摘要：介紹了應(yīng)用ABBACS800變頻器設(shè)計(jì)的造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。通過對(duì)硬件、軟件的設(shè)計(jì)———負(fù)荷分配、速度鏈設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行較為詳細(xì)地描述，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求。這種基于PLC和變頻器的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用高速紙機(jī)的高速度、高可靠性控制性能的需要。
　　　　
　　引言
　　
　　應(yīng)用ABB變頻器和西門子PLC所組成的裝置來組成造紙機(jī)的電氣控制系統(tǒng)；其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是基于S7-200PLC控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
　　
　　1、紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求
　　
　　該造紙機(jī)主要的技術(shù)數(shù)據(jù)如下。
　　
　　紙種：文化紙定量52～80g/m2；
　　
　　zui高車速：350m/min
　　
　　爬行速度：<40m/min可調(diào)；
　　
　　升減速時(shí)間：0.1～1000s可調(diào)；
　　
　　工作電壓：額定電壓的±10%；
　　
　　電源頻率：50Hz±5%；
　　
　　靜態(tài)精度：≤0.1%；
　　
　　頻率漂移：≤0.1%；
　　
　　頻率分辨率：0.01Hz；
　　
　　頻率控制：0～50Hz；
　　
　　起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：額定轉(zhuǎn)矩的200%；
　　
　　左、右右手機(jī)。
　　
　　該紙機(jī)的18個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，分別由18臺(tái)交流電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)，每臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)由ABB全數(shù)字變頻調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)控制。系統(tǒng)的控制采用PLC作為控制核心，由PLC對(duì)操作臺(tái)上每一傳動(dòng)點(diǎn)的操作信號(hào)進(jìn)行處理（每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)在操作臺(tái)上都設(shè)有：速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運(yùn)行等操作按鈕），并把相應(yīng)的速度信號(hào)以通信的方式傳送給變頻器。同時(shí)，還對(duì)伏輥、驅(qū)網(wǎng)、吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進(jìn)行負(fù)荷分配控制。另外，在操作臺(tái)上還顯示每一傳動(dòng)點(diǎn)的車速及工作電流，并具有運(yùn)行、故障指示。
　　
　　紙機(jī)正常運(yùn)行對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn)：
　　
　　1）紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±（0.02～0.01）%，動(dòng)態(tài)精度0.1%～0.05%；
　　
　　2）工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍，適應(yīng)生產(chǎn)不同品種、定量的需要。調(diào)節(jié)范圍為I=1：10之間；
　　
　　3）各傳動(dòng)分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機(jī)可以生產(chǎn)出良好的紙頁(yè)和延長(zhǎng)紙機(jī)正常工作時(shí)間，紙機(jī)各分部的速度必須是穩(wěn)定、可調(diào)的。各分部的調(diào)速范圍為±（8～10）%；
　　
　　4）爬行速度。為了方便檢查、清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯以及檢查各分部的運(yùn)行情況，各分部應(yīng)具有15～30m/min可調(diào)的爬行速度。但這樣低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以減少無效的運(yùn)行和機(jī)械磨損；
　　
　　5）具有剛性或柔性連接的傳動(dòng)分部間，在維持速度鏈關(guān)系的基礎(chǔ)上，還須具有負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負(fù)荷動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移而引起有的分部因過載而過流，有的分部因輕載而過壓；
　　
　　6）各分部具有微升、微降功能，應(yīng)具有必要的顯示功能，如線速度、電流、運(yùn)行、故障信號(hào)等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能。
　　
　　2、紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　
　　2.1系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì)
　　
　　硬件選擇依據(jù)系統(tǒng)的控制精度、通訊速度、響應(yīng)時(shí)間、高性價(jià)比、高可靠性的原則，選用SIEMENS
　　
　　S7-200PLC及CP226通信處理器，作為系統(tǒng)主控單元，控制整個(gè)系統(tǒng)。
　　
　　2.1.1變頻器
　　
　　變頻器選用ABB公司的ACS800系列高性能變頻器，ACS800變頻器采用*的DTC控制技術(shù)，內(nèi)置直流電抗器，從而降低進(jìn)線電源的高次諧波含量，zui大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；ACS800的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差，閉環(huán)時(shí)為0.05%，靜態(tài)精度為0.01%。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)時(shí)間，閉環(huán)時(shí)達(dá)到1～5ms。可較理想地滿足該機(jī)的高傳動(dòng)性能的需要。
　　
　　2.1.2反饋與速度控制
　　
　　系統(tǒng)為了降低成本，選擇了ABBACS800和ACS400混合配置。由于ACS400本身不帶速度反饋接口，為了實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，需另外加反饋裝置。本系統(tǒng)選用了由陜西科技大學(xué)自行設(shè)計(jì)的脈沖頻率電流變換單元，它能把測(cè)速脈沖轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸入到變頻器中去，利用變頻器內(nèi)部的過程控制軟件實(shí)現(xiàn)速度變換控制。
　　
　　這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)于大慣性負(fù)載，如烘缸的負(fù)載擾動(dòng)超調(diào)量和動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)調(diào)整帶來一定的不便，在使用中還要保持一定的工藝條件穩(wěn)定。如果工藝變化頻繁或波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)入開環(huán)控制。
　　
　　2.1.3繼電控制
　　
　　起／停和爬行／運(yùn)行控制不進(jìn)PLC，一方面節(jié)省I/O接口，另外也是工藝上適應(yīng)的一種設(shè)計(jì)。不論紙機(jī)大小，都要求每一傳動(dòng)點(diǎn)能獨(dú)立起/停和爬行/運(yùn)行操作。所以，如果進(jìn)入PLC進(jìn)行連動(dòng)設(shè)計(jì)，看起來自動(dòng)化程度高了，但實(shí)際不實(shí)用。因?yàn)樵谌€開機(jī)前為了保證安全和設(shè)備的試運(yùn)轉(zhuǎn)，一般都采用單機(jī)起動(dòng)或停止操作，這樣有利于發(fā)現(xiàn)故障和減少事故。故障保護(hù)及指示回路同樣采用繼電回路設(shè)計(jì)。
　　
　　2.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)
　　
　　程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)速度鏈上的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，并具有必要的保護(hù)功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。
　　
　　2.2.1速度鏈設(shè)計(jì)
　　
　　1）速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值。由此可構(gòu)成能滿足該機(jī)正常工作需要的速度鏈結(jié)構(gòu)。
　　
　　2）算法設(shè)計(jì)
　　
　　速度鏈的設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能，把壓榨作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)。該點(diǎn)速度即紙機(jī)的工作車速，調(diào)節(jié)其速度即調(diào)節(jié)整機(jī)車速。其它各分部點(diǎn)的速度由該點(diǎn)車速乘以相應(yīng)的變比得到。由PLC檢測(cè)其它分部車速調(diào)節(jié)信號(hào)，通過進(jìn)行該部增、減按紐的操作改變其速比，從而改變相應(yīng)分部的車速。
　　
　　2.2.2負(fù)荷分配設(shè)計(jì)
　　
　　該紙機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上有柔性聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)點(diǎn)，烘缸部和壓榨部之間不僅要求速度同步還需要負(fù)載率均衡，否則會(huì)造成一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)由于過載而過流，而另一傳動(dòng)點(diǎn)則由于被帶動(dòng)而過壓，影響正常抄紙，甚至可能撕壞毛布，損壞變頻器、機(jī)械設(shè)備。因此這兩個(gè)傳動(dòng)部分的傳動(dòng)點(diǎn)之間需要負(fù)荷分配自動(dòng)控制。
　　
　　負(fù)荷分配工作原理：假設(shè)P1e、P2e為兩臺(tái)電機(jī)額定功率，Pe為額定總負(fù)載功率，Pe=P1e+P2e。P為實(shí)際總負(fù)載功率，P1、P2為電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率，則P=P1+P2。系統(tǒng)工作要求P1=P×P1e/Pe，P2=P×P2e/Pe，兩個(gè)值相差≤3%。
　　
　　由于電機(jī)功率是個(gè)間接量控制。實(shí)際控制以電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算。
　　
　　PLC采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算每一組的總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載平衡時(shí)的期望轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如下式（1）所示：
　　
　　M=Pe1×Mi1+Pe2×Mi2Pe1+Pe2（1）
　　
　　其中ML1、ML2是壓榨、烘缺電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；
　　
　　P1e、P2e是壓榨、烘缸臺(tái)電機(jī)額定功率；
　　
　　M為負(fù)荷平均期望轉(zhuǎn)矩。
　　
　　PLC通過Modbus總線得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩，利用上述原理再施以PID算法，調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩百分比一致、即完成負(fù)荷自動(dòng)分配的目標(biāo)。
　　
　　設(shè)置zui大限幅值，如果負(fù)荷偏差超過該設(shè)定值，要停機(jī)處理，以防機(jī)械、電氣損害發(fā)生。負(fù)荷分配控制實(shí)現(xiàn)的前提是合理的速度鏈結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷分配的傳動(dòng)點(diǎn)組處于子鏈結(jié)構(gòu)上，該部負(fù)荷調(diào)整時(shí)，不影響其它的傳動(dòng)點(diǎn)，因此速度鏈結(jié)構(gòu)是采用主鏈與子鏈相結(jié)合的形式。
　　
　　2.3輔助控制的機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)
　　
　　輔助部分的機(jī)、電、液一體化、連鎖及保護(hù)、卷紙機(jī)自動(dòng)換卷控制、稀油站潤(rùn)滑系統(tǒng)等輔助電氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和設(shè)備安全。
　　
　　3、系統(tǒng)調(diào)試
　　
　　本系統(tǒng)的調(diào)試分為三部分。一個(gè)是繼電回路調(diào)試，另外是軟件調(diào)試、負(fù)荷分配調(diào)試及速度測(cè)試等。以下簡(jiǎn)要介紹后兩個(gè)問題的調(diào)試方法。
　　
　　3.1軟件調(diào)試
　　
　　軟件調(diào)試*步，驗(yàn)證PLC動(dòng)作是否正常，可以在連通整個(gè)系統(tǒng)的情況下觀察變頻器的顯示頻率進(jìn)行驗(yàn)證。如在I/O端口上加上開關(guān)信號(hào)，觀察應(yīng)當(dāng)動(dòng)作的變頻器單元，看是否按要求對(duì)頻率進(jìn)行了調(diào)整。第二步，試驗(yàn)負(fù)荷分配的動(dòng)作，方向是否與設(shè)計(jì)一致。可以在端子上加信號(hào)使電流增加或減少，如果按計(jì)算，相應(yīng)的傳動(dòng)點(diǎn)頻率變化則表示正常。zui后檢查通訊的可靠性，可以從變頻器上讀出通訊的錯(cuò)誤率代碼，做必要的線路處理。
　　
　　3.2系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間測(cè)試
　　
　　將系統(tǒng)的*級(jí)、中間一級(jí)和zui后一級(jí)接上速度表，然后以各點(diǎn)的加/減速按鈕來檢查頻率變化情況。當(dāng)按下按鈕后應(yīng)沒有明顯的滯后感,否則應(yīng)檢查程序和硬件線路，如前面所提到的，采用I/O端掃描，其速度反應(yīng)在zui壞情況下應(yīng)在數(shù)百ms以內(nèi)，否則會(huì)感到操作不方便。
　　
　　4、結(jié)語
　　
　　該紙機(jī)在山東一造紙廠經(jīng)過近一年多的實(shí)際紙機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)的穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙頁(yè)質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都得到了用戶的肯定。實(shí)踐表明，這種基于ABB變頻器和S7-200PLC的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是可行的、合理的。