紙機負荷分配控制系統的設計與實現

孟憲坤 李明輝 李 虎

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

現代高速紙機在運行負載時要求速度恒定、負荷均衡。在紙機傳動控制系統中，多臺電機的負荷分配控制是傳動控制系統設計的關鍵，它直接影響系統的可靠性和控制精度。

負荷分配控制的難點主要體現在以下幾個方面:①控制系統內部需要交換大量的數據，如何實現數據的高速傳輸;②在高速運行時，負荷分配控制如何實現，才能有效地克服控制對象的非線性和耦合性［1］。若負荷分配問題處理不妥，會導致變頻器出現過電流保護現象，影響紙機的正常生產運行。此外，紙機在向大型化、高速化發展的過程中，對負荷分配控制的效果也提出了更高的要求，它的控制效果將直接影響到紙機生產的可靠性和所生產紙張的質量。

筆者將根據自身相關經驗，并結合紙機的工藝流程和對控制系統的要求，解決紙機負荷分配所涉及的關鍵點和難點。

1 紙機工藝機構及要求

紙機是一個結構復雜的聯動機械機組，其主體由網部、壓榨部、干燥部、壓光機和卷紙機等部分組成，其工藝流程如圖1所示。

根據某些紙種的要求，紙機有時還配置有施膠壓榨、半干壓光和機內涂布等單元，以及許多輔助系統單元［2］。造紙的工藝流程可以簡要概括為由紙機流漿箱流出的紙漿在網部脫去約80%的水分，同時纖維相互交織，形成濕紙。濕紙經過壓榨、脫水，再在烘干部烘干到含水分5% ～8%，然后經壓光部壓光，最后由卷紙機卷成成品紙。

紙機的同一部分若有多個電機時，則需要進行負荷分配的控制，如紙機的壓榨部，它由多個電機所組成。主從傳動組位于同一毛布圈內，某紙機壓榨部分傳動形式如圖2所示。

圖2 傳動形式示意圖Fig.2 Transmission pattern

圖2中，要求主從傳動組內各電機之間在速度同步的同時實現負荷均衡，否則會影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時，有可能撕壞毛布，造成斷紙或造成某一個或多個電機過負荷運轉;有時還會出現速度過快的電機拖動速度較慢的電機，從而增加電機負荷，影響電機壽命，甚至會燒毀電機［3］。所以要求各個分部的各自傳動點之間具有負荷自動分配控制功能。

紙機傳動控制系統負荷分配要求速度穩定、分配平衡。由于紙機負載多變、傳動情況復雜，所以要求負荷分配快速穩定無振蕩，能夠隨時適應負載變化。主副分部之間應能實現聯動工作、負荷自動平衡調節。紙機為恒轉矩負載，所以紙機傳動系統要選擇具有恒轉矩控制性能、較高的分辨率、良好的通信能力的變頻器，并采用PLC作為控制單元，實現對整個控制系統的可靠、協調控制，以滿足紙機控制系統正常工作的需要［2］。

2 紙機傳動控制系統結構

紙機傳動控制系統采用基于Profibus現場總線的三級控制方案，選用西門子 S7-300 PLC和 ABB ACS800全數字多功能矢量控制變頻器，利用Profibus-DP現場總線協議通信格式，實現PLC與變頻器的通信功能。

紙機傳動控制系統框圖如圖3所示。

圖3 紙機傳動控制系統框圖Fig.3 Block diagram of transmission control system for paper machine

三級控制方案具體介紹如下。

第一級為變頻器控制級。變頻器采用ABB公司的ACS800系列直接轉矩控制變頻器。ACS800系列變頻器的特點是將直接轉矩控制技術和模糊控制理論合二為一，構成高性能、低成本的變頻器調速產品，性能大大優于矢量控制變頻器。

第二級為PLC控制系統。傳動部控制中心選用S7-300 PLC，CPU選用CPU315-2DP。CPU315-2DP具有強大的通信功能，可與操作屏、變頻器組成Profibus-DP控制網絡;采用現場總線實現高速通信，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配，使S7-300 PLC與上位機、操作屏高速通信，從而完成操作控制和過程數據顯示。

第三級為上位計算機優化控制系統。造紙車間計算機優化控制系統能夠將整個紙機車間各控制部分聯系起來，由車間管理級計算機加以統一管理控制。QCS系統、DCS系統制漿系統、流送系統、熱泵控制系統和傳動控制系統上位機，通過工業以太網將各部分的工作狀況送往車間管理級計算機。車間管理級計算機經過分析，得出各部分的最佳工作參數，使各部分處于最佳的工作狀態。如車速發生了變化，則紙漿流送系統、三段通氣系統都將隨之進行調節。

3 Profibus總線通信

根據國內造紙行業控制系統使用總線協議的習慣與Profibus總線的技術優勢(協議統一、配置靈活、硬件支撐)，以及控制設備對總線協議的支持狀況，紙機傳動控制系統選用德國西門子公司倡導的Profibus總線協議［4］。Profibus總線采用主從通信和令牌通信相結合的通信方式，進一步提高了連網通信的能力。系統分為主站和從站，主站和從站之間通過主站的查詢和從站的響應進行通信，主站和主站之間通過得到總線控制權(令牌)進行通信。通過Profibus協議，從底層(傳感器/執行器級)到中層(單元級)的分布式、數字現場可編程控制器都可實現連網。

Profibus-DP是由Simens等13家公司組成的ISP組織推出的現場總線。這種形式的現場總線具有很高的數據傳輸率、很快的動態響應時間和極強的抗干擾性。Profibus-DP訪問方法采用歐洲標準EN5017中規定的、帶有主從關系的令牌傳送原理，即只有主站能接收令牌，從站不能接收令牌，通過指定連接從站(變頻器)的CBP板進行直接編址［5］。主站為控制設備，一般是PLC和工控機;從站為外圍設備，一般是輸入輸出裝置、閥門、驅動器和測量發送器。

為了提高現場總線系統的可靠性和抗干擾能力，在紙機電氣傳動控制系統中，一般選用傳輸速度為1.5 Mbit/s的現場總線，滿足了網絡數據的傳輸需要，縮短了系統響應的滯后，且系統的抗干擾能力較強。

4 負荷分配控制系統的設計

4.1 負荷分配機理分析

本文通過對兩臺異步電動機的機械特性與轉速、轉矩的關系，分析說明負荷分配的機理。具有相同的空載轉速n0，但機械特性硬度不同時的承受力矩差異如圖4所示;具有相同的機械特性硬度，但空載轉速n0不同時的承受力距差異如圖5所示［6］。當所述的這兩臺電動機共同驅動造紙機的某一分部，并在同一轉速n0下運行時，兩臺電動機所承擔的負載力矩是不相等的。

由圖4可知，機械特性較硬的承擔較大的負荷;由圖5可知，空載轉速n0較高的電動機承擔較大的負荷。因此，在多點傳動的情況下存在負荷分配問題，即可能出現有的電機負載過輕、有的電機負載過重，甚至超過額定負荷的現象［7－8］。

用來表示實際負荷的參數有電機功率、電機電流、電機轉矩。在變頻器中，這些參數采用的可能是絕對值，不能夠分辨出該電機處于電動狀態或制動狀態。因此，需要針對實際使用的變頻器，選擇合適的控制參數。

在實際控制中，電機功率是一個間接量，通常用電機定子電流或轉矩代替電機功率。負荷分配采樣各分部電機的轉矩，計算出系統總負荷轉矩;然后根據系統總負荷轉矩，可以計算出負載平衡時的期望值轉矩。平均負荷轉矩M的計算方法如式(1)所示:

式中:MLi為第i臺電機的實際輸出轉矩;Pei為第i臺電機的額定功率;M為負荷平衡期望轉矩。負荷分配控制器通過比較平均期望轉矩M和實際轉矩MLi進行調節。紙機負載隨時波動，計算得到的平均期望轉矩M也根據實際負載變化，所以這種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。

4.2 負荷分配控制策略

負荷分配分為多種控制方法，主要分為基于轉矩控制的負荷分配和基于速度控制的負荷分配兩類。前者適用于工作在轉矩控制模式的變頻器，控制效果好，但對負載有一定要求;后者則適用范圍更寬，但控制效果不如前者。

4.2.1 轉矩控制的負荷分配

隨著變頻器控制技術的發展，不少公司推出了帶有轉矩控制方式的高性能變頻器，如西門子公司的6SE70系列變頻器和ABB公司的ACS600系列變頻器。這些變頻器的給定可以是速度或轉矩，另外這些變頻器還提供許多擴展功能和附加軟件，所以負荷分配控制可以利用變頻器的這些功能來實現［9］。

基于轉矩控制的負荷分配控制方法如下:選取一臺變頻器作為負荷分配的主傳動點，采用速度控制模式將變頻器掛接在速度鏈上，以維持速度穩定;其他變頻器作為從傳動點采用轉矩控制模式，將傳動點的轉矩輸出乘以負荷分配的比例系數作為從傳動點的轉矩給定，這樣從傳動點轉矩就能時刻跟隨主傳動點轉矩的變化。這種控制方法精度高、動態響應快、控制品質好，但適用范圍小，對負載有一定的要求，適用于恒定類鋼性或柔性連接負載。

4.2.2 速度控制的負荷分配

交流變頻調速原理是采用改變頻率的方式來改變電機的轉速。三相交流異步電動機定子旋轉磁場和轉子旋轉磁場之間存在轉差頻率。在穩態時，異步電動機的輸出轉矩近似正比于轉差頻率，所以當電機的速度恒定時，調節變頻器的輸出頻率相當于調節轉差頻率，同時也調節了電機的輸出轉矩。因此，負荷分配可選取本分部內其中一臺變頻器作為負荷分配的主傳動點，用于維持速度的穩定，其余變頻器作為從傳動點，依靠調節從傳動點的輸出頻率來調節電機的輸出轉矩［10］。

4.3 負荷分配控制的實現

在紙機傳動控制系統中，共有兩處需要負荷分配控制，分別是網部真空伏輥、驅網輥、第一導網輥這三個傳動點之間的分配以及光壓上下輥兩個傳動點之間的負荷分配。本文所述的負荷分配控制采用基于轉矩控制的負荷分配控制方式對這兩處進行控制。現以三點傳動組為例進行分析，三點傳動組負荷分配原理如圖6所示。此外，只需要去除傳動點D，即可視為兩點傳動組的控制方式。

圖6 負荷分配原理圖Fig.6 Principle of the load distribution

A、B、E傳動點位于速度主鏈上，變頻器采用速度控制模式:B、C和D傳動點組成速度子鏈，C和D傳動點的變頻器采用轉矩控制模式。將B點的輸出轉矩T分別乘以負荷分配系數KC、KD，從而得到C點和D點的給定轉矩 TC、TD，即:

式中:C、D點的轉矩時刻跟隨B點的轉矩變化而變化，達到負荷分配控制的目的。

在實際控制中，若通過上述方法來實現負荷分配的控制，需要人工進行編程調試，時效性較低。主從宏的連接是為多傳動應用而設計的，其中系統由若干個變頻器驅動，同時電機軸通過齒輪、鏈條或傳送帶等相互耦合在一起。這種主從功能使負載可以均勻地分配在傳動單元之間。外部控制信號只與主機連接，主機通過一個光纖串行通信鏈路來控制從機。光纖主從宏連接示意圖如圖7所示。主機采用典型的速度控制，其他傳動單元跟隨主機的轉矩或速度給定。一般情況下，當主機和從機的電機軸通過齒輪、鏈條等進行剛性連接時，從機應該采用轉矩控制模式，即從機跟隨主機的轉距，使傳動單元間不存在速度差異;當主機和從機的電機軸采用柔性連接時，從機應該采用速度控制模式，因為傳動單元之間允許存在微小的速度差異。

在一些應用中，從機既需要速度控制，也需要轉矩控制。在這種情況下，可通過從機的一個數字輸入端來完成速度控制和轉矩控制之間的自由切換。

圖7 光纖主從宏連接圖Fig.7 Connections of the optical fiber master/slave macro

綜上所述，PLC通過Profibus-DP的主從宏連接可以得到精確的電機轉矩。利用上述原理，再配以先進的PID算法調節變頻器的輸出，可實現對參與負荷分配的各個電機進行及時有效的調節，使各個電機的功率、電流或轉矩與它們的額定值的比值相等。這樣就完成了負荷分配的實際自動控制。

5 結束語

基于Profibus現場總線，設計了紙機傳動系統。分析介紹了負荷分配控制的機理及其在整個紙機控制系統中的重要作用;并根據變頻器的種類，選擇基于轉矩控制的負荷分配控制和基于速度控制的負荷分配控制。采用現場總線的通信方式以及采用光纖主從宏的連接，實現了對負荷分配的有效控制，增強了系統的抗干擾能力，確保了紙機高速穩定可靠的運行。實際應用表明，該系統完成了預期的通信和控制功能，提高了生產效率，值得繼續在大中型紙傳動控制系統的應用中推廣。

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