多電機同步傳動控制系統(tǒng)

馮建修

（陜西華特新材料股份有限公司，陜西興平713100）

1 引言

同步控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，隨著自動化技術(shù)的提高，變頻器技術(shù)的成熟和適用范圍擴大，利用PLC對變頻器進行控制，從而適應(yīng)傳動系統(tǒng)對速度控制的靈活性、準確性和可靠性等的不同要求。玻璃纖維濕法氈生產(chǎn)線對控制系統(tǒng)的同步傳動控制要求較高，生產(chǎn)時各傳動部分的線速度要求平穩(wěn)且嚴格同步，才能保證氈面平整、縱向強力均勻，產(chǎn)品具有較好的一致性。如果同步系統(tǒng)中有一臺的速度與其它電機的速度不一致，就會影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程的連續(xù)性。由于生產(chǎn)過程中許多外界干擾因素的影響，電機的速度會隨之發(fā)生變化，例如電網(wǎng)電壓的變化、頻率的變化、負載的變化及溫度的變化，都會對電機速度產(chǎn)生影響，這就要求控制系統(tǒng)能夠克服這些干擾因素的影響，各傳動點在線無級調(diào)速和同步跟隨，保證產(chǎn)品以一定的速度級聯(lián)平穩(wěn)運行，各傳動部分線速度保持同步。

2 生產(chǎn)工藝簡介

濕法氈生產(chǎn)線是一條生產(chǎn)玻璃纖維無紡布產(chǎn)品的生產(chǎn)線，其生產(chǎn)工藝過程類似于傳統(tǒng)的造紙工藝，分為濕部和干部，濕部包括上漿、濕氈成型和濕氈浸膠；干部包括烘干和卷繞。以直徑9－13μm連續(xù)玻璃纖維短切成長度6－8mm的短纖維，與水和化學助劑在充分攪拌下分成均勻的纖維漿料，在斜長網(wǎng)上抄去成型，飽和浸膠，熱風穿透烘干，產(chǎn)品自動檢測和自動卷繞，再經(jīng)過包裝或者復卷、分切和包裝。

3 同步控制系統(tǒng)的構(gòu)成

濕法氈生產(chǎn)線工藝流程包括從纖維計量到卷繞包裝共五個部分。其中纖維計量、成型加筋、浸膠和烘干為生產(chǎn)線的主體部分，由可編程控制器S5－135U控制；卷繞部分由可編程控制器S5－95U控制，是一臺自動控制轉(zhuǎn)臂式卷繞機，卷繞機在卷繞期間能夠連續(xù)卷繞產(chǎn)品。根據(jù)工藝要求，產(chǎn)品的成型、浸膠和烘干需用3種不同的輸送網(wǎng)帶，各條網(wǎng)帶和加筋部分分別由一臺功率相配的電動機拖動，生產(chǎn)過程中氈在各條網(wǎng)帶上的輸送線速度和卷繞機的線速度必須同步，同時加筋的線速度也必須與此一致，整條生產(chǎn)線以烘干爐網(wǎng)帶速度為主令單元（Master），即氈速給定單元，整機的運行速度由主令單元給定和調(diào)整，其余單元為從動單元（Slave），它們的速度必須嚴格跟蹤主令單元，并保持氈速成同步。否則，薄氈會在各道工藝之間出現(xiàn)過緊或過松現(xiàn)象，會斷裂或者松垮下來。生產(chǎn)中卷繞控制系統(tǒng)電機的速度受烘干爐網(wǎng)帶主令速度的影響作相應(yīng)的變化，為了保證氈在卷繞和烘干爐兩道工序之間保持同步，在這兩個裝置之間增加一浮動輥調(diào)整裝置。生產(chǎn)線的速度調(diào)整范圍在12－120m ／min。

整條生產(chǎn)線為恒線速度多電機同步調(diào)速系統(tǒng)，其中有7臺電機參與同步傳動，它們均由9326伺服變頻器控制，生產(chǎn)線的同步控制原理如圖1所示。

4 同步傳動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

4.1 生產(chǎn)線主傳動同步系統(tǒng)

分部傳動的控制原理是保持速度級聯(lián)和高速傳輸。該生產(chǎn)線主機部分有4臺具有旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）的變頻電機參與同步，即烘干爐電機、浸膠電機、成型電機和加筋電機，它們分別由4臺9326伺服控制器控制，各控制器間通過集成的系統(tǒng)總線接口X4／CAN連在一起，CAN總線在各控制器間建立一個附加通信。設(shè)定值、實際值、控制和狀態(tài)信息可以通過控制系統(tǒng)CAN總線傳遞。連在一起的每個控制器必須具有不同的控制地址（出廠設(shè)置＝1），通過運行9371BB或PC機的GDC軟件，可以設(shè)置各控制器系統(tǒng)總線CAN地址（CAN地址在代碼C350中設(shè)置），如果控制器分配到一些連續(xù)上升的地址號，則數(shù)據(jù)對象觸發(fā)被連接，控制器就可以進行通信并且能夠通過GDC軟件讀取所有代碼和修改所有允許寫入的代碼。功能塊CAN－IN2和CAN－OUT2用于控制器之間的數(shù)據(jù)交換。代碼C0352／000設(shè)置控制器網(wǎng)絡(luò)的“主”“從”運行方式，C0352／000＝1 為“主”運行方式，C0352 ／000＝0為“從”運行方式，主從方式確定，在主電路連通后經(jīng)過一個延遲，一則報文即可發(fā)送，這樣就可以設(shè)置一個完整網(wǎng)絡(luò)控制器的操作狀態(tài)。CAN總線系統(tǒng)是一個面向報文，而不是面向設(shè)備的系統(tǒng)，每一個報文有一個唯一的標識，在CANopen總線協(xié)議中，每一個報文僅僅有一個發(fā)送方。控制器的功能可以由集成在控制器中的系統(tǒng)總線得到擴展，控制器之間的數(shù)據(jù)交換不需要具備總線系統(tǒng)的知識，用戶就可以在控制器之間交換數(shù)據(jù)，例如數(shù)字控制、速度和轉(zhuǎn)矩信號等。

生產(chǎn)線主機部分控制器CAN地址的分配如表1所示。

在驅(qū)動器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，數(shù)據(jù)分配如下：烘干爐控制器的輸出信息是成型控制器的輸入信息，成型控制器的輸出信息是浸膠控制器的輸入信息，浸膠控制器的輸出信息是加筋控制器的輸入信息。各控制器之間使用CAN－bus通信協(xié)議，系統(tǒng)中烘干爐控制器為主驅(qū)動，在所有總線合作者開關(guān)合上之后它必須合上開關(guān)。值得注意的是：當總線合作控制器中的某一個開關(guān)斷開時，烘干爐網(wǎng)帶控制器必須斷開后再次合上，否則通信不能完成。

圖1 生產(chǎn)線同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 生產(chǎn)線主機部分控制器CAN地址的分配表

該生產(chǎn)線烘干爐網(wǎng)帶基準速度信號給定為4－20mA的模擬信號，操作人員通過監(jiān)控計算機PC組態(tài)軟件或操作員面板OP設(shè)定烘干爐電機給定速度。烘干爐控制器的速度設(shè)定值（CAN-IN2.W1）來自PLC S5-135U，PLC根據(jù)速度設(shè)定控制烘干爐控制器指揮電機運行，烘干爐控制器通過系統(tǒng)總線CAN將速度主給定信號發(fā)送到成型電機控制器、浸膠電機控制器和加筋電機控制器，各臺控制器分別控制對應(yīng)的電機自動速度跟隨，實現(xiàn)開環(huán)速度同步，通常在開環(huán)時所有網(wǎng)帶幾乎是同一速度，然而由于擾動因素的影響，開環(huán)速度控制不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，為保證浸膠網(wǎng)帶及成型網(wǎng)帶與烘干爐網(wǎng)帶間的嚴格同步，則在浸膠網(wǎng)帶和烘干爐網(wǎng)帶，成型網(wǎng)帶與浸膠網(wǎng)帶裝有1臺激光距離傳感器，構(gòu)成浸膠網(wǎng)帶驅(qū)動電機和成型網(wǎng)帶驅(qū)動電機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，激光距離位置示意圖如圖2所示。

生產(chǎn)時激光測距裝置（測量范圍：200mm-2000mm）對網(wǎng)帶間氈環(huán)的垂直距離進行掃描，由于成型浸膠后的氈在進入烘干爐之前為濕氈，濕氈不具有延展性，不能承受任何張力的作用，所以網(wǎng)帶間的氈必須留有一定的弧垂，供速度調(diào)節(jié)伸縮用，若不考慮弧垂，如果電機的轉(zhuǎn)速由于某種擾動發(fā)生變化可能會造成濕氈缺陷甚至斷裂。浸膠和成型控制功能塊信號流圖中有軟件電位器（MPOT），它是一種模擬電動機電位器，開始引氈時垂度控制1／垂度控制2不起作用，也就是說網(wǎng)帶閉環(huán)控制未工作，這時依靠控制室操作員在OP面板上手動調(diào)節(jié)垂度控制1／2的大小，尋找滿足工藝要求的開環(huán)運行同步點，即預先設(shè)定的垂度大小，當氈的水平位置正確時，從功能塊ADD1-OUT1輸出的信號一定近似為零。這時，按下操作員面板OP上的“網(wǎng)帶閉環(huán)控制”按鈕，浸膠網(wǎng)帶和成型網(wǎng)帶驅(qū)動就進入同步閉環(huán)控制狀態(tài)。垂度掃描信號作為成型和浸膠控制器的附加速度給定，當氈環(huán)位置改變偏離設(shè)定值時，通過閉環(huán)速度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)浸膠和成型網(wǎng)帶電機的速度，以保證浸膠網(wǎng)帶、成型網(wǎng)帶與烘干爐網(wǎng)帶間的線速度同步。而加筋紗電機速度的信號來自成型控制器的CAN-OUT2.W2，此信息中包含有速度主給定信號+速度附加給定信號（垂度控制2），并通過控制器的參數(shù)調(diào)整，使其速度稍快于成型網(wǎng)帶的線速度，以適應(yīng)加筋產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。網(wǎng)帶閉環(huán)同步控制原理如圖3示。

圖2 激光測距示意圖

圖3 網(wǎng)帶同步閉環(huán)控制

當激光距離測量裝置的位置改變或者垂度控制特性不夠好時，就應(yīng)及時進行校準。浸膠／烘干爐網(wǎng)帶間的垂度校準在浸膠控制器中進行，成型 ／浸膠網(wǎng)帶間的垂度校準在成型網(wǎng)帶控制器中進行，通過對控制器內(nèi)部相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，進行速度修正（FCODE472／10）、速度控制調(diào)節(jié)（C0945／C0946）及薄氈水平位置的調(diào)整（FCODE472 ／1），可以使同步傳動控制系統(tǒng)達到最佳運行效果。參數(shù)的調(diào)整見控制器信號流圖4所示。

4.2 卷繞部分同步傳動

圖4 成型+浸膠速度修正、垂直位置調(diào)整

卷繞部分同步信號同樣來自于生產(chǎn)線PLC S5-135U，同步信號為4-20mA的模擬量。為了提高信號的抗干擾能力，該信號首先經(jīng)過I／U轉(zhuǎn)換器件將4-20mA電流信號變換為0-10V的電壓信號，然后送到拖輥控制器的X6／1、2端，作為拖輥電機的速度主給定，為了保證氈在卷繞和烘干爐兩道工序之間保持恒定的張力，在這兩道工序之間裝有一浮動的導氈輥，浮動導氈輥的信號送到拖輥控制器的X6／3、4端，作為拖輥電機的速度輔助給定。浮動輥是閉環(huán)控制，它可使氈安全且不撕斷地被送入卷繞設(shè)備，浮動輥的位置決定拖輥的速度，若浮動輥在下位，表明拖輥速度較慢，此時控制系統(tǒng)就會增大拖輥速度使浮動輥位于中位，若浮動輥在上位，則拖輥速度較快，此時控制系統(tǒng)就會減小拖輥速度使浮動輥位于中位，浮動輥只在中位附近小范圍擺動（浮動導氈輥只能調(diào)節(jié)25%的調(diào)節(jié)量）。張力控制系統(tǒng)設(shè)備主要是減少烘干爐濕氈的強度提高后段卷繞能力。拖輥控制器采用轉(zhuǎn)矩限幅的速度控制模式，卷繞軸1／2控制器為速度限幅轉(zhuǎn)矩控制模式。卷繞部分的速度信號傳遞是在控制器數(shù)字頻率輸入（X9）／數(shù)字頻率輸出（X10）間進行的，即拖輥控制器的數(shù)字頻率輸出信號（X10）送到卷繞軸1控制器的數(shù)字頻率輸入端（X9），卷繞軸1的數(shù)字頻率輸出信號（X10）送到卷繞軸2控制器數(shù)字頻率輸入端（X9），速度信號依次傳遞實現(xiàn)速度同步。由于卷繞軸為轉(zhuǎn)矩控制模式，所以有一個實際張力檢測裝置安裝在張力輥下方，構(gòu)成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測該處的張力情況，附加控制卷繞電機的速度。通常卷繞部分的速度要稍高于機組速度。

5 系統(tǒng)評價

經(jīng)過幾年運行，該系統(tǒng)性能可靠、調(diào)速平穩(wěn)、方便，效果顯著，能夠完全滿足生產(chǎn)要求。

［1] Lenze 9300 servo inverters Operating instruction.Printed in Germany by Lenze.

［2] Lenze 9300 Planning Automation Manual Part H.Printed in Germany by Lenze.

［3] Lenze 9300 servo inverters configuration Manual Part D1.1.Printed in Germany by Lenze.

［4] Lenze 9300-EV工程型矢量閉環(huán)變頻器操作手冊.Printed in Germany by Lenze.