造紙機(jī)負(fù)荷分配控制系統(tǒng)研究*

王建華，顧廣輝

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221140）

0 引言

造紙業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中的重要產(chǎn)業(yè)。變頻調(diào)速控制應(yīng)用于造紙機(jī)傳動系統(tǒng)，具有節(jié)約電能、提高產(chǎn)量和紙張質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是造紙企業(yè)降低成本、增加競爭力的重要途徑。

紙機(jī)變頻傳動控制技術(shù)的水平是和變頻器的技術(shù)發(fā)展水平息息相關(guān)的。自從上世紀(jì)80年代中期變頻技術(shù)實(shí)用化階段以來，變頻調(diào)速紙機(jī)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展變化。在上世紀(jì)90年代初期，由于變頻器自身及其應(yīng)用的局限，大部分紙機(jī)傳動系統(tǒng)是以開環(huán)和單機(jī)運(yùn)行的。在上世紀(jì)90年代中后期以后，PLC、工控機(jī)和DCS控制開始出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。

目前，造紙機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用基于PLC的網(wǎng)絡(luò)集散控制，其控制功能主要包括線速度同步、速度鏈功能、負(fù)荷分配功能、張力控制，此外，還有其他控制要求，如爬行、緊紙、急停等。其中，負(fù)荷分配控制是當(dāng)前造紙機(jī)控制系統(tǒng)的一大研究熱點(diǎn)。負(fù)荷分配問題主要存在于造紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部、施膠機(jī)等，由于這些地方屬于多電機(jī)驅(qū)動同一負(fù)載或負(fù)載之間存在剛性連接，它們之間要求線速度同步的同時，必須負(fù)載率均衡，否則有可能撕壞毛布或造成斷紙。因此，有必要對造紙機(jī)的負(fù)荷分配進(jìn)行研究與實(shí)驗。

本研究針對造紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)中的負(fù)荷分配問題，提出基于PLC網(wǎng)絡(luò)通訊的負(fù)荷分配控制方案。

1 基于PLC 的造紙機(jī)多電機(jī)變頻傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC 的造紙機(jī)多電機(jī)變頻傳動控制系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

第一層為傳動控制層，例如研究人員采用ABB公司的ACS550系列（ACS550-01）矢量控制變頻器；第二層為PLC 控制層，例如研究人員采用Siemens S7-200 PLC以及威倫觸摸屏，通過MODBUS現(xiàn)場總線將PLC、觸摸屏和變頻器組成網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時高速通訊，協(xié)調(diào)工作；第三層為上位控制層，例如研究人員采用研華公司IPC-610 工控機(jī)，與PLC 之間通過以太網(wǎng)通信，實(shí)時監(jiān)控紙機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行［1］。

傳動控制系統(tǒng)的各個傳動點(diǎn)不但要求速度同步，運(yùn)動協(xié)調(diào)，而且對于需要負(fù)荷分配的傳動點(diǎn)必須采用負(fù)荷分配控制。整個傳動控制系統(tǒng)以西門子S7-200 PLC 為主控制器，同時配合多個主操作臺作為系統(tǒng)操作控制面板，每個控制面板上配置一個觸摸屏，利用觸摸屏來控制各傳動點(diǎn)以及顯示各傳動點(diǎn)的工作速度。變頻器根據(jù)PLC 指令，執(zhí)行對異步電機(jī)的速度、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的控制［2］。

2 負(fù)荷分配控制理論分析

2.1 負(fù)荷分配的產(chǎn)生及影響

造紙機(jī)網(wǎng)部的真空伏輥與驅(qū)網(wǎng)部、壓榨部的上部與下部等，經(jīng)過加壓同步運(yùn)行。對于類似這樣的傳動，只控制電動機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，否則會出現(xiàn)某臺電機(jī)出力大、某臺電機(jī)出力小的情況，影響正常造紙，甚至撕壞紙張和毛布，造成變頻器及機(jī)械設(shè)備的損傷。因此，造紙機(jī)多點(diǎn)傳動時必須控制負(fù)載均衡。造紙機(jī)網(wǎng)部與壓榨部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 造紙機(jī)網(wǎng)部與壓榨部結(jié)構(gòu)

2.2 負(fù)荷分配數(shù)學(xué)分析

在造紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)中，同一個分部的各個傳動電機(jī)由于所處位置的不同以及毛布包角大小的不同，承受的負(fù)荷是不同的，即各個電機(jī)的出力大小不同。而負(fù)荷分配要求各個傳動電機(jī)的負(fù)載率相同，即：

式中：Pi—第i臺電機(jī)實(shí)際輸出功率，PNi—第i臺電機(jī)額定功率［3］。

通常代表實(shí)際負(fù)荷的參數(shù)有電機(jī)功率P、電機(jī)電流I、電機(jī)轉(zhuǎn)矩M。根據(jù)所選變頻器的不同，可選擇合適的控制參數(shù)。例如，安川變頻器用功率表示電機(jī)的出力方向和大小，所以負(fù)荷分配可選擇用P作為檢測量；ABB 變頻器用轉(zhuǎn)矩表示電機(jī)的出力方向和大小，所以負(fù)荷分配可選擇用M為檢測量［4］。

利用功率的負(fù)荷分配公式如下：

式中：pn—第n臺電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，PNn—第n臺電機(jī)額定功率。

利用轉(zhuǎn)矩的負(fù)荷分配公式如下：

式中：Mn—第n臺電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，MNn—第n臺電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

依據(jù)所選擇的變頻器及其檢測參數(shù)，利用式（2）或式（3）對參與負(fù)荷分配的各臺電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各個電機(jī)的負(fù)載率相等，即可實(shí)現(xiàn)對多電機(jī)傳動的負(fù)荷分配［5］。

3 負(fù)荷分配控制方案

造紙機(jī)的負(fù)荷分配比較復(fù)雜，也是當(dāng)前造紙機(jī)傳動系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一，其主要原因是變頻器內(nèi)的電流環(huán)無法直接控制。當(dāng)前常用的負(fù)荷分配實(shí)現(xiàn)方法可歸納為5 類：①采用高性能變頻器（轉(zhuǎn)矩控制型，譬如ACS800變頻器）實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配；②采用某些公司研發(fā)的負(fù)荷分配控制器；③通過PLC的模擬控制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配；④通過PLC 通信功能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配；⑤利用軟件（譬如西門子變頻器的負(fù)荷分配開發(fā)軟件）實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。

在5 種負(fù)荷分配方案中，第②和第③種方法屬于模擬控制，穩(wěn)定性差，易受干擾。第①和第⑤種方法控制精度較高，但只適用于某些負(fù)載情況，且由于采用了專用軟件或較高的硬件配置，大大增加了投資成本。相比之下，第④種方法的性價比較高［6］。

負(fù)荷分配控制過程如圖3所示。

圖3 負(fù)荷分配原理

首先，PLC 通過Modbus 通信采集兩點(diǎn)電流，計算兩點(diǎn)轉(zhuǎn)矩的比值，并與已知功率的比值做比較，如果不一致，則調(diào)節(jié)速度給定，直至輸出轉(zhuǎn)矩的比值與額定功率的比值相一致，從而實(shí)現(xiàn)功率大的電機(jī)出力大，功率小的電機(jī)出力小，即實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的目的。由于紙機(jī)工作時負(fù)載是波動的，負(fù)荷分配是一個動態(tài)過程，即處于不斷檢測和不斷調(diào)整之中?；赑LC的負(fù)荷分配子程序流程如圖4所示［7］。

圖4 負(fù)荷分配控制子程序流程圖

4 負(fù)荷分配Matlab 仿真

已知負(fù)荷分配仿真模型參數(shù)：初始轉(zhuǎn)矩M1=90 N·m、M2=160 N·m、總轉(zhuǎn)矩M=250 N·m；額定輸出功率Pe1=40 kW，Pe2=60 kW；PID 參數(shù)kp=1.8 、ki=0.5、kd=0.6。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，經(jīng)8 s后M1和M2分別達(dá)到穩(wěn)定值100 N·m和150 N·m［8］。

圖5 負(fù)荷分配仿真結(jié)果

5 負(fù)荷分配現(xiàn)場試驗研究

以沭陽博大包裝紙業(yè)有限公司4200/250 型造紙機(jī)為例，該紙機(jī)用于生產(chǎn)包裝紙，紙機(jī)各參數(shù)如表1所示。

表1 4200/250型的造紙機(jī)參數(shù)

為檢驗造紙機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，筆者利用Matlab開發(fā)了系統(tǒng)檢測GUI 界面程序“Trace.fig”。S7-200 PLC 通過Modbus 通信采集各傳動點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流，并計算出轉(zhuǎn)矩。“Trace.fig”程序?qū)ζ錇V波處理，并在圖形坐標(biāo)上顯示數(shù)據(jù)波形。

本研究選擇真空伏輥（PN=45 kW）和驅(qū)網(wǎng)輥（PN=75 kW）兩傳動點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷分配控制實(shí)驗。設(shè)工作車速為200 m/min，期望負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為250 N·m。由兩點(diǎn)功率可知負(fù)荷分配比為3∶5，轉(zhuǎn)矩分別穩(wěn)定在94 N·m和156 N·m。降載實(shí)驗，當(dāng)t=10 s時，本研究將期望轉(zhuǎn)矩降低224 N·m到后，真空伏輥和驅(qū)網(wǎng)輥兩傳動點(diǎn)的負(fù)載波形如圖6、圖7所示，轉(zhuǎn)矩調(diào)整為84 N·m 和140 N·m，負(fù)荷分配比仍為3∶5?，F(xiàn)場試驗研究表明，該控制方案能實(shí)時監(jiān)控紙機(jī)各傳動點(diǎn)的電流，并通過Modbus 通訊調(diào)整各變頻器頻率，響應(yīng)速度較快，滿足負(fù)荷分配要求。

圖6 真空伏輥負(fù)荷分配檢測結(jié)果

圖7 驅(qū)網(wǎng)輥負(fù)荷分配檢測結(jié)果

6 結(jié)束語

本研究采用S7-200 PLC和變頻器組成的Modbus網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，采集各負(fù)荷分配電機(jī)的電流，并通過PLC計算和處理后，調(diào)整各傳動點(diǎn)的速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。在Matlab軟件環(huán)境下，采用Simulink工具箱，對負(fù)荷分配進(jìn)行了仿真；并通過沭陽博大包裝紙業(yè)有限公司造紙機(jī)傳動系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試試驗，驗證了負(fù)荷分配控制方案的可行性。

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是采用通訊方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制，很大程度地減小了干擾，大大增加了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行可靠，為該企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（References）：

［1］孟憲坤.基于現(xiàn)場總線的紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］.西安：陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012.

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［8］張亞東.基于PLC 的造紙機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，2012.