用繼電回路設(shè)計。
2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)
程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時調(diào)用實現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對速度鏈上的傳動點進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計通用性強，并具有必要的保護(hù)功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。
2.2.1速度鏈設(shè)計
1) 速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計
速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對各傳動點進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。即任一傳動點由3個數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值。由此可構(gòu)成能滿足該機(jī)正常工作需要的速度鏈結(jié)構(gòu)。
2) 算法設(shè)計
速度鏈的設(shè)計采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實現(xiàn)速度鏈功能，把壓榨作為速度鏈中的主節(jié)點。該點速度即紙機(jī)的工作車速，調(diào)節(jié)其速度即調(diào)節(jié)整機(jī)車速。其它各分部點的速度由該點車速乘以相應(yīng)的變比得到。由PLC 檢測其它分部車速調(diào)節(jié)信號，通過進(jìn)行該部增、減按紐的操作改變其速比，從而改變相應(yīng)分部的車速。
2.2.2 負(fù)荷分配設(shè)計
該紙機(jī)傳動結(jié)構(gòu)上有柔性聯(lián)結(jié)的傳動點，烘缸部和壓榨部之間不僅要求速度同步還需要負(fù)載率均衡，否則會造成一個傳動點由于過載而過流，而另一傳動點則由于被帶動而過壓，影響正常抄紙，甚至可能撕壞毛布，損壞變頻器、機(jī)械設(shè)備。因此這兩個傳動部分的傳動點之間需要負(fù)荷分配自動控制。
負(fù)荷分配工作原理：假設(shè)P1e、P2e為兩臺電機(jī)額定功率，Pe為額定總負(fù)載功率，Pe= P1e+P2e。P為實際總負(fù)載功率，P1、P2為電機(jī)實際負(fù)載功率，則P=P1+P2。系統(tǒng)工作要求P1=P×P1e/Pe，P2=P×P2e/Pe，兩個值相差≤3%。
由于電機(jī)功率是個間接量控制。實際控制以電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率進(jìn)行計算。
PLC 采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計算每一組的總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計算負(fù)載平衡時的期望轉(zhuǎn)矩值。計算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如下式（1）所示：
M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2 ?。?）
其中ML1、ML2是壓榨、烘缺電機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩；
P1e、P2e是壓榨、烘缸臺電機(jī)額定功率；
M為負(fù)荷平均期望轉(zhuǎn)矩。
PLC 通過Modbus 總線得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩，利用上述原理再施以PID算法，調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩百分比一致、即完成負(fù)荷自動分配的目標(biāo)。
設(shè)置最大限幅值，如果負(fù)荷偏差超過該設(shè)定值，要停機(jī)處理，以防機(jī)械、電氣損害發(fā)生。負(fù)荷分配控制實現(xiàn)的前提是合理的速度鏈結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷分配的傳動點組處于子鏈結(jié)構(gòu)上，該部負(fù)荷調(diào)整時，不影響其它的傳動點，因此速度鏈結(jié)構(gòu)是采用主鏈與子鏈相結(jié)合的形式。
2.3輔助控制的機(jī)、電、液一體化設(shè)計
輔助部分的機(jī)、電、液一體化、連鎖及保護(hù)、卷紙機(jī)自動換卷控制、稀油站潤滑系統(tǒng)等輔助電氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以保證系統(tǒng)正常運行和設(shè)備安全。
3 系統(tǒng)調(diào)試
本系統(tǒng)的調(diào)試分為三部分。一個是繼電回路調(diào)試，另外是軟件調(diào)試、負(fù)荷分配調(diào)試及速度測試等。以下簡要介紹后兩個問題的調(diào)試方法。
3.1 軟件調(diào)試
軟件調(diào)試第一步，驗證PLC 動作是否正常，可以在連通整個系統(tǒng)的情況下觀察變頻器的顯示頻率進(jìn)行驗證。如在I/O 端口上加上開關(guān)信號，觀察應(yīng)當(dāng)動作的變頻器單元，看是否按要求對頻率進(jìn)行了調(diào)整。第二步，試驗負(fù)荷分配的動作，方向是否與設(shè)計一致。可以在端子上加信號使電流增加或減少，如果按計算，相應(yīng)的傳動點頻率變化則表示正常。最后檢查通訊的可靠性，可以從變頻器上讀出通訊的錯誤率代碼，做必要的線路處理。
3.2系統(tǒng)動作時間測試
將系統(tǒng)的第一級、中間一級和最后一級接上速度表，然后以各點的加/減速按鈕來檢查頻率變化情況。當(dāng)按下按鈕后應(yīng)沒有明顯的滯后感,否則應(yīng)檢查程序和硬件線路，如前面所提到的，采用I/O 端掃描，其速度反應(yīng)在最壞情況下應(yīng)在數(shù)百ms 以內(nèi)，否則會感到操作不方便。
4 結(jié)語
該紙機(jī)在山東一造紙廠經(jīng)過近一年多的實際紙機(jī)運行驗證，系統(tǒng)的穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙頁質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都得到了用戶的肯定。實踐表明，這種基于ABB變頻器和S7-200PLC 的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)是可行的、合理的。
作者簡介
陳景文(1978-)，男，助教，在讀研究生。研究方向：交直流電氣傳動的控制理論與應(yīng)用。
