孟彥京 張 焱

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021)

·負(fù)荷分配·

ACS800在2600/350多缸紙機(jī)負(fù)荷分配中的應(yīng)用與研究

孟彥京 張 焱*

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021)

介紹了紙機(jī)中負(fù)荷分配的原理以及設(shè)計(jì)方法，討論了設(shè)計(jì)負(fù)荷分配時(shí)可能遇到的問(wèn)題和解決方法，提出了在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中負(fù)荷分配設(shè)計(jì)的重要性。介紹了ACS800系列直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器在2600/350多缸紙機(jī)負(fù)荷分配方面的重要應(yīng)用，討論了通信、連鎖、參數(shù)設(shè)置及實(shí)際使用中的一些注意事項(xiàng)。

ACS800系列變頻器；負(fù)荷分配；多缸紙機(jī)；應(yīng)用

(*E-mail:zhangyan163.ok@163.com)

1 2600/350多缸紙機(jī)負(fù)荷分配方案的選擇

2600/350多缸紙機(jī)的主傳動(dòng)參數(shù)如表1所示。

該紙機(jī)主傳動(dòng)采用ABB公司的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器ACS800系列，PLC采用了西門(mén)子的S7-313-2DP，光電編碼器數(shù)字反饋閉環(huán)控制，編碼器采用歐姆龍的E6B2-CWZ6C/500P。

交流變頻傳動(dòng)控制的紙機(jī)，其負(fù)荷分配方案常采用PLC通過(guò)通信控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)，將讀取的各傳動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩通過(guò)通信進(jìn)入CPU，與理論計(jì)算值比較，用轉(zhuǎn)矩差值控制對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使轉(zhuǎn)差率增大或減小，從而調(diào)整該點(diǎn)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩以達(dá)到負(fù)荷平衡。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)試容易、工作可靠、控制精度高(3%以?xún)?nèi))，可控點(diǎn)數(shù)多(20點(diǎn)以上)，因此得到了廣泛使用。但是隨著傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)的增多，勢(shì)必將增加CPU程序掃描時(shí)間，使執(zhí)行周期加長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。所以在紙機(jī)傳動(dòng)上的應(yīng)用受到了限制[1]。

在選用變頻器時(shí)，考慮到紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)多，負(fù)荷分配組數(shù)多的特點(diǎn)，若采用上述方案雖然可節(jié)省一定投資，但會(huì)造成程序掃描周期加長(zhǎng)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢等問(wèn)題，這對(duì)控制不利。故應(yīng)選用ACS800系列變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。其優(yōu)點(diǎn)在于：在整機(jī)運(yùn)行時(shí)，5個(gè)從點(diǎn)控制由其對(duì)應(yīng)的主點(diǎn)通過(guò)ACS800主從控制完成。程序無(wú)需采樣和計(jì)算分配各點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，可比原來(lái)節(jié)省時(shí)間，同時(shí)省去相應(yīng)的通信發(fā)送，通信程序塊簡(jiǎn)單化，執(zhí)行周期可比原來(lái)節(jié)省近1/2的時(shí)間。因此，增加一些投資以換取整機(jī)控制效果的提高也是值得的，后來(lái)在實(shí)際運(yùn)行中也證明了這一點(diǎn)。

表1 2600/350多缸紙機(jī)的主傳動(dòng)參數(shù)表

2600/350多缸紙機(jī)共有3組負(fù)荷分配(見(jiàn)表1)，采用ACS800系列的主從控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。主從之間通過(guò)光纖通信用于紙機(jī)的負(fù)荷分配控制，速率高、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定，可取得很好的控制效果。

2 ACS800變頻器的主從控制用于負(fù)荷分配的控制原理

2.1 負(fù)荷分配的控制原理

負(fù)荷分配控制中選取一臺(tái)電機(jī)作為本組的主點(diǎn)，連接在速度鏈上，其他電機(jī)則作為本組從點(diǎn)，連接在子速度鏈上。這里舉一個(gè)兩點(diǎn)負(fù)荷分配的例子，如圖1所示，變頻器1和變頻器4是負(fù)荷分配組的前級(jí)和后級(jí)。變頻器2則是負(fù)荷分配組的主點(diǎn)，變頻器3作為其從點(diǎn)，位于子速度鏈上。這兩臺(tái)電機(jī)的額定功率依次為P1N、P2N，額定總功率為Pe，顯然有Pe=P1N+P2N。實(shí)際總功率為P，兩電機(jī)的實(shí)際輸出功率則分別為P1、P2，則有P=P1+P2。

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足式(1)。

圖1 負(fù)荷分配原理圖

(1)

在實(shí)際控制中，電機(jī)功率是一個(gè)間接量，不易直接測(cè)量。因此，以電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)反映電機(jī)的功率。而電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩由電流決定，故通過(guò)控制電機(jī)電流起到控制電機(jī)功率的作用，如式(2)所示。

(2)

其中：ILi—第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)際電流；Iei—第i臺(tái)電機(jī)的額定電流；IL—總負(fù)載電流。

負(fù)荷分配就是根據(jù)電機(jī)電流，利用上述原理對(duì)各臺(tái)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各電機(jī)實(shí)際電流和額定電流比值相等，這樣即完成了負(fù)荷分配的自動(dòng)控制。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及ACS800系列變頻器

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實(shí)質(zhì)是基于定子兩相靜止參考坐標(biāo)系，以定子磁場(chǎng)定向，一方面維持轉(zhuǎn)矩在給定值附近，另一方面維持定子磁鏈沿著事先設(shè)定好的軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)于交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈直接進(jìn)行閉環(huán)控制。該項(xiàng)技術(shù)具有控制方式簡(jiǎn)單、手段直接、物理概念明確的優(yōu)點(diǎn)。ACS800系列變頻器即是ABB公司采用了此技術(shù)研發(fā)出的一類(lèi)變頻器，具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、超調(diào)小、接口技術(shù)通用、使用和維修方便的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 紙機(jī)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由于負(fù)載多變、情況復(fù)雜的特殊性，在負(fù)荷分配時(shí)要求速度穩(wěn)定、分配平衡，需要考慮以下問(wèn)題。

2.3.1 負(fù)荷分配控制算法分析

如前所述，負(fù)荷分配要求采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)單的負(fù)荷分配算法簡(jiǎn)單，主點(diǎn)與從點(diǎn)比較就可進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種算法適用于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)較少，一般在4點(diǎn)以下的控制系統(tǒng)中。

對(duì)于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)多的系統(tǒng)，此時(shí)就需要根據(jù)負(fù)荷分配平均算法進(jìn)行。首先求出系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩即可求出理想平均轉(zhuǎn)矩，如公式(3)所示。

(3)

其中：M—所加負(fù)荷的平均轉(zhuǎn)矩；Mli—第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；Pei—第i臺(tái)電機(jī)的額定功率；Pi—第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出功率。

當(dāng)紙機(jī)負(fù)載隨時(shí)波動(dòng)時(shí)，計(jì)算出來(lái)的平均理想轉(zhuǎn)矩M也實(shí)時(shí)變化。

2.3.2 負(fù)荷分配控制的調(diào)節(jié)要求

與所有控制系統(tǒng)一樣，紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)也要求穩(wěn)、快、準(zhǔn)。其中的負(fù)荷分配控制也要求穩(wěn)定、快速、無(wú)振蕩。此時(shí)，負(fù)荷分配控制器可采用PID控制算法。

2.3.3 負(fù)荷分配控制方式多樣化設(shè)計(jì)

在紙機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能隨時(shí)出現(xiàn)負(fù)載加壓或卸壓的情況，所以要求負(fù)荷分配控制方式也要隨之變化。此時(shí)，可通過(guò)PLC的數(shù)字端子控制，就可切換不同的控制方式。

圖2 壓榨部負(fù)荷分配變頻器連接圖

2.3.4 負(fù)荷分配控制中的保護(hù)功能設(shè)計(jì)

在負(fù)荷分配設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮到速度限幅的問(wèn)題。即從點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)為帶有速度限幅的轉(zhuǎn)矩控制，防止可能出現(xiàn)主從點(diǎn)之間的速差過(guò)大，或者出現(xiàn)打滑現(xiàn)象對(duì)設(shè)備造成損害。

負(fù)荷分配點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮到單、聯(lián)動(dòng)功能，以方便調(diào)試檢修。

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工藝要求和操作要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，具體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要考慮到所帶實(shí)際負(fù)荷的性質(zhì)，如是剛性還是柔性負(fù)荷，其控制方案的設(shè)計(jì)是不同的。

綜上所述，負(fù)荷分配與速度鏈控制既相互獨(dú)立又有關(guān)聯(lián)。在使用PLC控制時(shí)應(yīng)注意到銜接問(wèn)題。

2.4 ACS800系列變頻器用于負(fù)荷分配的控制原理

ACS800系列主從控制變頻器是為多傳動(dòng)而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由多個(gè)ACS800驅(qū)動(dòng)，其電機(jī)通過(guò)某種裝置相互耦合?？煞譃閮煞N情況討論：一是主點(diǎn)、從點(diǎn)之間通過(guò)某機(jī)械裝置的齒輪、鏈條剛性連接起來(lái)，此時(shí)主點(diǎn)采用速度控制，從點(diǎn)跟隨主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定，考慮安全也應(yīng)帶有速度限幅；二是主點(diǎn)與從點(diǎn)之間通過(guò)毛布等連接，即形成柔性連接。此時(shí)，為使主、從點(diǎn)均勻的分配負(fù)荷，它們都應(yīng)由同一速度給定值來(lái)控制。

紙機(jī)中多點(diǎn)傳動(dòng)通常屬于第一種情況，即剛性連接。ACS800系列完成負(fù)荷分配的原理是：負(fù)荷分配中主點(diǎn)采用轉(zhuǎn)速給定，其中速度值來(lái)自于PLC通過(guò)速度鏈關(guān)系的計(jì)算值，再由PROFIBUS-DP總線的通信給定。從點(diǎn)由主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩輸出通過(guò)通信給定。由于主點(diǎn)輸出的即是其實(shí)際轉(zhuǎn)矩，所以從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩都將跟隨主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。這樣，主、從點(diǎn)之間負(fù)荷分配將一致且不存在速差，即可達(dá)到順利生產(chǎn)的目的。

負(fù)荷分配控制只要遵循上述一些原則就可完成。關(guān)于具體PLC程序的編制在此不贅述。

3 ACS800系列變頻器主從控制負(fù)荷分配的實(shí)現(xiàn)

3.1 ACS800變頻器硬件連接

以第2組負(fù)荷分配，即真空壓榨輥和真空吸移輥1為例，如圖2所示。其中SB041、SB051和SB042、SB052分別是變頻器的啟、停按鈕。為使工作可靠，變頻器中的啟動(dòng)觸點(diǎn)(K041和K051)使用了雙觸點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)點(diǎn)的單、聯(lián)動(dòng)控制，使用了SB057。單動(dòng)時(shí)主、從點(diǎn)變頻器單獨(dú)啟停，聯(lián)動(dòng)時(shí)主點(diǎn)通過(guò)通信，給從點(diǎn)VF04的控制端子DI2啟停信號(hào)。同時(shí)，K057的斷開(kāi)也切斷了從點(diǎn)VF04的操作回路，故此時(shí)從點(diǎn)操作回路將不起作用。主點(diǎn)的啟停則是由自己的啟停按鈕控制，K207為急停觸點(diǎn)，用于緊急停車(chē)。PA041等為電流表用于顯示對(duì)應(yīng)電機(jī)的實(shí)際電流值。

3.2 ACS800從機(jī)監(jiān)控

當(dāng)負(fù)荷分配主點(diǎn)因故障停機(jī)時(shí)，其對(duì)應(yīng)從點(diǎn)的給定將為0，因此從點(diǎn)將自動(dòng)停機(jī)；但當(dāng)任一從點(diǎn)或全部從點(diǎn)因故障停機(jī)時(shí)，此時(shí)自然要求主點(diǎn)的變頻器也停機(jī)，否則會(huì)造成設(shè)備損壞，甚至可能造成安全事故，因此必須考慮相應(yīng)的保護(hù)措施。圖2中兩個(gè)中間繼電器K042、K052則是為此目的而設(shè)計(jì)的。當(dāng)從點(diǎn)真空吸移輥1發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，繼電器K042得電動(dòng)作，立即切斷主點(diǎn)上的啟動(dòng)回路，使主點(diǎn)也停車(chē)，起到連鎖保護(hù)的目的。

3.3 ACS800系列變頻器主從通信光纖連接

將ACS800系列變頻器的主從模塊RDCO- 03(選購(gòu)件)安裝于對(duì)應(yīng)變頻器的RMIO控制板上，主從光纖的連接如圖3所示。有兩種連接結(jié)構(gòu)(本組負(fù)荷分配只有兩點(diǎn)，故只有一種連接結(jié)構(gòu))，常用的是將光纖頭插于RDCO— 03上的CH2通道(V18端子)，將“發(fā)送器”和“接收器”對(duì)接成環(huán)形結(jié)構(gòu)，另一種則是將其連接成并行結(jié)構(gòu)。圖3中變頻器從左至右分別是：控制真空吸移輥1的變頻器(負(fù)荷分配從點(diǎn))，控制真空壓榨輥的變頻器(負(fù)荷分配主點(diǎn))。該系統(tǒng)其他兩組負(fù)荷分配各主、從點(diǎn)變頻器的連接方式與圖3一致。另外，考慮到成本因素和響應(yīng)速度，在這臺(tái)紙機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將參與同一組負(fù)荷分配的變頻器安裝于同一控制柜內(nèi)。

圖3 真空壓榨輥與真空吸移輥1變頻器之間 光纖連接圖

3.4 ACS800系列變頻器參數(shù)設(shè)置

以第2組即真空吸移輥1與真空壓榨輥的負(fù)荷分配為例說(shuō)明該系列變頻器的參數(shù)設(shè)置。其他兩組的設(shè)置方法相同。

主點(diǎn)“真空壓榨輥”變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下：第10組(外部啟停和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)源)應(yīng)為10.01項(xiàng)設(shè)為DI1；第12組(恒定速度選取)12.01項(xiàng)設(shè)為DI2；第16組(參數(shù)鎖定)16.01項(xiàng)設(shè)為YES；第23組(速度控制器變量)23.05項(xiàng)設(shè)為0；第30組(選擇可編程故障保護(hù))30.18項(xiàng)設(shè)為NO；第60組(主從應(yīng)用組)60.01項(xiàng)設(shè)為MASTER，60.02項(xiàng)設(shè)為T(mén)ORQUE，60.03項(xiàng)設(shè)為NO，60.04項(xiàng)設(shè)為0 r/min，60.05項(xiàng)設(shè)為0 r/min，60.07項(xiàng)設(shè)為900，60.08項(xiàng)設(shè)為105等。

從點(diǎn)“真空吸移輥1”變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下：第10組(選擇外部控制源)10.01項(xiàng)設(shè)為COMM.CW；10.02項(xiàng)設(shè)為COMM.CW；第11組(選擇給定源)11.02項(xiàng)設(shè)為EXT1，11.03項(xiàng)設(shè)為COMM.REF，11.04項(xiàng)設(shè)為COMM.REF；第16組(參數(shù)鎖定)16.01項(xiàng)設(shè)為YES；第30組(選擇可編程故障保護(hù))30.18項(xiàng)設(shè)為NO；第60組(選擇主從應(yīng)用)60.01項(xiàng)設(shè)為FOLLOWER，60.02項(xiàng)設(shè)為ADD，60.03項(xiàng)設(shè)為YES，60.04項(xiàng)設(shè)為30.0，60.05項(xiàng)設(shè)為30.0等。

ACS800系列變頻器參數(shù)的設(shè)置種類(lèi)繁多，除了做好上述的參數(shù)設(shè)置外，還應(yīng)正確設(shè)置其他的相關(guān)參數(shù)，變頻器才能正常工作，使負(fù)荷分配工作可靠。

4 需要注意的一些問(wèn)題

在紙機(jī)傳統(tǒng)電控系統(tǒng)中，負(fù)荷分配控制設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，要正確應(yīng)用ACS800系列變頻器實(shí)現(xiàn)主從控制還要注意以下這些問(wèn)題：

(1)通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，主從控制的負(fù)荷分配控制方案應(yīng)用于壓榨部時(shí)效果很理想，負(fù)荷分配均勻，精度高；但發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)部其控制效果要稍差一些。通過(guò)分析得知，造成這一現(xiàn)象的原因是壓榨部各點(diǎn)在運(yùn)行中始終處于加壓狀態(tài)，可認(rèn)為是剛性連接；而在網(wǎng)部則有所不同，此時(shí)可認(rèn)為是柔性連接，當(dāng)從點(diǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，反之，負(fù)載輕了電機(jī)轉(zhuǎn)速則高。由此帶來(lái)了負(fù)荷分配的誤差。

(2)組烘缸設(shè)為“父”，則其他2組負(fù)荷分配的主點(diǎn)“驅(qū)網(wǎng)輥”、“大缸”都成為“子”。對(duì)應(yīng)的各組負(fù)荷分配的從點(diǎn)都為“孫”。各“子”的數(shù)據(jù)是PLC通過(guò)“父”的運(yùn)行情況經(jīng)過(guò)計(jì)算給定的，各“孫”則是變頻器通過(guò)主從控制由通信給定。在設(shè)計(jì)負(fù)荷分配時(shí)首先要解決這種“父”、“子”之間的關(guān)系，其次是協(xié)調(diào)“子”、“孫”之間的關(guān)系。只有完全協(xié)調(diào)好三者之間的關(guān)系，紙機(jī)傳動(dòng)中負(fù)荷分配才能順利完成。同時(shí)，需要主要的還有這種“父子”關(guān)系是可以變化和繼承的。其角色的轉(zhuǎn)換是通過(guò)程序?qū)崟r(shí)修改變頻器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用ACS800主動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)負(fù)載分配的控制方案在福建某紙廠的2600/350多缸紙機(jī)現(xiàn)已生產(chǎn)運(yùn)行近兩年時(shí)間，效果很好，用戶比較滿意。ACS800系列變頻器的主從控制功能已在多家造紙廠的紙機(jī)負(fù)荷分配中應(yīng)用，具有抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)，用戶對(duì)其反響很好。由于采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，ACS800系列變頻器轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，在拖動(dòng)類(lèi)似于烘缸這樣的大慣量設(shè)備時(shí)可以減少啟動(dòng)時(shí)間，增加響應(yīng)速度。所以現(xiàn)在該類(lèi)型的變頻器越來(lái)越多地出現(xiàn)在紙機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。

[1] WANG Su-e, HAO Peng-fei, MENG Yan-jing. Design and Analysis of Load distribution in Driving System of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(8): 38. 王素娥， 郝鵬飛， 孟彥京. 紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷分配控制的分析與設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)造紙， 2004, 23(8)： 38.

[2] MENG Yan-jing. Principles and design of variable-frequency drive of paper machine[M]. Xi’an: Shaanxi People’s Publishing House, 2002. 孟彥京. 造紙機(jī)變頻傳動(dòng)原理與設(shè)計(jì)[M]. 西安： 陜西人民出版社， 2002.

[3] YUAN Deng-ke, TAO Sheng-gui. Direct torque control(DTC) technical overview[J]. Frequency Converter World, 2009 (12): 16. 袁登科， 陶生桂. 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)概述[J]. 變頻器世界， 2009(12)： 16.

(責(zé)任編輯：常 青)

Application of ACS800 Inverter in Load Distribution of 2600/350 Multi-cylinder Paper Machine

MENG Yan-jing ZHANG Yan*

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The paper mainly introduced the principle and design method of load distribution in a paper machine, and discussed the problems occurred in load distribution design and its solutions. It pointed out the importance of designing the load distribution in the paper machine drive system. The application of ACS800 series DTC inverter in load distribution of the 2600/350 multi-cylinder paper machine was introduced, the communication, automatic interlock and parameters setting and other issues were also presented. The application in a mill in Fujian province proved the load distribution was ratification. Meanwhile, some issues should be paid attention to in practice were also discussed.

ACS800 series inverter; load distribution; multi-cylinder paper machine; application

孟彥京先生，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

2013- 08- 20(修改稿)

TS736

A

0254- 508X(2014)02- 0047- 05

*通信作者：張 焱先生，E-mail:zhangyan163.ok@163.com。