葛鎖良 李 楊

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

多電機(jī)的速度同步控制在紡絲、印刷及造紙等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用[1]。工業(yè)控制過(guò)程中，需要各電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間按比例協(xié)調(diào)控制并實(shí)現(xiàn)同步升降，而且速度比例可以調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)性能良好的速度鏈同步控制系統(tǒng)，這樣才能使整個(gè)生產(chǎn)線在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保持穩(wěn)定。

針對(duì)速度同步控制系統(tǒng)，彭程提出基于三菱FR-E740變頻調(diào)速器PID參數(shù)控制的同步速度控制方案，有效解決了生產(chǎn)線中送料機(jī)構(gòu)、送料精度和開卷機(jī)的速度同步控制問(wèn)題[2]。張亞?wèn)|介紹了基于造紙機(jī)生產(chǎn)線的速度鏈同步控制的機(jī)理與控制策略，把速度同步控制與負(fù)荷分配控制結(jié)合在一起，建立了造紙機(jī)的速度同步控制系統(tǒng)[3]。柳賀將變頻器組以其中某一變頻器為基準(zhǔn)，在基準(zhǔn)變頻器進(jìn)行加減速運(yùn)算時(shí)，各變頻器的頻率均與其保持一定比值不變，可以使整組變頻器實(shí)現(xiàn)速度的同步升降[4]。蒲曉龍把電機(jī)之間按照某一同步比進(jìn)行齒輪同步和凸輪同步，確保了同步精確性的同時(shí)，進(jìn)一步保證了同步曲線的柔和，減少了高速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械抖動(dòng)[5]。

某廠腈綸生產(chǎn)車間共有6條生產(chǎn)線和1條備用生產(chǎn)線，年產(chǎn)量可達(dá)到萬(wàn)噸，采用濕法紡絲[6]，其工藝流程分為前紡和后紡兩部分。由于腈綸紡絲工藝的要求，為保證腈綸纖維質(zhì)量，要求系統(tǒng)各個(gè)工位轉(zhuǎn)速具備高精度的牽伸比[7]，筆者設(shè)計(jì)了一種速度同步控制算法，使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行(如整組加速和整組減速)和平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)各個(gè)工位輥?zhàn)拥木€速度保持恒定的比值[8]。

1 系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)①

圖1為一條生產(chǎn)線的電氣拖動(dòng)結(jié)構(gòu)，前紡變頻器F2、F4～F10和F12～F15由1#整流器供電，后紡變頻器F16～F18和F20由2#整流器供電。在實(shí)際生產(chǎn)中，系統(tǒng)中各工位電機(jī)速度不盡相同，這就導(dǎo)致部分電機(jī)有時(shí)會(huì)因回饋制動(dòng)而工作在發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)變頻器逆變橋向直流側(cè)反饋能量，抬高變頻器直流側(cè)的電壓。若變頻器采用三相交流電源供電，則可能因直流側(cè)的電壓過(guò)高而使變頻器產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，影響生產(chǎn)。采用共直流母線的驅(qū)動(dòng)方案,可以把處于發(fā)電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量反送回公共直流母線上，被其他處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)所消耗[9]，這樣既減小了能耗，又增加了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)快速停車時(shí)，所有電機(jī)均處于發(fā)電狀態(tài)，為防止母線上的電壓過(guò)高，在直流母線上并聯(lián)了一個(gè)制動(dòng)單元，用制動(dòng)電阻以熱消耗的方式消耗過(guò)剩能量。為了適應(yīng)共直流母線技術(shù)，需要對(duì)通用型變頻器進(jìn)行技術(shù)改造，使其適應(yīng)直流供電方式。

圖1 系統(tǒng)電氣拖動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

F1的電機(jī)帶動(dòng)計(jì)量泵將腈綸原液噴出，經(jīng)過(guò)凝固浴生成的初生纖維的強(qiáng)度比較低，F(xiàn)1轉(zhuǎn)速稍有波動(dòng)都有可能造成斷絲。為了防止斷頭事故發(fā)生，在F1變頻器整流橋的直流側(cè)外接電容作為儲(chǔ)能元件。這樣可以減小供電電壓波動(dòng)對(duì)F1變頻器的影響，甚至在電網(wǎng)短時(shí)間斷電時(shí)仍能維持F1變頻器帶載運(yùn)行。

F1所帶計(jì)量泵共30臺(tái)，每臺(tái)功率0.37kW，F(xiàn)1變頻器工作電壓為380V(AC)±10%，在正常電壓時(shí)直流側(cè)電壓U1約為510V，直流側(cè)電壓下限U2=0.9U1=459V，以發(fā)生“晃電”故障變頻器仍能滿載運(yùn)行時(shí)間t=200ms計(jì)算得：

C=0.0898F

故取儲(chǔ)能電容C=0.1F=100000μF。

2 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2所示為系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。監(jiān)控級(jí)采用經(jīng)濟(jì)有效的MPI網(wǎng)絡(luò)[10]，備用線PLC采集其他6條線生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù),通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)傳送給工控機(jī)用于顯示監(jiān)控。具體連接方法為：上位工控機(jī)CP5613通信處理器的MPI接口，通過(guò)屏蔽雙絞線和備用S7-300PLC的CPU317-2DP處理器模塊的MPI接口相連接。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性，因此選用具有通信速度快、實(shí)時(shí)性好及組態(tài)配置靈活等特點(diǎn)的Profibus-DP作為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信總線。具體連接方法為：備用線PLC作為主站,備用線變頻器和其他6條生產(chǎn)線的PLC作為從站，主從PLC之間通過(guò)DP端口連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。變頻器通過(guò)適配器TDS-PA01接入Profibus-DP總線。

圖2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 速度同步控制

3.1 速度同步控制算法

在高速運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由工藝技術(shù)規(guī)程所設(shè)定，而低速慢紡的電機(jī)轉(zhuǎn)速為高速運(yùn)行時(shí)的1/3，在這兩種情況時(shí)保持速度同步相對(duì)較容易，所以同步速度控制的關(guān)鍵就在于高低速變換過(guò)程中，PLC能及時(shí)計(jì)算出各工位的運(yùn)行速度，保持速度變化的一致。

以生產(chǎn)線由高速轉(zhuǎn)換為低速為例，圖3為減速子程序算法流程。α為變頻器的頻率比，即當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行頻率fi與高速運(yùn)行頻率(目標(biāo)頻率)fio的比值，若在同一時(shí)刻所有變頻器具有相同的α值，就保證了在高低速變換過(guò)程中的速度同步。

圖3 減速子程序算法流程

當(dāng)前紡各電機(jī)需要從高速運(yùn)行變?yōu)榈退俾彆r(shí)，首先調(diào)用減速子程序，對(duì)α進(jìn)行判斷，若α≤1/3，則返回主程序，否則按照子程序?qū)Ζ吝M(jìn)行運(yùn)算。循環(huán)調(diào)用減速子程序，直至α≤1/3，此時(shí)取α=1/3，所有變頻器均以慢紡速率低速運(yùn)行。調(diào)用減速子程序命令以每200ms一次的脈沖觸發(fā)，由工藝規(guī)程可知，加減速過(guò)程以4min左右為宜，經(jīng)計(jì)算，減速子程序中每次減少的頻率比值Δα為0.05%。此算法的優(yōu)點(diǎn)在于，即使某臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響加減速程序的運(yùn)行。

3.2 PLC與變頻器的通信

基于通信速度快、實(shí)時(shí)性好的Profibus進(jìn)行通信是PLC可以及時(shí)發(fā)送速度指令的保障。Profibus的每個(gè)幀由若干個(gè)幀字符構(gòu)成，而每個(gè)幀字符是由11個(gè)位組成：1個(gè)開始位、8個(gè)信息位、1個(gè)奇偶檢驗(yàn)位和1個(gè)停止位。幀字符格式如圖4所示。

圖4 幀字符格式

Profibus-DP的信息循環(huán)時(shí)間為：

TMC=(TSYN+TID1+TSDR+Header+I×11TBit+

O×11TBit)×Slavers

(1)

式中Header——在請(qǐng)求和響應(yīng)幀中電文頭，198個(gè)位時(shí)間；

I——每個(gè)從站的輸入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，12節(jié)數(shù)；

O——每個(gè)從站的輸出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，12節(jié)數(shù)；

Slavers——從站個(gè)數(shù)，17；

TID1——在主站的空閑時(shí)間，典型的為75個(gè)位時(shí)間；

TMC——信息循環(huán)時(shí)間，按位時(shí)間計(jì)；

TSYN——同步時(shí)間，按位時(shí)間計(jì)，典型的為33個(gè)位時(shí)間；

TSDR——命令在從站的停留時(shí)間，11個(gè)位時(shí)間。

本系統(tǒng)波特率為1.5MBaud，所以位時(shí)間為0.667μs。系統(tǒng)的信息循環(huán)時(shí)間為：

TMC=(33+75+11+198+12×11+12×11)×17

=9877TBit=9877×0.667μs=6.6ms

由此可以看出，PLC和變頻器的通信周期為6.6ms，而PLC程序的掃描周期為100ms左右，故PLC在每次運(yùn)行周期中可以及時(shí)將速度指令發(fā)送給變頻器。

3.3 基于變頻器的調(diào)速系統(tǒng)

變頻器F1～F12連接同步電機(jī),由于同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格成比例,其轉(zhuǎn)速精度與變頻器的頻率精度一致,只要采用開環(huán)V/F控制便可以滿足同步控制要求。而F13～F20連接的三相異步電機(jī)，通過(guò)其配備的光電編碼器(圖1中PG)形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)，就可以精確地執(zhí)行速度指令。

3.4 速度追蹤

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)故障急停時(shí)需要系統(tǒng)具有良好的速度追蹤性能，以便在排除故障后電機(jī)速度可以很快地跟上生產(chǎn)要求。程序中設(shè)定，排除故障后變頻器以上述減速子程序中所得的fi為運(yùn)行頻率進(jìn)行快速啟動(dòng)，這樣就可以保證故障排除后的電機(jī)很快回到生產(chǎn)線中。

圖5所示為4#生產(chǎn)線F1～F5變頻器在變速過(guò)程中15min內(nèi)的輸出頻率曲線。圖中縱坐標(biāo)為變頻器頻率，橫坐標(biāo)為時(shí)刻。各變頻器在正常生產(chǎn)時(shí)保持各自的頻率穩(wěn)步運(yùn)行，具有良好的速度同步性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出降速命令時(shí)，各變頻器同時(shí)動(dòng)作，頻率以相對(duì)穩(wěn)定的速率逐漸減小，實(shí)現(xiàn)了良好的速度同步控制，驗(yàn)證了算法的有效性。

圖5 同步減速頻率趨勢(shì)曲線

在圖5中8∶50∶14和8∶51∶35時(shí)，F(xiàn)5出現(xiàn)故障導(dǎo)致停機(jī)，在故障排除之后，F(xiàn)5又快速追上了其他電機(jī)的速度，然后和其他電機(jī)一起正常減速，符合預(yù)期的效果，驗(yàn)證了良好的速度追蹤特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本速度同步控制系統(tǒng)是基于某廠的腈綸生產(chǎn)線工藝流程所設(shè)計(jì)的，筆者主要介紹了生產(chǎn)線的總體概況和同步速度控制系統(tǒng)的方案與實(shí)際運(yùn)行效果。系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，生產(chǎn)穩(wěn)定良好，操作維護(hù)方便，滿足生產(chǎn)需要。該電機(jī)同步速度控制系統(tǒng)在造紙及印刷等工業(yè)控制領(lǐng)域中同樣具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 王博，杜少武，高衡初，等.腈綸紡絲生產(chǎn)線驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的改造[J].電氣技術(shù)，2007,(5)：60～65.

[2] 彭程.基于伺服電動(dòng)機(jī)的硅鋼片橫剪線自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[3] 張亞?wèn)|.基于PLC的造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 柳賀，葛鎖良.基于PROFIBUS的腈綸紡絲等比速度控制[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化(PLC&FA)，2010,(9)：112～114.

[5] 蒲曉龍.全自動(dòng)高速封口機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[6] 葛鎖良，何明，岳勝.速度同步控制系統(tǒng)中的多層通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，32(2)：170～173.

[7] 朱茂林.基于PROFIBUS的腈綸紡絲控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,36(4)：416～419.

[8] 周燁斐.變頻調(diào)速協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[9] 吳忠孝.論腈綸紡絲工藝大聯(lián)鎖控制的優(yōu)化處理[J].化工自動(dòng)化及儀表,2009,36(1):99～101.

[10] 方明.濕法紡絲生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.