基于變頻控制器的高頻搖振器控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馬匯海 張君燕，* 孟彥京 胡 斌 柴德喜

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021;2.山東明源智能裝備科技有限公司，山東棗莊，277100;3.陜西科達(dá)電氣有限公司，陜西咸陽，712000)

高頻搖振器是一種利用外界驅(qū)動力使機(jī)械設(shè)備高頻振動以達(dá)到某種工藝要求的設(shè)備，其在造紙行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用［1］。造紙過程中高頻搖振器通過搖振連桿連接紙機(jī)胸輥，帶動網(wǎng)案使其在軸向上產(chǎn)生高頻率往復(fù)振動，有效地加強(qiáng)了纖維的橫向分布，減少漿料絮聚，對紙張勻度和強(qiáng)度有明顯的改善作用［2-3］。

原國產(chǎn)搖振器依靠旋轉(zhuǎn)偏心機(jī)構(gòu)產(chǎn)生網(wǎng)部搖振驅(qū)動力，由于沖擊載荷各傳動機(jī)構(gòu)容易受損，為提高搖振器的搖振頻率，減少設(shè)備磨損故障，提高紙機(jī)運轉(zhuǎn)率，工藝上希望搖振器對其基礎(chǔ)的沖擊力越小越好。2003年由德國Voith公司研制出的一種無沖擊高頻搖振器在牡丹江恒豐紙業(yè)投入運行［4］，滿足了實際需求;現(xiàn)經(jīng)國內(nèi)制造公司改造設(shè)計已廣泛用于造紙行業(yè)。改造后網(wǎng)部搖振系統(tǒng)采用兩組偏重擺輪通過控制其相位角的改變，從而實現(xiàn)對紙機(jī)胸輥驅(qū)動力和搖振幅度的控制，電氣設(shè)備分別使用伺服電動機(jī)與變頻器實現(xiàn)對振幅與振頻的調(diào)節(jié)，降低運行故障的同時穩(wěn)定了振幅相位的調(diào)整［5-7］。

常見的高頻搖振器在控制系統(tǒng)的設(shè)計上，采用伺服控制器與伺服電動機(jī)完成對振幅的位置控制［8-9］。伺服控制器與伺服電動機(jī)雖然在位置控制精度上有優(yōu)越性，但成本較高，限制了搖振器的使用范圍。若在位置精度滿足控制要求的前提下，采用變頻控制器+異步電機(jī)代替伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)完成對搖振器的振幅驅(qū)動與控制［10］，則在采購與維護(hù)成本上大幅度降低，從而提高設(shè)備性價比。本課題在充分分析高頻搖振器運行機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用S7-1200PLC+變頻驅(qū)動的硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合自主研發(fā)的軟件算法完成了對高頻搖振器的閉環(huán)控制功能，經(jīng)實驗仿真和實際運行效果表明，該系統(tǒng)能滿足其控制需求，具有較高的使用價值。

1 工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

無沖擊高頻搖振器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，正面由2個傳動同步齒輪、2個調(diào)節(jié)同步齒輪、2個張緊輪和同步帶組成。箱體內(nèi)部主要裝載4個偏重塊，后部為油站、壓力儀表等監(jiān)測機(jī)構(gòu)。

原搖振設(shè)備的振頻由通用變頻器驅(qū)動三相異步電機(jī)控制，大小由三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速決定;振幅由伺服驅(qū)動器控制，大小由兩組偏重擺輪之間的相對相位角來改變［11］。設(shè)備運行時變頻器驅(qū)動三相異步主電機(jī)作為主驅(qū)動，經(jīng)減速箱和同步傳動帶動整體同步齒輪順時針正轉(zhuǎn)。中間4個輪固定在箱體上，2個傳動同步齒輪后接2個偏重擺輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振次，2個調(diào)節(jié)同步齒輪安裝在內(nèi)框架上，通過伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動精密絲桿發(fā)生位移，使相連的內(nèi)部框架與調(diào)節(jié)同步齒輪一起平穩(wěn)地上下移動，從而調(diào)節(jié)后面一組偏重擺輪相位角的變化，改變搖振幅度。

圖1 無沖擊高頻搖振器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 工作原理

搖振箱內(nèi)部偏重擺輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面擺輪連接外面?zhèn)鲃油烬X輪為主動，上面為從動，運轉(zhuǎn)方向與初始偏重塊相位狀態(tài)如圖2所示，此時設(shè)備運作時4個偏重塊受力相互抵消，不產(chǎn)生軸向的力，無振幅;當(dāng)需要調(diào)節(jié)振幅時，左邊一組偏重塊相對位置固定不動，調(diào)節(jié)右邊偏重塊相對位置 (稱為相位角)，兩者以相同速率轉(zhuǎn)動，則在軸向上產(chǎn)生沖力，角度轉(zhuǎn)動180°時振幅最大。

圖2 偏重擺輪結(jié)構(gòu)圖

搖振強(qiáng)度計算見公式 (1)［12］。

式中，Ish為搖振強(qiáng)度系數(shù);nZ為搖振頻率，次/min;A為振幅，mm;v為紙機(jī)網(wǎng)速，m/min。

根據(jù)實際工作得出搖振強(qiáng)度系數(shù)約為3000時生產(chǎn)的紙張質(zhì)量最優(yōu)，當(dāng)網(wǎng)速為300 m/min，振頻設(shè)為300次/min時，由公式 (1)可知，振幅為10 mm最佳。

伺服電動機(jī)帶動精密絲桿使內(nèi)框架發(fā)生的位移見公式 (2)。

式中，h為內(nèi)框架上升位移;k為伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)與精密絲桿位移的傳動比例;l弧為擺輪的弧長;θ為偏心塊移動的相位角;R為擺輪半徑。

擺輪運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的向心力見公式 (3)。

式中，m為偏重塊質(zhì)量;T為旋轉(zhuǎn)周期;r為擺輪質(zhì)心半徑;f為旋轉(zhuǎn)頻率，即搖振頻率。

偏重塊相位角移動后產(chǎn)生的搖振沖力，計算見公式(4)。

振頻一定時，調(diào)節(jié)偏重塊相位角所產(chǎn)生的振幅計算見公式 (5)。

式中，a為振幅加速度;t為單向振動時間。

因振動一次軸向受相反沖力產(chǎn)生來回兩次位移，所以單向振動時間計算見公式 (6)。

式中，f為搖振頻率。

搖振器產(chǎn)生的沖力作用在連接桿上，使其移動發(fā)生振幅。搖振沖力的計算見公式 (7)。式中，m桿為連接桿質(zhì)量。

當(dāng)不計機(jī)械摩擦力時，結(jié)合公式 (2)～公式(7)，內(nèi)框架上升位移計算見公式 (8)。

調(diào)節(jié)振幅時可先根據(jù)公式 (8)推導(dǎo)確定一個位移相近值，然后再通過實際測得振幅值閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)重新確定位移大小。

2 系統(tǒng)運行過程

2.1 系統(tǒng)組成

搖振器由電氣控制部分、傳動部分、振幅調(diào)節(jié)部分、潤滑部分、連接部分等組成。

現(xiàn)將調(diào)節(jié)振幅的伺服電動機(jī)改為變頻器與三相異步電動機(jī)的組合，則電氣控制部分采用15 kW三相異步主電機(jī)調(diào)振頻、1.5 kW三相異步小電機(jī)調(diào)振幅、2臺ACS-880變頻器、供油電機(jī)潤滑、西門子S7-1200 CPU 1214C系列PLC和HMI觸摸屏監(jiān)控設(shè)備運行。傳動部分由傳動同步齒輪通過兩根主傳動軸、平行軸聯(lián)軸器與后面的偏重擺輪傳動軸連接。振幅調(diào)節(jié)部分通過S7-1200 PLC閉環(huán)控制ACS-880變頻器與三相異步電動機(jī)完成。搖振箱內(nèi)潤滑部分為集散多孔潤滑，主要包括齒輪與滑動軸承的潤滑、偏重輪滑道的潤滑。連接部分為與造紙機(jī)胸輥的連接，兩者需保持在同一軸度下。

2.2 運行過程

搖振器工作前，首先固定內(nèi)部4個偏重擺輪的初始相位角，確定前端框架的垂直位置，找到振幅為零的點。開機(jī)運行時，先開油泵電機(jī)，為搖振箱內(nèi)部噴油潤滑，當(dāng)監(jiān)測到潤滑油壓力滿足工作條件后，啟動振頻調(diào)節(jié)電機(jī)，經(jīng)一臺ACS-880變頻器調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速使內(nèi)部擺輪搖振次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，然后開啟相位調(diào)節(jié)電機(jī)，在另一變頻器驅(qū)動下電機(jī)帶動蝸輪蝸桿與前端框架向上產(chǎn)生一段位移，相連改變內(nèi)部一組偏重擺輪的相位角度，使其軸向產(chǎn)生一定搖振力，振幅由此產(chǎn)生。停機(jī)前首先調(diào)相位電機(jī)控制振幅歸零，使偏重擺輪相位角回原位，位移回零點，偏重擺輪不再產(chǎn)生沖力，防止機(jī)械設(shè)備停止時磨損，再將調(diào)節(jié)振頻的主電機(jī)降速到停止，最后停油泵。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件部分以S7-1200PLC為控制中心，分別組態(tài)人機(jī)接口 (HMI)觸摸面板及SM信號模塊來完成對振頻、振幅計算和控制的主要任務(wù)，其部分接線圖如圖3所示。

控制系統(tǒng)通過PLC的5個數(shù)字量輸出端口控制繼電器是否得電，分別完成對調(diào)振頻主變頻器1的運行控制、調(diào)相位電機(jī)變頻器2的運行控制、變頻器2方向控制、潤滑油泵運行與相位電機(jī)制動運行的控制。該系統(tǒng)還通過7個數(shù)字量輸入端口分別反饋相位電機(jī)上編碼器狀態(tài)、設(shè)備急停信號、油泵狀態(tài)、相位電機(jī)制動狀態(tài)、變頻器1與變頻器2的運行狀態(tài)。

PLC采用SM1231與SM1232信號模塊分別控制2個模擬量I/O點。SM1231信號模塊0+與0－接收主變頻器輸出的速度模擬量輸入反饋，反饋檢測由主電機(jī)內(nèi)部自帶的編碼器檢測其轉(zhuǎn)速后傳遞給主變頻控制器。PLC得到相應(yīng)主電機(jī)轉(zhuǎn)速后，控制并調(diào)節(jié)其達(dá)到所需的振頻。1+與1－接收振幅變送器檢測的實際位移模擬量輸入反饋，控制振幅進(jìn)行細(xì)調(diào)。SM1232實現(xiàn)對主變頻器和相位變頻器速度給定模擬量的輸出控制。模擬量的傳輸為避免信號干擾，降低測量精度，使用加屏蔽層的電纜。

主變頻器與相位變頻器采用ABB公司的ACS-880型，輸入端子為速度給定，三相輸出端子控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，主變頻器輸出端子實現(xiàn)速度反饋，相位電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)位置反饋，振幅實際值通過位移變送器檢測。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 控制方法設(shè)計

針對系統(tǒng)中需要監(jiān)控的關(guān)鍵對象，電氣傳動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分:振頻調(diào)節(jié)模塊和振幅調(diào)節(jié)模塊。

振頻調(diào)節(jié)模塊由PLC運動控制組態(tài)軸調(diào)用軸指令控制變頻器改變頻率，從而改變主調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速箱減速控制偏心輪轉(zhuǎn)速，再由振頻變送器反饋達(dá)到閉環(huán)調(diào)節(jié)振次的目的，系統(tǒng)框圖如圖4所示。振幅調(diào)節(jié)模塊由內(nèi)含兩層控制模型的PLC閉環(huán)控制組態(tài)軸，首先根據(jù)振幅與相位電機(jī)位移的函數(shù)關(guān)系控制確定所需位移大小完成粗調(diào)，然后結(jié)合位移變送器檢測信號完成振幅細(xì)調(diào)。

其中振幅的控制算法具有抗積分飽和功能，在此基礎(chǔ)上添加位置反饋，控制變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)確定零點，并根據(jù)編碼器實測脈沖數(shù)反饋調(diào)節(jié)使其達(dá)到位置控制精度，最后由實測振幅值再閉環(huán)調(diào)節(jié)，此串級控制使其滿足所需振幅要求，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

上述控制算法還具有預(yù)控制功能，在位置控制過程中在線反饋校正，用當(dāng)前過程輸出的測量位置值與前面模型計算出的設(shè)定值比較，并用其差與速度設(shè)定值一起來修正模型輸出的預(yù)估值，克服了擾動及模型失配等問題，可以代替原來的伺服電動機(jī)快速完成任務(wù)并提高控制精度，控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在PLC內(nèi)部提高振幅位置控制精度的預(yù)控制系統(tǒng)模塊如圖7所示。根據(jù)振幅與內(nèi)框架上升位移公式(8)計算出所需相位電動機(jī)達(dá)到的位置設(shè)定值，再確定其速度設(shè)定值，當(dāng)獲得實際位置輸出后在線校正，與公式 (8)模型確定的位置設(shè)定軌跡一起經(jīng)過優(yōu)化計算得到最新速度預(yù)估值，從而使電動機(jī)輸出符合要求的高精度位移，得到相應(yīng)的振幅值。

圖3 硬件系統(tǒng)接線圖

圖4 振頻控制系統(tǒng)框圖

圖5 振幅串級控制系統(tǒng)框圖

3.2.2 程序及監(jiān)控畫面設(shè)計

在西門子公司提供的TIA Portal V14編程軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行程序設(shè)計與開發(fā)，主程序流程圖如圖8所示，該程序運行過程中調(diào)用了觸摸屏信號處理、模擬信號處理、數(shù)字信號處理、振頻與振幅調(diào)節(jié)等子程序。

圖6 位置控制器預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖

圖7 PLC內(nèi)部預(yù)控制系統(tǒng)模型

圖8 主程序流程圖

觸摸屏模塊實現(xiàn)了任務(wù)數(shù)據(jù)的給定、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示與調(diào)節(jié)功能;模擬量采集模塊從外部采集各檢測量，運行數(shù)控程序，計算各個頻率、位移等所需變量值;數(shù)字量開關(guān)模塊控制油泵電機(jī)、相位電機(jī)及變頻器的運行停止;控制模塊使系統(tǒng)達(dá)到控制精度，在串級閉環(huán)控制系統(tǒng)中，振幅與編碼器的位移檢測值通過反饋分別傳遞給輸入端，反饋與輸入共同調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)使振幅最終達(dá)到控制要求。

工作時當(dāng)油泵運行使搖振箱內(nèi)部潤滑油壓力滿足偏重擺輪工作條件后，再啟動主變頻器調(diào)振頻，振頻達(dá)到設(shè)定值后再啟動相位變頻器。同樣若要停止設(shè)備，先使相位變頻器位移回零點停止，再停主變頻器，最后停油泵電機(jī)。

HMI采用了觸摸屏設(shè)備，監(jiān)控主畫面如圖9所示。圖9中畫面掌握系統(tǒng)工作狀態(tài)的同時還可設(shè)定變量的參數(shù)。圖9中顯示振次、振幅的白色框中為設(shè)定值，可修改，灰色框中為實際值。其余各部分設(shè)備在畫面中的數(shù)據(jù)顯示值均為實測值，方便操作員對其進(jìn)行監(jiān)控并執(zhí)行基本任務(wù)。

圖9 監(jiān)控主畫面

4 系統(tǒng)組態(tài)及測試結(jié)果

4.1 系統(tǒng)組態(tài)

在TIA Portal V14編程軟件中調(diào)用PLC控制器的兩個控制單元，創(chuàng)建運動工藝軸對象，將驅(qū)動器接口設(shè)置為模擬驅(qū)動器接口，分別對下面的主電機(jī)進(jìn)行速度矢量控制，對調(diào)相位電機(jī)進(jìn)行伺服位置控制。主電機(jī)通過PLC軟件設(shè)定振次來控制主變頻器自動調(diào)節(jié)輸出頻率，從而來完成對振次的控制。相位電機(jī)上安裝絕對值編碼器，組態(tài)模擬驅(qū)動器與編碼器耦合，選擇高速計數(shù)器HSC類型，通過對電機(jī)輸出進(jìn)行實時位置檢測與調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對振幅的控制，工藝對象軸組態(tài)如圖10所示，驅(qū)動器配置圖如圖11所示。

圖10 工藝對象軸組態(tài)

圖11 驅(qū)動器配置圖

4.2 測試結(jié)果分析

組態(tài)模型建立并編程后，搭建實際電控系統(tǒng)如圖12所示。圖12中左上為主電機(jī)變頻器，右上為調(diào)幅變頻器，最下面為1200-PLC及其附加模塊。

運行并調(diào)試整體系統(tǒng)，給定一位置目標(biāo)，相位調(diào)節(jié)電動機(jī)跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)軌跡運行，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值收到停止信號后，電動機(jī)經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)波動后穩(wěn)定停在所需位置。圖13為PLC內(nèi)部控制電機(jī)轉(zhuǎn)速圖。圖13中PLC控制驅(qū)動器使電動機(jī)預(yù)到達(dá)相應(yīng)位置范圍內(nèi)，發(fā)出停止信號，降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)使其上下波動，因在實際工作中對振幅調(diào)節(jié)允許產(chǎn)生小幅度的超調(diào)量，經(jīng)過調(diào)節(jié)后使電動機(jī)的最終位移在要求時間內(nèi)達(dá)到所需位置精度。

圖13 PLC內(nèi)部控制電機(jī)轉(zhuǎn)速圖

經(jīng)實驗調(diào)節(jié)與觀測獲得搖振器正常工作時的數(shù)據(jù)內(nèi)容，其中網(wǎng)速為 300 m/min，振頻設(shè)定為 270次/min，由公式 (1)可知，振幅為12.35 mm時生產(chǎn)的紙張質(zhì)量最優(yōu)，故振幅設(shè)為12.5 mm。

觸摸屏上實際監(jiān)控畫面顯示見圖14，實際監(jiān)控中得到振頻為268次/min，振幅為12.0 mm，即振幅誤差控制在±0.5 mm，振頻精度達(dá)到±2次/min，測試結(jié)果證明該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地完成控制目標(biāo)。

圖14 實際監(jiān)控畫面

5 結(jié)語

為節(jié)約電氣設(shè)備成本，在實現(xiàn)相同控制任務(wù)的電氣系統(tǒng)中通過使用變頻控制器控制異步電動機(jī)完成原需伺服電機(jī)控制的位置精度，PLC內(nèi)部采用控制器與組態(tài)軸改善了控制方式，提高了控制精度，通過觸摸面板方便工作人員設(shè)定所需振頻與振幅值，掌握設(shè)備的運行狀態(tài)與故障信息等，實驗證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。根據(jù)目前市售配件價格簡單計算可知，節(jié)約電氣設(shè)備成本約15%。本系統(tǒng)的實現(xiàn)對高頻搖振器的進(jìn)一步推廣使用具有積極的促進(jìn)作用，系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用價值。