紙機(jī)負(fù)荷分配控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟憲坤 李明輝 李 虎

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

現(xiàn)代高速紙機(jī)在運(yùn)行負(fù)載時(shí)要求速度恒定、負(fù)荷均衡。在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，多臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷分配控制是傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它直接影響系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

負(fù)荷分配控制的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①控制系統(tǒng)內(nèi)部需要交換大量的數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸;②在高速運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷分配控制如何實(shí)現(xiàn)，才能有效地克服控制對(duì)象的非線性和耦合性［1］。若負(fù)荷分配問(wèn)題處理不妥，會(huì)導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)現(xiàn)象，影響紙機(jī)的正常生產(chǎn)運(yùn)行。此外，紙機(jī)在向大型化、高速化發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)負(fù)荷分配控制的效果也提出了更高的要求，它的控制效果將直接影響到紙機(jī)生產(chǎn)的可靠性和所生產(chǎn)紙張的質(zhì)量。

筆者將根據(jù)自身相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合紙機(jī)的工藝流程和對(duì)控制系統(tǒng)的要求，解決紙機(jī)負(fù)荷分配所涉及的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 紙機(jī)工藝機(jī)構(gòu)及要求

紙機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)機(jī)械機(jī)組，其主體由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部、壓光機(jī)和卷紙機(jī)等部分組成，其工藝流程如圖1所示。

根據(jù)某些紙種的要求，紙機(jī)有時(shí)還配置有施膠壓榨、半干壓光和機(jī)內(nèi)涂布等單元，以及許多輔助系統(tǒng)單元［2］。造紙的工藝流程可以簡(jiǎn)要概括為由紙機(jī)流漿箱流出的紙漿在網(wǎng)部脫去約80%的水分，同時(shí)纖維相互交織，形成濕紙。濕紙經(jīng)過(guò)壓榨、脫水，再在烘干部烘干到含水分5% ～8%，然后經(jīng)壓光部壓光，最后由卷紙機(jī)卷成成品紙。

紙機(jī)的同一部分若有多個(gè)電機(jī)時(shí)，則需要進(jìn)行負(fù)荷分配的控制，如紙機(jī)的壓榨部，它由多個(gè)電機(jī)所組成。主從傳動(dòng)組位于同一毛布圈內(nèi)，某紙機(jī)壓榨部分傳動(dòng)形式如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)形式示意圖Fig.2 Transmission pattern

圖2中，要求主從傳動(dòng)組內(nèi)各電機(jī)之間在速度同步的同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡，否則會(huì)影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時(shí)，有可能撕壞毛布，造成斷紙或造成某一個(gè)或多個(gè)電機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn);有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)速度過(guò)快的電機(jī)拖動(dòng)速度較慢的電機(jī)，從而增加電機(jī)負(fù)荷，影響電機(jī)壽命，甚至?xí)龤щ姍C(jī)［3］。所以要求各個(gè)分部的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間具有負(fù)荷自動(dòng)分配控制功能。

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)荷分配要求速度穩(wěn)定、分配平衡。由于紙機(jī)負(fù)載多變、傳動(dòng)情況復(fù)雜，所以要求負(fù)荷分配快速穩(wěn)定無(wú)振蕩，能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化。主副分部之間應(yīng)能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)工作、負(fù)荷自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。紙機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要選擇具有恒轉(zhuǎn)矩控制性能、較高的分辨率、良好的通信能力的變頻器，并采用PLC作為控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調(diào)控制，以滿(mǎn)足紙機(jī)控制系統(tǒng)正常工作的需要［2］。

2 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的三級(jí)控制方案，選用西門(mén)子 S7-300 PLC和 ABB ACS800全數(shù)字多功能矢量控制變頻器，利用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議通信格式，實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的通信功能。

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of transmission control system for paper machine

三級(jí)控制方案具體介紹如下。

第一級(jí)為變頻器控制級(jí)。變頻器采用ABB公司的ACS800系列直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。ACS800系列變頻器的特點(diǎn)是將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和模糊控制理論合二為一，構(gòu)成高性能、低成本的變頻器調(diào)速產(chǎn)品，性能大大優(yōu)于矢量控制變頻器。

第二級(jí)為PLC控制系統(tǒng)。傳動(dòng)部控制中心選用S7-300 PLC，CPU選用CPU315-2DP。CPU315-2DP具有強(qiáng)大的通信功能，可與操作屏、變頻器組成Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò);采用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)高速通信，完成整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)過(guò)程中的速度鏈、負(fù)荷分配，使S7-300 PLC與上位機(jī)、操作屏高速通信，從而完成操作控制和過(guò)程數(shù)據(jù)顯示。

第三級(jí)為上位計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)。造紙車(chē)間計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€(gè)紙機(jī)車(chē)間各控制部分聯(lián)系起來(lái)，由車(chē)間管理級(jí)計(jì)算機(jī)加以統(tǒng)一管理控制。QCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)制漿系統(tǒng)、流送系統(tǒng)、熱泵控制系統(tǒng)和傳動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將各部分的工作狀況送往車(chē)間管理級(jí)計(jì)算機(jī)。車(chē)間管理級(jí)計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)分析，得出各部分的最佳工作參數(shù)，使各部分處于最佳的工作狀態(tài)。如車(chē)速發(fā)生了變化，則紙漿流送系統(tǒng)、三段通氣系統(tǒng)都將隨之進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 Profibus總線通信

根據(jù)國(guó)內(nèi)造紙行業(yè)控制系統(tǒng)使用總線協(xié)議的習(xí)慣與Profibus總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)(協(xié)議統(tǒng)一、配置靈活、硬件支撐)，以及控制設(shè)備對(duì)總線協(xié)議的支持狀況，紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)選用德國(guó)西門(mén)子公司倡導(dǎo)的Profibus總線協(xié)議［4］。Profibus總線采用主從通信和令牌通信相結(jié)合的通信方式，進(jìn)一步提高了連網(wǎng)通信的能力。系統(tǒng)分為主站和從站，主站和從站之間通過(guò)主站的查詢(xún)和從站的響應(yīng)進(jìn)行通信，主站和主站之間通過(guò)得到總線控制權(quán)(令牌)進(jìn)行通信。通過(guò)Profibus協(xié)議，從底層(傳感器/執(zhí)行器級(jí))到中層(單元級(jí))的分布式、數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)可編程控制器都可實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)。

Profibus-DP是由Simens等13家公司組成的ISP組織推出的現(xiàn)場(chǎng)總線。這種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率、很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和極強(qiáng)的抗干擾性。Profibus-DP訪問(wèn)方法采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN5017中規(guī)定的、帶有主從關(guān)系的令牌傳送原理，即只有主站能接收令牌，從站不能接收令牌，通過(guò)指定連接從站(變頻器)的CBP板進(jìn)行直接編址［5］。主站為控制設(shè)備，一般是PLC和工控機(jī);從站為外圍設(shè)備，一般是輸入輸出裝置、閥門(mén)、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量發(fā)送器。

為了提高現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般選用傳輸速度為1.5 Mbit/s的現(xiàn)場(chǎng)總線，滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸需要，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)的滯后，且系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。

4 負(fù)荷分配控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)荷分配機(jī)理分析

本文通過(guò)對(duì)兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，分析說(shuō)明負(fù)荷分配的機(jī)理。具有相同的空載轉(zhuǎn)速n0，但機(jī)械特性硬度不同時(shí)的承受力矩差異如圖4所示;具有相同的機(jī)械特性硬度，但空載轉(zhuǎn)速n0不同時(shí)的承受力距差異如圖5所示［6］。當(dāng)所述的這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)造紙機(jī)的某一分部，并在同一轉(zhuǎn)速n0下運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載力矩是不相等的。

由圖4可知，機(jī)械特性較硬的承擔(dān)較大的負(fù)荷;由圖5可知，空載轉(zhuǎn)速n0較高的電動(dòng)機(jī)承擔(dān)較大的負(fù)荷。因此，在多點(diǎn)傳動(dòng)的情況下存在負(fù)荷分配問(wèn)題，即可能出現(xiàn)有的電機(jī)負(fù)載過(guò)輕、有的電機(jī)負(fù)載過(guò)重，甚至超過(guò)額定負(fù)荷的現(xiàn)象［7－8］。

用來(lái)表示實(shí)際負(fù)荷的參數(shù)有電機(jī)功率、電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在變頻器中，這些參數(shù)采用的可能是絕對(duì)值，不能夠分辨出該電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)或制動(dòng)狀態(tài)。因此，需要針對(duì)實(shí)際使用的變頻器，選擇合適的控制參數(shù)。

在實(shí)際控制中，電機(jī)功率是一個(gè)間接量，通常用電機(jī)定子電流或轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率。負(fù)荷分配采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩;然后根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，可以計(jì)算出負(fù)載平衡時(shí)的期望值轉(zhuǎn)矩。平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩M的計(jì)算方法如式(1)所示:

式中:MLi為第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩;Pei為第i臺(tái)電機(jī)的額定功率;M為負(fù)荷平衡期望轉(zhuǎn)矩。負(fù)荷分配控制器通過(guò)比較平均期望轉(zhuǎn)矩M和實(shí)際轉(zhuǎn)矩MLi進(jìn)行調(diào)節(jié)。紙機(jī)負(fù)載隨時(shí)波動(dòng)，計(jì)算得到的平均期望轉(zhuǎn)矩M也根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化，所以這種控制算法可以準(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。

4.2 負(fù)荷分配控制策略

負(fù)荷分配分為多種控制方法，主要分為基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配和基于速度控制的負(fù)荷分配兩類(lèi)。前者適用于工作在轉(zhuǎn)矩控制模式的變頻器，控制效果好，但對(duì)負(fù)載有一定要求;后者則適用范圍更寬，但控制效果不如前者。

4.2.1 轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配

隨著變頻器控制技術(shù)的發(fā)展，不少公司推出了帶有轉(zhuǎn)矩控制方式的高性能變頻器，如西門(mén)子公司的6SE70系列變頻器和ABB公司的ACS600系列變頻器。這些變頻器的給定可以是速度或轉(zhuǎn)矩，另外這些變頻器還提供許多擴(kuò)展功能和附加軟件，所以負(fù)荷分配控制可以利用變頻器的這些功能來(lái)實(shí)現(xiàn)［9］。

基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配控制方法如下:選取一臺(tái)變頻器作為負(fù)荷分配的主傳動(dòng)點(diǎn)，采用速度控制模式將變頻器掛接在速度鏈上，以維持速度穩(wěn)定;其他變頻器作為從傳動(dòng)點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，將傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩輸出乘以負(fù)荷分配的比例系數(shù)作為從傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定，這樣從傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)矩就能時(shí)刻跟隨主傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)矩的變化。這種控制方法精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制品質(zhì)好，但適用范圍小，對(duì)負(fù)載有一定的要求，適用于恒定類(lèi)鋼性或柔性連接負(fù)載。

4.2.2 速度控制的負(fù)荷分配

交流變頻調(diào)速原理是采用改變頻率的方式來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在轉(zhuǎn)差頻率。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩近似正比于轉(zhuǎn)差頻率，所以當(dāng)電機(jī)的速度恒定時(shí)，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率相當(dāng)于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率，同時(shí)也調(diào)節(jié)了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，負(fù)荷分配可選取本分部?jī)?nèi)其中一臺(tái)變頻器作為負(fù)荷分配的主傳動(dòng)點(diǎn)，用于維持速度的穩(wěn)定，其余變頻器作為從傳動(dòng)點(diǎn)，依靠調(diào)節(jié)從傳動(dòng)點(diǎn)的輸出頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩［10］。

4.3 負(fù)荷分配控制的實(shí)現(xiàn)

在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，共有兩處需要負(fù)荷分配控制，分別是網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、第一導(dǎo)網(wǎng)輥這三個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間的分配以及光壓上下輥兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間的負(fù)荷分配。本文所述的負(fù)荷分配控制采用基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配控制方式對(duì)這兩處進(jìn)行控制?，F(xiàn)以三點(diǎn)傳動(dòng)組為例進(jìn)行分析，三點(diǎn)傳動(dòng)組負(fù)荷分配原理如圖6所示。此外，只需要去除傳動(dòng)點(diǎn)D，即可視為兩點(diǎn)傳動(dòng)組的控制方式。

圖6 負(fù)荷分配原理圖Fig.6 Principle of the load distribution

A、B、E傳動(dòng)點(diǎn)位于速度主鏈上，變頻器采用速度控制模式:B、C和D傳動(dòng)點(diǎn)組成速度子鏈，C和D傳動(dòng)點(diǎn)的變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制模式。將B點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩T分別乘以負(fù)荷分配系數(shù)KC、KD，從而得到C點(diǎn)和D點(diǎn)的給定轉(zhuǎn)矩 TC、TD，即:

式中:C、D點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩時(shí)刻跟隨B點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩變化而變化，達(dá)到負(fù)荷分配控制的目的。

在實(shí)際控制中，若通過(guò)上述方法來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的控制，需要人工進(jìn)行編程調(diào)試，時(shí)效性較低。主從宏的連接是為多傳動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其中系統(tǒng)由若干個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)軸通過(guò)齒輪、鏈條或傳送帶等相互耦合在一起。這種主從功能使負(fù)載可以均勻地分配在傳動(dòng)單元之間。外部控制信號(hào)只與主機(jī)連接，主機(jī)通過(guò)一個(gè)光纖串行通信鏈路來(lái)控制從機(jī)。光纖主從宏連接示意圖如圖7所示。主機(jī)采用典型的速度控制，其他傳動(dòng)單元跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩或速度給定。一般情況下，當(dāng)主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過(guò)齒輪、鏈條等進(jìn)行剛性連接時(shí)，從機(jī)應(yīng)該采用轉(zhuǎn)矩控制模式，即從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)距，使傳動(dòng)單元間不存在速度差異;當(dāng)主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸采用柔性連接時(shí)，從機(jī)應(yīng)該采用速度控制模式，因?yàn)閭鲃?dòng)單元之間允許存在微小的速度差異。

在一些應(yīng)用中，從機(jī)既需要速度控制，也需要轉(zhuǎn)矩控制。在這種情況下，可通過(guò)從機(jī)的一個(gè)數(shù)字輸入端來(lái)完成速度控制和轉(zhuǎn)矩控制之間的自由切換。

圖7 光纖主從宏連接圖Fig.7 Connections of the optical fiber master/slave macro

綜上所述，PLC通過(guò)Profibus-DP的主從宏連接可以得到精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。利用上述原理，再配以先進(jìn)的PID算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)參與負(fù)荷分配的各個(gè)電機(jī)進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié)，使各個(gè)電機(jī)的功率、電流或轉(zhuǎn)矩與它們的額定值的比值相等。這樣就完成了負(fù)荷分配的實(shí)際自動(dòng)控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，設(shè)計(jì)了紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。分析介紹了負(fù)荷分配控制的機(jī)理及其在整個(gè)紙機(jī)控制系統(tǒng)中的重要作用;并根據(jù)變頻器的種類(lèi)，選擇基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配控制和基于速度控制的負(fù)荷分配控制。采用現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式以及采用光纖主從宏的連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)荷分配的有效控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，確保了紙機(jī)高速穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)完成了預(yù)期的通信和控制功能，提高了生產(chǎn)效率，值得繼續(xù)在大中型紙傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中推廣。

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