ACS800在2640/500多缸紙機(jī)負(fù)荷分配中的應(yīng)用

孟彥京， 周 斌， 劉圓圓

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021)

1 2640/500多缸紙機(jī)簡介及負(fù)荷分配方案的選擇

2640/500多缸紙機(jī)基本配置如表1所示。

主傳動(dòng)采用ABB公司的直接轉(zhuǎn)矩控制ACS800變頻器，可編程序控制器采用西門子S7-313－2DP，光電編碼器數(shù)字反饋閉環(huán)控制，編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ6C/500P。

對(duì)于交流變頻傳動(dòng)控制的紙機(jī)負(fù)荷分配常用的做法是:采用可編程序控制器通過通信控制負(fù)荷分配。它以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，通過通信來交換數(shù)據(jù)，讀取各傳動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩與理論計(jì)算值相比較，用其差值去控制對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)差率(增大或減小)，從而調(diào)整該電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩以達(dá)到負(fù)荷平衡。該方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試容易、工作可靠，控制精度高(3%以內(nèi))，可控點(diǎn)數(shù)多(20點(diǎn)以上)，因此得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)的增多，勢必增加程序掃描控制時(shí)間，使執(zhí)行周期加長，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，因此在紙機(jī)中的應(yīng)用受到了限制［1］。

在選用控制變頻器時(shí)，充分考慮本機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)多、負(fù)荷分配組數(shù)多的特點(diǎn)，認(rèn)為若采用上述負(fù)荷分配方案雖然可節(jié)省投資(可選擇功能及性能差于ACS800變頻器)，但會(huì)造成程序掃描控制周期加長，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，對(duì)控制不利，因此選用ACS800系列變頻器，這樣一來若除去7個(gè)從點(diǎn)，實(shí)際控制點(diǎn)只有13個(gè)，且程序無需采樣和計(jì)算負(fù)荷分配各點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，可比原來節(jié)省約一半時(shí)間。因此增加一些投資以換取整機(jī)控制效果的提高也是值得的，實(shí)際運(yùn)行也證明了這一點(diǎn)。

表1 主傳動(dòng)參數(shù)表

2640/500三疊網(wǎng)多缸紙機(jī)有5組負(fù)荷分配，采用ACS800的主從控制來完成，主從之間采用光纖通信，速率高、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定，用于紙機(jī)的負(fù)荷分配控制可取得很好的控制效果。

2 ACS800變頻器的主從控制用于負(fù)荷分配的控制原理

2.1 負(fù)荷分配的原理

在多電機(jī)傳動(dòng)過程中要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，即δ=Pi/Pie相同(Pi為i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率，Pie為電機(jī)額定功率)，而且在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響其他各分部的速度。因此，采用速度鏈主鏈與子鏈相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。

負(fù)荷分配控制中選取一臺(tái)電機(jī)作為本組主電機(jī)，連接在速度鏈上，其他電機(jī)作為子電機(jī)，形成子鏈控制結(jié)構(gòu)。以三點(diǎn)負(fù)荷分配為例，如圖1所示，編號(hào)為0和4是需要負(fù)荷分配的前級(jí)和后級(jí)，負(fù)荷分配以1為主，2、3作為1的從機(jī)，處于速度鏈的子鏈上。P1e、P2e、P3e為3臺(tái)電機(jī)額定功率，Pe為額定總負(fù)載功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P為實(shí)際總負(fù)載功率，P1、P2、P3為電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率，則 P=P1+P2+P3。系統(tǒng)工作要求 P1=P·P1e/Pe，P2=P·P2e/Pe，P3=P·P3e/Pe。負(fù)荷分配的目的就是使P1、P2、P3滿足上述要求。

在實(shí)際控制當(dāng)中，電機(jī)功率是間接量。實(shí)際控制近似以電機(jī)定子電流代替電機(jī)功率。

式中:ILi——第i臺(tái)電機(jī)出力電流;

Iei——第i臺(tái)電機(jī)額定電流;

IL——負(fù)載總電流。

負(fù)荷分配就是依據(jù)電機(jī)電流，利用上述原理對(duì)控制的各臺(tái)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電機(jī)電流百分比一樣，即各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值應(yīng)相等，這樣完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制。如圖1所示。

圖1 負(fù)荷分配原理圖

在實(shí)際控制當(dāng)中，電機(jī)功率不方便直接測量。因此，以電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩來控制與電機(jī)功率控制效果是相同的。在使用變頻器作調(diào)速控制時(shí)，電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩可從變頻器直接得到，因此給控制帶來極大方便。

2.2 紙機(jī)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)方法和特殊問題分析

紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷分配要求速度穩(wěn)定、分配平衡。紙機(jī)負(fù)載多變、傳動(dòng)情況復(fù)雜，要求負(fù)荷分配穩(wěn)定有效，能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化，因此負(fù)荷分配設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下文介紹的問題。

2.3 負(fù)荷分配控制算法要求

負(fù)荷分配一般要求采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，簡單的負(fù)荷分配算法要求簡單，可以進(jìn)行簡化處理，主機(jī)與從機(jī)比較就可進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種算法適合于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)在4點(diǎn)以下的負(fù)荷分配控制傳動(dòng)中。

對(duì)于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)多的負(fù)荷分配必須依據(jù)負(fù)荷分配平均算法進(jìn)行，這樣計(jì)算出系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩可計(jì)算出負(fù)載平衡時(shí)的期望值轉(zhuǎn)矩。計(jì)算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如式(1)所示:

式中:MLi——第i臺(tái)電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩;

Pei——第i臺(tái)電機(jī)額定功率;

M——負(fù)荷平衡轉(zhuǎn)矩。

負(fù)荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩M和實(shí)際轉(zhuǎn)矩MLi比較進(jìn)行調(diào)節(jié)。紙機(jī)負(fù)載隨時(shí)波動(dòng)，計(jì)算出的平均期望轉(zhuǎn)矩M也根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化，所以該控制算法可以準(zhǔn)確計(jì)算出總負(fù)荷和每臺(tái)電機(jī)應(yīng)該輸出的轉(zhuǎn)矩，為準(zhǔn)確控制提供了方便。

2.4 負(fù)荷分配控制調(diào)節(jié)要求

紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)要求快、準(zhǔn)、穩(wěn)，所以負(fù)荷分配控制也要求快速、穩(wěn)定、無震蕩。負(fù)荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩M和實(shí)際轉(zhuǎn)矩MLi比較，得到偏差，應(yīng)根據(jù)偏差信號(hào)的大小進(jìn)行PID控制算法調(diào)節(jié)。對(duì)于簡單負(fù)荷分配系統(tǒng)，傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)在4～5點(diǎn)以下，可以采用簡單調(diào)整，對(duì)于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)多的系統(tǒng)必須采用PID調(diào)節(jié)，即每一個(gè)從機(jī)都要采用PID算法調(diào)節(jié)，否則會(huì)引起系統(tǒng)震蕩。

2.5 負(fù)荷分配智能化設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中可能隨時(shí)加壓或卸壓，所以要求負(fù)荷分配能夠跟隨負(fù)載情況隨時(shí)變更，通過可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的數(shù)字端子控制可以變更控制方式和算法，也即負(fù)荷分配設(shè)計(jì)要能夠滿足工藝控制變更要求。

2.6 負(fù)荷分配保護(hù)功能

負(fù)荷分配應(yīng)該有速度限幅保護(hù)，以防止起動(dòng)中速差太大對(duì)設(shè)備有損害;而且有的傳動(dòng)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，采用速度限幅保護(hù)可以有效抑制。

負(fù)荷分配控制點(diǎn)應(yīng)該設(shè)有單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)功能，在調(diào)試檢修過程中可能需要單獨(dú)起動(dòng)其中一臺(tái)電機(jī)，在正常運(yùn)行中需要同時(shí)起動(dòng)、同時(shí)停止。因此，在單動(dòng)狀態(tài)時(shí)各負(fù)荷分配控制點(diǎn)可以單獨(dú)調(diào)速、單獨(dú)操作，在聯(lián)動(dòng)時(shí)同時(shí)起動(dòng)、同時(shí)停止，連動(dòng)調(diào)速。

負(fù)荷分配設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工藝傳動(dòng)要求和工藝操作要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，具體控制設(shè)計(jì)需根據(jù)實(shí)際負(fù)載性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。負(fù)荷分配與速度鏈控制既獨(dú)立又有關(guān)聯(lián)，因此使用PLC控制時(shí)要注意負(fù)荷分配與速度鏈的銜接問題。

負(fù)荷分配控制只要使用上述算法和控制就可以完成，關(guān)于編程方面本文不作詳細(xì)介紹。下面以一臺(tái)板紙機(jī)網(wǎng)部負(fù)荷分配設(shè)計(jì)簡單說明智能化設(shè)計(jì)的重要性。

2.7 ACS800變頻器的主從控制用于負(fù)荷分配的控制原理

ACS800主從控制變頻器是為多傳動(dòng)而設(shè)計(jì)的，其中系統(tǒng)由多個(gè)ACS800驅(qū)動(dòng)，同時(shí)它們的電機(jī)通過某種裝置相互耦合，可分兩種情況來考慮:一是主機(jī)和從機(jī)之間為剛性連接，即通過機(jī)械裝置的齒輪、鏈條等連接，這種情況下主機(jī)采用速度控制，從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定;二是主機(jī)與從機(jī)之間為柔性連接，為了在主從之間均勻的分配負(fù)載，主機(jī)和從機(jī)由同一速度給定值來控制。造紙機(jī)的多個(gè)傳動(dòng)之間的耦合屬于前者分析的情況，ACS800完成負(fù)荷分配的原理是:負(fù)荷分配各點(diǎn)中主機(jī)采用轉(zhuǎn)速給定，其中速度來自可編程序控制器通過鏈關(guān)系的計(jì)算值，再由PROFIBUS-DP總線通信給定，從機(jī)的主給定由主機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出確定，通過光纖通信給定，其中主機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出是主機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，因此所有從機(jī)的轉(zhuǎn)矩都將跟隨主機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，以使主從之間負(fù)荷分配均勻且不存在速度差異，保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全。

3 ACS800主從控制負(fù)荷分配

3.1 ACS800主從硬件連接

以第五組負(fù)荷分配為例，如圖2所示，其中施膠機(jī)上輥?zhàn)冾l器(VF10)的接線與施膠機(jī)下輥?zhàn)冾l器接線基本相同，故圖中未畫出。SB081，SB091和SB082，SB092是變頻器的起動(dòng)和停止按鈕，變頻中的起動(dòng)觸點(diǎn)(K081和K091)使用雙觸點(diǎn)是為了可靠。SB097是該組負(fù)荷分配各點(diǎn)的單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，單動(dòng)時(shí)主從各點(diǎn)變頻器單獨(dú)起停，聯(lián)動(dòng)時(shí)從點(diǎn)起停信號(hào)由對(duì)應(yīng)主點(diǎn)通過通信控制，故此時(shí)從點(diǎn)操作回路將不起作用(K097控制)。PA081等為電流表用于顯示對(duì)應(yīng)電機(jī)的實(shí)際電流。

圖2 施膠機(jī)負(fù)荷分配接線圖

3.2 ACS800從機(jī)監(jiān)控

從控制角度來講，當(dāng)負(fù)荷分配主點(diǎn)故障停機(jī)時(shí)，其對(duì)應(yīng)從機(jī)的給定將變?yōu)榱悖瑥臋C(jī)自動(dòng)停機(jī);但當(dāng)任一從機(jī)或全部從機(jī)同時(shí)故障停機(jī)時(shí)，要求主點(diǎn)的變頻器也同時(shí)停機(jī)，否則會(huì)造成設(shè)備的損壞，釀成不良后果，因此須加以保護(hù)。圖2中中間繼電器K082，K092是為此目的而設(shè)計(jì)的，當(dāng)從機(jī)真空吸移故障時(shí)，繼電器K082得電后立即切斷主機(jī)上的起動(dòng)控制回路使主機(jī)停機(jī)以起連鎖保護(hù)作用。

3.3 ACS800主從通信光纖連接

對(duì)具有負(fù)荷分配的各傳動(dòng)點(diǎn)，將ACS800變頻器的主從模塊RDCO－02(選購件)安裝于對(duì)應(yīng)變頻器的RMIO控制板上，主從光纖的連接如圖2所示，其中光纖接插于RDCO－02上的CH2通道(V18端子)，將“發(fā)送器”與“接收器”對(duì)連成環(huán)形結(jié)構(gòu)。除常用的環(huán)形結(jié)構(gòu)外也可采用并行結(jié)構(gòu)。圖3中從左至右依次為:施膠機(jī)上輥?zhàn)冾l器(負(fù)荷分配主點(diǎn))、施膠機(jī)下輥?zhàn)冾l器(負(fù)荷分配從點(diǎn))。負(fù)荷分配的其他各組連接方法與圖2相同。為節(jié)省投資和增強(qiáng)響應(yīng)速度在該臺(tái)紙機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)將每組負(fù)荷分配變頻器都安裝于同一控制柜內(nèi)。

3.4 ACS800 參數(shù)設(shè)置［2］

以施膠機(jī)負(fù)荷分配為例說明變頻器的參數(shù)設(shè)置，其他各組方法相同。

主機(jī)參數(shù)如下:外部起動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)源第10組10.01=DI1;恒定速度的選擇和取值第12組12.01=DI2;參數(shù)鎖的第16組16.01=YES;速度控制器變量第23組23.05=0;選擇可編程故障保護(hù)的第30組3018=NO;主從應(yīng)用第60組60.01=MASTER;60.02=TORQUE;60.03=NO;60.04=0.0r/min;60.05=0.0 r/min，60.07=907;60.08=105 等。

從機(jī)“施膠機(jī)下輥”，主要設(shè)置以下參數(shù):選擇外部控制源的第10組1001=DI1;1002=DI1;選擇給定源的第11組1102=EXT2;1103=COMM.REF;1104=COMM.REF;選擇運(yùn)行、參數(shù)鎖的第16組1601=YES;選擇可編程故障保護(hù)的第30組3018=NO;選擇主從應(yīng)用的第60組6001=FOLLOWER;6002=ADD;6003=YES;6004=30.0;6005=30.0等。

圖3 施膠機(jī)上輥、下輥?zhàn)冾l器之間光纖連接圖

變頻器參數(shù)的設(shè)置種類繁多，除了正確設(shè)置以上主從參數(shù)外，還應(yīng)正確設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)才能保證變頻器的安全無故障運(yùn)行，使負(fù)荷分配工作可靠。

4 注意問題

紙機(jī)傳動(dòng)中負(fù)荷分配控制是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，要正確應(yīng)用ACS800主從控制還需注意以下問題:

(1)若將四組烘缸設(shè)為“父”，其他5組負(fù)荷分配的主點(diǎn)“底網(wǎng)驅(qū)網(wǎng)輥”、“芯網(wǎng)驅(qū)網(wǎng)輥”、“面網(wǎng)復(fù)合輥”、“主壓上輥”和“大輥壓上輥”都成“子”，各組負(fù)荷分配的從點(diǎn)都成“孫”。各“子”的給定由可編程序控制器根據(jù)其“父”的運(yùn)行情況經(jīng)計(jì)算確定，各“孫”的給定則由ACS800主從控制通過光纖通信給定。負(fù)荷分配先要解決和協(xié)調(diào)這種“父”與“子”之間的關(guān)系，其次才是解決和協(xié)調(diào)“子”與“孫”關(guān)系，只有完全協(xié)調(diào)三者之間的關(guān)系，紙機(jī)的負(fù)荷分配才能完成。當(dāng)烘缸與壓榨部分分離后，其“父”不在，負(fù)荷分配各主點(diǎn)成了主傳動(dòng)即“父”，其他為從傳動(dòng)即為“子”。這種負(fù)荷分配角色的轉(zhuǎn)換是通過程序?qū)崟r(shí)修改變頻器的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

(2)從實(shí)際運(yùn)行情況分析，主從控制的負(fù)荷分配應(yīng)用于壓榨部、施膠機(jī)很理想，精度高;但在網(wǎng)部其控制效果要差一些。造成這種現(xiàn)象的原因是壓榨部各負(fù)載在運(yùn)行時(shí)一直處于加壓狀態(tài)即真正鋼性連接，在網(wǎng)部則不同，當(dāng)從機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，由此帶來負(fù)荷分配的誤差。

5 結(jié)語

廣東肇慶某紙廠2640/500多缸紙機(jī)已在現(xiàn)場運(yùn)行，效果良好，用戶很滿意。另外ACS800變頻器的主從控制功能已在多家造紙廠的紙機(jī)負(fù)荷分配中使用，效果良好、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快，得到了用戶的認(rèn)可。同時(shí)，ACS800變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，因此對(duì)于像烘缸這樣的起動(dòng)慣量比較大的設(shè)備可以減少起動(dòng)時(shí)間、增強(qiáng)響應(yīng)速度。故ACS800一推出便在紙機(jī)傳動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。

［1］孟彥京.造紙機(jī)變頻傳動(dòng)原理與設(shè)計(jì)［M］.陜西:陜西人民出版社.2002.

［2］ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司.ACS800標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序［G］.2003.