ACS800在2640/500多缸紙機負荷分配中的應用

孟彥京， 周 斌， 劉圓圓

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安 710021)

1 2640/500多缸紙機簡介及負荷分配方案的選擇

2640/500多缸紙機基本配置如表1所示。

主傳動采用ABB公司的直接轉矩控制ACS800變頻器，可編程序控制器采用西門子S7-313－2DP，光電編碼器數字反饋閉環控制，編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ6C/500P。

對于交流變頻傳動控制的紙機負荷分配常用的做法是:采用可編程序控制器通過通信控制負荷分配。它以現場總線為基礎，通過通信來交換數據，讀取各傳動點的實際轉矩與理論計算值相比較，用其差值去控制對應點的電機轉差率(增大或減小)，從而調整該電機的實際輸出轉矩以達到負荷平衡。該方法的優點是調試容易、工作可靠，控制精度高(3%以內)，可控點數多(20點以上)，因此得到了廣泛應用。但是隨著傳動點數的增多，勢必增加程序掃描控制時間，使執行周期加長，動態響應變慢，因此在紙機中的應用受到了限制［1］。

在選用控制變頻器時，充分考慮本機傳動點數多、負荷分配組數多的特點，認為若采用上述負荷分配方案雖然可節省投資(可選擇功能及性能差于ACS800變頻器)，但會造成程序掃描控制周期加長，動態響應變慢，對控制不利，因此選用ACS800系列變頻器，這樣一來若除去7個從點，實際控制點只有13個，且程序無需采樣和計算負荷分配各點轉矩，可比原來節省約一半時間。因此增加一些投資以換取整機控制效果的提高也是值得的，實際運行也證明了這一點。

表1 主傳動參數表

2640/500三疊網多缸紙機有5組負荷分配，采用ACS800的主從控制來完成，主從之間采用光纖通信，速率高、控制精度高、動態響應快、抗干擾能力強、性能穩定，用于紙機的負荷分配控制可取得很好的控制效果。

2 ACS800變頻器的主從控制用于負荷分配的控制原理

2.1 負荷分配的原理

在多電機傳動過程中要求各傳動點電機負載率相同，即δ=Pi/Pie相同(Pi為i電機所承擔負載功率，Pie為電機額定功率)，而且在負荷分配調節過程中不能影響其他各分部的速度。因此，采用速度鏈主鏈與子鏈相結合的設計方法。

負荷分配控制中選取一臺電機作為本組主電機，連接在速度鏈上，其他電機作為子電機，形成子鏈控制結構。以三點負荷分配為例，如圖1所示，編號為0和4是需要負荷分配的前級和后級，負荷分配以1為主，2、3作為1的從機，處于速度鏈的子鏈上。P1e、P2e、P3e為3臺電機額定功率，Pe為額定總負載功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P為實際總負載功率，P1、P2、P3為電機實際負載功率，則 P=P1+P2+P3。系統工作要求 P1=P·P1e/Pe，P2=P·P2e/Pe，P3=P·P3e/Pe。負荷分配的目的就是使P1、P2、P3滿足上述要求。

在實際控制當中，電機功率是間接量。實際控制近似以電機定子電流代替電機功率。

式中:ILi——第i臺電機出力電流;

Iei——第i臺電機額定電流;

IL——負載總電流。

負荷分配就是依據電機電流，利用上述原理對控制的各臺電機進行調節，使電機電流百分比一樣，即各電機轉矩電流和額定電流比值應相等，這樣完成負荷分配的自動控制。如圖1所示。

圖1 負荷分配原理圖

在實際控制當中，電機功率不方便直接測量。因此，以電機的實際輸出轉矩來控制與電機功率控制效果是相同的。在使用變頻器作調速控制時，電機的實際輸出轉矩可從變頻器直接得到，因此給控制帶來極大方便。

2.2 紙機負荷分配設計方法和特殊問題分析

紙機傳動系統負荷分配要求速度穩定、分配平衡。紙機負載多變、傳動情況復雜，要求負荷分配穩定有效，能夠隨時適應負載變化，因此負荷分配設計時應考慮下文介紹的問題。

2.3 負荷分配控制算法要求

負荷分配一般要求采樣各分部電機的轉矩，簡單的負荷分配算法要求簡單，可以進行簡化處理，主機與從機比較就可進行調節，這種算法適合于傳動點數在4點以下的負荷分配控制傳動中。

對于傳動點數多的負荷分配必須依據負荷分配平均算法進行，這樣計算出系統總負荷轉矩，根據系統總負荷轉矩可計算出負載平衡時的期望值轉矩。計算平均負荷轉矩方法如式(1)所示:

式中:MLi——第i臺電機實際輸出轉矩;

Pei——第i臺電機額定功率;

M——負荷平衡轉矩。

負荷分配控制器根據平均期望轉矩M和實際轉矩MLi比較進行調節。紙機負載隨時波動，計算出的平均期望轉矩M也根據實際負載變化，所以該控制算法可以準確計算出總負荷和每臺電機應該輸出的轉矩，為準確控制提供了方便。

2.4 負荷分配控制調節要求

紙機對傳動系統要求快、準、穩，所以負荷分配控制也要求快速、穩定、無震蕩。負荷分配控制器根據平均期望轉矩M和實際轉矩MLi比較，得到偏差，應根據偏差信號的大小進行PID控制算法調節。對于簡單負荷分配系統，傳動點數在4～5點以下，可以采用簡單調整，對于傳動點數多的系統必須采用PID調節，即每一個從機都要采用PID算法調節，否則會引起系統震蕩。

2.5 負荷分配智能化設計

在實際生產過程中可能隨時加壓或卸壓，所以要求負荷分配能夠跟隨負載情況隨時變更，通過可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的數字端子控制可以變更控制方式和算法，也即負荷分配設計要能夠滿足工藝控制變更要求。

2.6 負荷分配保護功能

負荷分配應該有速度限幅保護，以防止起動中速差太大對設備有損害;而且有的傳動點會出現打滑現象，采用速度限幅保護可以有效抑制。

負荷分配控制點應該設有單動/聯動功能，在調試檢修過程中可能需要單獨起動其中一臺電機，在正常運行中需要同時起動、同時停止。因此，在單動狀態時各負荷分配控制點可以單獨調速、單獨操作，在聯動時同時起動、同時停止，連動調速。

負荷分配設計應根據工藝傳動要求和工藝操作要求進行合理設計，具體控制設計需根據實際負載性質進行設計。負荷分配與速度鏈控制既獨立又有關聯，因此使用PLC控制時要注意負荷分配與速度鏈的銜接問題。

負荷分配控制只要使用上述算法和控制就可以完成，關于編程方面本文不作詳細介紹。下面以一臺板紙機網部負荷分配設計簡單說明智能化設計的重要性。

2.7 ACS800變頻器的主從控制用于負荷分配的控制原理

ACS800主從控制變頻器是為多傳動而設計的，其中系統由多個ACS800驅動，同時它們的電機通過某種裝置相互耦合，可分兩種情況來考慮:一是主機和從機之間為剛性連接，即通過機械裝置的齒輪、鏈條等連接，這種情況下主機采用速度控制，從機跟隨主機的轉矩給定;二是主機與從機之間為柔性連接，為了在主從之間均勻的分配負載，主機和從機由同一速度給定值來控制。造紙機的多個傳動之間的耦合屬于前者分析的情況，ACS800完成負荷分配的原理是:負荷分配各點中主機采用轉速給定，其中速度來自可編程序控制器通過鏈關系的計算值，再由PROFIBUS-DP總線通信給定，從機的主給定由主機的轉矩輸出確定，通過光纖通信給定，其中主機的轉矩輸出是主機的實際運行轉矩，因此所有從機的轉矩都將跟隨主機的實際轉矩運行，以使主從之間負荷分配均勻且不存在速度差異，保證正常生產和設備安全。

3 ACS800主從控制負荷分配

3.1 ACS800主從硬件連接

以第五組負荷分配為例，如圖2所示，其中施膠機上輥變頻器(VF10)的接線與施膠機下輥變頻器接線基本相同，故圖中未畫出。SB081，SB091和SB082，SB092是變頻器的起動和停止按鈕，變頻中的起動觸點(K081和K091)使用雙觸點是為了可靠。SB097是該組負荷分配各點的單動/聯動轉換開關，單動時主從各點變頻器單獨起停，聯動時從點起停信號由對應主點通過通信控制，故此時從點操作回路將不起作用(K097控制)。PA081等為電流表用于顯示對應電機的實際電流。

圖2 施膠機負荷分配接線圖

3.2 ACS800從機監控

從控制角度來講，當負荷分配主點故障停機時，其對應從機的給定將變為零，從機自動停機;但當任一從機或全部從機同時故障停機時，要求主點的變頻器也同時停機，否則會造成設備的損壞，釀成不良后果，因此須加以保護。圖2中中間繼電器K082，K092是為此目的而設計的，當從機真空吸移故障時，繼電器K082得電后立即切斷主機上的起動控制回路使主機停機以起連鎖保護作用。

3.3 ACS800主從通信光纖連接

對具有負荷分配的各傳動點，將ACS800變頻器的主從模塊RDCO－02(選購件)安裝于對應變頻器的RMIO控制板上，主從光纖的連接如圖2所示，其中光纖接插于RDCO－02上的CH2通道(V18端子)，將“發送器”與“接收器”對連成環形結構。除常用的環形結構外也可采用并行結構。圖3中從左至右依次為:施膠機上輥變頻器(負荷分配主點)、施膠機下輥變頻器(負荷分配從點)。負荷分配的其他各組連接方法與圖2相同。為節省投資和增強響應速度在該臺紙機設計時將每組負荷分配變頻器都安裝于同一控制柜內。

3.4 ACS800 參數設置［2］

以施膠機負荷分配為例說明變頻器的參數設置，其他各組方法相同。

主機參數如下:外部起動、停止和轉向控制信號源第10組10.01=DI1;恒定速度的選擇和取值第12組12.01=DI2;參數鎖的第16組16.01=YES;速度控制器變量第23組23.05=0;選擇可編程故障保護的第30組3018=NO;主從應用第60組60.01=MASTER;60.02=TORQUE;60.03=NO;60.04=0.0r/min;60.05=0.0 r/min，60.07=907;60.08=105 等。

從機“施膠機下輥”，主要設置以下參數:選擇外部控制源的第10組1001=DI1;1002=DI1;選擇給定源的第11組1102=EXT2;1103=COMM.REF;1104=COMM.REF;選擇運行、參數鎖的第16組1601=YES;選擇可編程故障保護的第30組3018=NO;選擇主從應用的第60組6001=FOLLOWER;6002=ADD;6003=YES;6004=30.0;6005=30.0等。

圖3 施膠機上輥、下輥變頻器之間光纖連接圖

變頻器參數的設置種類繁多，除了正確設置以上主從參數外，還應正確設置其他相關參數才能保證變頻器的安全無故障運行，使負荷分配工作可靠。

4 注意問題

紙機傳動中負荷分配控制是一個重要的技術指標，要正確應用ACS800主從控制還需注意以下問題:

(1)若將四組烘缸設為“父”，其他5組負荷分配的主點“底網驅網輥”、“芯網驅網輥”、“面網復合輥”、“主壓上輥”和“大輥壓上輥”都成“子”，各組負荷分配的從點都成“孫”。各“子”的給定由可編程序控制器根據其“父”的運行情況經計算確定，各“孫”的給定則由ACS800主從控制通過光纖通信給定。負荷分配先要解決和協調這種“父”與“子”之間的關系，其次才是解決和協調“子”與“孫”關系，只有完全協調三者之間的關系，紙機的負荷分配才能完成。當烘缸與壓榨部分分離后，其“父”不在，負荷分配各主點成了主傳動即“父”，其他為從傳動即為“子”。這種負荷分配角色的轉換是通過程序實時修改變頻器的參數來實現的。

(2)從實際運行情況分析，主從控制的負荷分配應用于壓榨部、施膠機很理想，精度高;但在網部其控制效果要差一些。造成這種現象的原因是壓榨部各負載在運行時一直處于加壓狀態即真正鋼性連接，在網部則不同，當從機負載轉矩較大時，電機轉速相對較低，當負載轉矩較小時，電機轉速相對較高，由此帶來負荷分配的誤差。

5 結語

廣東肇慶某紙廠2640/500多缸紙機已在現場運行，效果良好，用戶很滿意。另外ACS800變頻器的主從控制功能已在多家造紙廠的紙機負荷分配中使用，效果良好、抗干擾能力強、響應速度快，得到了用戶的認可。同時，ACS800變頻器的直接轉矩控制技術，其轉矩響應快，因此對于像烘缸這樣的起動慣量比較大的設備可以減少起動時間、增強響應速度。故ACS800一推出便在紙機傳動中得到了廣泛應用。

［1］孟彥京.造紙機變頻傳動原理與設計［M］.陜西:陜西人民出版社.2002.

［2］ABB電氣傳動系統有限公司.ACS800標準應用程序［G］.2003.