淺析紙機傳動控制系統(tǒng)的負荷控制

丁鵬飛

摘 要： 本文分析了多電機傳動控制系統(tǒng)負荷控制的原理，說明了多電機驅(qū)動主、從輥的選擇原則及負荷控制的幾種具體控制方式，并結(jié)合紙機分部的工藝特性、耦合特性選用相應(yīng)的控制方式，滿足紙機控制精度和穩(wěn)定性的要求。

關(guān)鍵詞： 電機；轉(zhuǎn)矩；速度；耦合

1.引言

在紙機傳動控制系統(tǒng)中經(jīng)常會遇到由兩臺及以上電機共同驅(qū)動紙機同一分部的情況，這些電機之間存在或強或弱的耦合關(guān)系，即一個電機運行速度、運行負荷會影響到同一分部其他電機的運行狀況。如紙機網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥等；壓榨部的真空吸移輥、真空壓榨輥；施膠機的上輥、下輥等。這就要求分部傳動組內(nèi)各電機之間在實現(xiàn)速度同步的同時進行負荷的均衡控制，如果負荷不能均勻分配甚至出現(xiàn)負荷對拉現(xiàn)象，就會造成一個或多個電機工作在過流、過壓狀態(tài)，不僅影響正常的抄紙作業(yè)，降低電機使用壽命，嚴重時甚至可能損壞電機及機械設(shè)備。這就要求我們對各分部進行相應(yīng)的負荷控制，使分部總負荷能均衡的分配到傳動組內(nèi)各電機上。

2.負荷控制機理

負荷控制的機理為在多電機傳動控制過程中使各分部電機的負載率相同，即 L=P/Pa相同（P為電機所承擔的負載功率，Pa為電機額定功率），并且在負荷控制調(diào)節(jié)過程中不影響本傳動組以外其他各分部的速度。實際控制中，電機功率是一個間接量，通常用電機轉(zhuǎn)矩替代電機功率。負荷控制時先讀取各分部電機的轉(zhuǎn)矩，計算出系統(tǒng)總負荷轉(zhuǎn)矩；然后根據(jù)系統(tǒng)總負荷轉(zhuǎn)矩，計算出負載平衡時的目標轉(zhuǎn)矩。平均轉(zhuǎn)矩M的計算方法如下所示：

式中： mi為第i 臺電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩； Pi為第i 臺電機的額定功率； M 為負荷平衡目標轉(zhuǎn)矩。負荷控制程序通過比較目標轉(zhuǎn)矩M 和實際轉(zhuǎn)矩mi進行調(diào)節(jié)，使實際轉(zhuǎn)矩與目標轉(zhuǎn)矩趨于一致[1]。紙機負載波動時，計算得到的目標轉(zhuǎn)矩M也跟隨實際負載的變化而變化，所以這是一種動態(tài)的調(diào)節(jié)過程。

考慮到現(xiàn)場實際的工藝特性、機械特性及實際控制要求，我們通常也可以將上述控制過程演繹為以下控制過程

式中：mi為第i 臺從輥電機的目標轉(zhuǎn)矩，m0為系統(tǒng)設(shè)定主輥電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩，Si Oi分別為第i個從輥相對于主輥轉(zhuǎn)矩的比率值及偏置值，即從輥的轉(zhuǎn)矩都動態(tài)的跟隨主輥，這樣負荷控制的穩(wěn)定性和靈活性都得到了提高。

3.負荷控制主、從輥的確定

我們知道，多電機傳動系統(tǒng)中根據(jù)電動機耦合方式的不同，可分為剛性耦合和柔性耦合。所謂剛性耦合，是指若干電機軸之間通過齒輪、萬向節(jié)、傳動輥等硬連接方式進行耦合。在這種情況下，只要其中一個電機運轉(zhuǎn)，其余傳動點也將立即被動運行，如施膠部、壓光部等。這些傳動點正常運行時都是通過加壓，使上下傳動輥接觸并保持一定壓力后才同步運轉(zhuǎn)；所謂柔性耦合，是指若干電機軸之間通過皮帶、網(wǎng)、毛毯等軟連接的方式進行耦合。在這種情況下，其中一個電機運轉(zhuǎn)也能拖動其余傳動點運行，但有可能出現(xiàn)延遲或者打滑的現(xiàn)象。如長網(wǎng)紙機的網(wǎng)部等[2]。對于剛性耦合主輥的選擇一般從3個方面考慮：1）功率較大的輥；2）以固定輥作為主輥，擺動輥做從輥，如壓區(qū)合上之前紙張附著的輥子應(yīng)作為主輥。3）以硬輥，不易變形的輥作為主輥。對于柔性耦合主輥的選擇可以從2個方面考慮：1）功率較大的輥；2）驅(qū)網(wǎng)能力膠大的輥：網(wǎng)包角比較大的輥或真空吸附的輥等。

4.負荷控制實施方式

負荷分配可分為多種控制方式，主要分為基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制：直接轉(zhuǎn)矩控制+速度限制、速度控制+轉(zhuǎn)矩限制模式、轉(zhuǎn)矩控制取小模式；基于速度控制的負荷控制：Droop功能、速度控制+PI調(diào)節(jié)器模式。

4.1 速度控制+轉(zhuǎn)矩限制模式

該控制模式下主從輥變頻器都工作在速度控制模式，其中主輥的速度給定值來自控制系統(tǒng)速度鏈上一分部，從輥的速度給定值來自主輥速度，為了防止主從輥實際速度不一致導(dǎo)致負荷不均衡的情況，我們在把主輥速度給到從輥之前先疊加一個速度補償量，即從輥的給定速度比主輥的給定速度要高，然后根據(jù)通訊讀取的主從輥轉(zhuǎn)矩值計算出從輥的目標轉(zhuǎn)矩值，寫入從輥變頻器轉(zhuǎn)矩限制值。這樣由于從輥的速度給定值高于主輥，當主從輥工作在耦合狀態(tài)時，從輥的轉(zhuǎn)矩環(huán)工作在飽和模式，此時從輥的實際輸出轉(zhuǎn)矩即為從輥轉(zhuǎn)矩限制值。

4.2 轉(zhuǎn)矩控制+速度限制模式

該控制模式下主輥變頻器工作在速度控制模式，從輥變頻器工作在轉(zhuǎn)矩模式；主輥的速度來自控制系統(tǒng)速度鏈上一分部，主輥的轉(zhuǎn)矩值經(jīng)過相應(yīng)的計算處理后通訊寫入從輥轉(zhuǎn)矩設(shè)定值參數(shù)，為了防止機械故障或打滑等原因造成主從輥耦合關(guān)系消失而導(dǎo)致從輥飛車的問題，我們還需要對從輥的速度進行相應(yīng)的限制。

4.3 轉(zhuǎn)矩控制取小模式

轉(zhuǎn)矩控制取小模式在控制思路與上述兩種負荷分配方式相類似，都是對從輥變頻的轉(zhuǎn)矩環(huán)輸入進行相應(yīng)的處理，以到達控制從輥出力的目的，與上述負荷控制限制輸出轉(zhuǎn)矩及直接給定轉(zhuǎn)矩不同的是，該種負荷控制方式利用了變頻內(nèi)部模式選擇的功能，如下圖所示

通過改變變頻內(nèi)相應(yīng)參數(shù)，變頻器內(nèi)部會對速度環(huán)的輸出值和通訊寫入的轉(zhuǎn)矩給定值進行取大，取小等邏輯操作，從而自動實現(xiàn)速度/轉(zhuǎn)矩控制模式切換。在實際負荷分配過程中，我們選擇取小操作，即當速度環(huán)的輸出小于轉(zhuǎn)矩給定值時采用速度環(huán)輸出值。這種方式要比前述兩種方式更加簡單實用，并且無論是帶紙升降速、急停還是快停都能達到較好的控制效果。

4.4 Droop功能

Droop即速降，Droop的設(shè)定值表示當變頻器達到額定負荷時的速降值。該種負荷分配方式中，所涉及的分部變頻器都定義為主模式，速度控制，接收相同的控制給定信號和速度源信號，變頻器同時工作帶動負載運行，變頻器控制模式可以選擇帶編碼器矢量控制，也可以選擇其它控制方式。啟用變頻器Droop功能，由于該功能能根據(jù)所帶負載情況，自動調(diào)整實際給定速度，使其機械特性得以軟化，避免系統(tǒng)受到過硬的沖擊。這種負載分配主要應(yīng)用精度要求不高的柔性負載中，該負載分配控制簡單，不需要附加的控制線，建議盡量用在兩個變頻系統(tǒng)中[3]。

4.5 速度控制+PI調(diào)節(jié)器模式

該模式下，主從輥變頻器都采用速度控制模式，主輥的給定值源于系統(tǒng)速度鏈上一分部，在實際控制過程中PLC控制器通訊讀取主、從輥的實際轉(zhuǎn)矩值，計算出兩者的偏差，并以此值為PID調(diào)節(jié)器的過程值進行自動調(diào)節(jié)，以主輥速度值疊加PID輸出作為從輥的速度給定值，通過動態(tài)的調(diào)整從輥的給定速度到達調(diào)整主、從輥負荷的目的。設(shè)置PID參數(shù)時，應(yīng)注意不要把響應(yīng)調(diào)的太快，使得發(fā)生類似打滑等異常狀況時，速度偏差不會有劇烈的變化。

采用基于轉(zhuǎn)矩控制的負荷控制方式精度高、動態(tài)響應(yīng)快、控制品質(zhì)好適用紙機施膠機、壓光機、壓榨輥、烘缸與托輥等場合的應(yīng)用，Droop功能適用于速度可能發(fā)生變化的分部的控制，如施膠后鍍鉻缸分部的控制，對于施膠前后出現(xiàn)的紙張繃緊、松垂現(xiàn)象有較好的控制效果，速度PI調(diào)節(jié)模式適用于毛毯分部等轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)輸出反應(yīng)到實際從輥設(shè)備上需要一定時間延時和有可能出現(xiàn)打滑的場合，能避免轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)太快引起的毛毯張力振蕩等現(xiàn)象。

5.結(jié)束語

本文介紹了多電機傳動負荷控制的原理和幾種具體控制方式，將文中所述控制方式正確的應(yīng)用于實際設(shè)備的負荷控制，能在保證實現(xiàn)設(shè)備工藝特性的前提下，減少設(shè)備故障，提高生產(chǎn)效率同時降低電機的消耗。■

參考文獻

[1]孟憲坤 李明輝 李虎. 紙機負荷分配控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 自動化儀表 2012.

[2]孟彥京 張洪濤.多電機負荷分配的耦合特性與控制策略分析 自動化儀表 2013.

[3]馬俊 西門子變頻器負載分配控制技術(shù)在濟鋼KR的應(yīng)用 變頻器世界 2008.