造紙機負荷分配控制系統研究*

王建華，顧廣輝

（徐州工業職業技術學院機電工程學院，江蘇徐州221140）

0 引言

造紙業是國民經濟中的重要產業。變頻調速控制應用于造紙機傳動系統，具有節約電能、提高產量和紙張質量等優點，是造紙企業降低成本、增加競爭力的重要途徑。

紙機變頻傳動控制技術的水平是和變頻器的技術發展水平息息相關的。自從上世紀80年代中期變頻技術實用化階段以來，變頻調速紙機系統也在不斷發展變化。在上世紀90年代初期，由于變頻器自身及其應用的局限，大部分紙機傳動系統是以開環和單機運行的。在上世紀90年代中后期以后，PLC、工控機和DCS控制開始出現并得到廣泛應用。

目前，造紙機控制系統普遍采用基于PLC的網絡集散控制，其控制功能主要包括線速度同步、速度鏈功能、負荷分配功能、張力控制，此外，還有其他控制要求，如爬行、緊紙、急停等。其中，負荷分配控制是當前造紙機控制系統的一大研究熱點。負荷分配問題主要存在于造紙機的網部、壓榨部、施膠機等，由于這些地方屬于多電機驅動同一負載或負載之間存在剛性連接，它們之間要求線速度同步的同時，必須負載率均衡，否則有可能撕壞毛布或造成斷紙。因此，有必要對造紙機的負荷分配進行研究與實驗。

本研究針對造紙機傳動控制系統中的負荷分配問題，提出基于PLC網絡通訊的負荷分配控制方案。

1 基于PLC 的造紙機多電機變頻傳動控制系統結構

基于PLC 的造紙機多電機變頻傳動控制系統采用3層結構，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 紙機控制系統結構框圖

第一層為傳動控制層，例如研究人員采用ABB公司的ACS550系列（ACS550-01）矢量控制變頻器；第二層為PLC 控制層，例如研究人員采用Siemens S7-200 PLC以及威倫觸摸屏，通過MODBUS現場總線將PLC、觸摸屏和變頻器組成網絡通訊系統，進行實時高速通訊，協調工作；第三層為上位控制層，例如研究人員采用研華公司IPC-610 工控機，與PLC 之間通過以太網通信，實時監控紙機系統運行［1］。

傳動控制系統的各個傳動點不但要求速度同步，運動協調，而且對于需要負荷分配的傳動點必須采用負荷分配控制。整個傳動控制系統以西門子S7-200 PLC 為主控制器，同時配合多個主操作臺作為系統操作控制面板，每個控制面板上配置一個觸摸屏，利用觸摸屏來控制各傳動點以及顯示各傳動點的工作速度。變頻器根據PLC 指令，執行對異步電機的速度、電流、轉矩等參數的控制［2］。

2 負荷分配控制理論分析

2.1 負荷分配的產生及影響

造紙機網部的真空伏輥與驅網部、壓榨部的上部與下部等，經過加壓同步運行。對于類似這樣的傳動，只控制電動機速度同步并不能滿足實際系統的工作要求，實際系統還要求各傳動點電機負載率相同，否則會出現某臺電機出力大、某臺電機出力小的情況，影響正常造紙，甚至撕壞紙張和毛布，造成變頻器及機械設備的損傷。因此，造紙機多點傳動時必須控制負載均衡。造紙機網部與壓榨部結構如圖2所示。

圖2 造紙機網部與壓榨部結構

2.2 負荷分配數學分析

在造紙機傳動控制系統中，同一個分部的各個傳動電機由于所處位置的不同以及毛布包角大小的不同，承受的負荷是不同的，即各個電機的出力大小不同。而負荷分配要求各個傳動電機的負載率相同，即：

式中：Pi—第i臺電機實際輸出功率，PNi—第i臺電機額定功率［3］。

通常代表實際負荷的參數有電機功率P、電機電流I、電機轉矩M。根據所選變頻器的不同，可選擇合適的控制參數。例如，安川變頻器用功率表示電機的出力方向和大小，所以負荷分配可選擇用P作為檢測量；ABB 變頻器用轉矩表示電機的出力方向和大小，所以負荷分配可選擇用M為檢測量［4］。

利用功率的負荷分配公式如下：

式中：pn—第n臺電機實際輸出轉矩，PNn—第n臺電機額定功率。

利用轉矩的負荷分配公式如下：

式中：Mn—第n臺電機實際輸出轉矩，MNn—第n臺電機額定轉矩。

依據所選擇的變頻器及其檢測參數，利用式（2）或式（3）對參與負荷分配的各臺電機進行調節，使各個電機的負載率相等，即可實現對多電機傳動的負荷分配［5］。

3 負荷分配控制方案

造紙機的負荷分配比較復雜，也是當前造紙機傳動系統的研究熱點之一，其主要原因是變頻器內的電流環無法直接控制。當前常用的負荷分配實現方法可歸納為5 類：①采用高性能變頻器（轉矩控制型，譬如ACS800變頻器）實現負荷分配；②采用某些公司研發的負荷分配控制器；③通過PLC的模擬控制實現負荷分配；④通過PLC 通信功能實現負荷分配；⑤利用軟件（譬如西門子變頻器的負荷分配開發軟件）實現負荷分配。

在5 種負荷分配方案中，第②和第③種方法屬于模擬控制，穩定性差，易受干擾。第①和第⑤種方法控制精度較高，但只適用于某些負載情況，且由于采用了專用軟件或較高的硬件配置，大大增加了投資成本。相比之下，第④種方法的性價比較高［6］。

負荷分配控制過程如圖3所示。

圖3 負荷分配原理

首先，PLC 通過Modbus 通信采集兩點電流，計算兩點轉矩的比值，并與已知功率的比值做比較，如果不一致，則調節速度給定，直至輸出轉矩的比值與額定功率的比值相一致，從而實現功率大的電機出力大，功率小的電機出力小，即實現負荷分配的目的。由于紙機工作時負載是波動的，負荷分配是一個動態過程，即處于不斷檢測和不斷調整之中。基于PLC的負荷分配子程序流程如圖4所示［7］。

圖4 負荷分配控制子程序流程圖

4 負荷分配Matlab 仿真

已知負荷分配仿真模型參數：初始轉矩M1=90 N·m、M2=160 N·m、總轉矩M=250 N·m；額定輸出功率Pe1=40 kW，Pe2=60 kW；PID 參數kp=1.8 、ki=0.5、kd=0.6。仿真運行結果如圖5所示，經8 s后M1和M2分別達到穩定值100 N·m和150 N·m［8］。

圖5 負荷分配仿真結果

5 負荷分配現場試驗研究

以沭陽博大包裝紙業有限公司4200/250 型造紙機為例，該紙機用于生產包裝紙，紙機各參數如表1所示。

表1 4200/250型的造紙機參數

為檢驗造紙機系統的運行狀態，筆者利用Matlab開發了系統檢測GUI 界面程序“Trace.fig”。S7-200 PLC 通過Modbus 通信采集各傳動點電機的轉速、電流，并計算出轉矩。“Trace.fig”程序對其濾波處理，并在圖形坐標上顯示數據波形。

本研究選擇真空伏輥（PN=45 kW）和驅網輥（PN=75 kW）兩傳動點進行負荷分配控制實驗。設工作車速為200 m/min，期望負載轉矩設定為250 N·m。由兩點功率可知負荷分配比為3∶5，轉矩分別穩定在94 N·m和156 N·m。降載實驗，當t=10 s時，本研究將期望轉矩降低224 N·m到后，真空伏輥和驅網輥兩傳動點的負載波形如圖6、圖7所示，轉矩調整為84 N·m 和140 N·m，負荷分配比仍為3∶5。現場試驗研究表明，該控制方案能實時監控紙機各傳動點的電流，并通過Modbus 通訊調整各變頻器頻率，響應速度較快，滿足負荷分配要求。

圖6 真空伏輥負荷分配檢測結果

圖7 驅網輥負荷分配檢測結果

6 結束語

本研究采用S7-200 PLC和變頻器組成的Modbus網絡通訊系統，采集各負荷分配電機的電流，并通過PLC計算和處理后，調整各傳動點的速度，進而實現負荷分配。在Matlab軟件環境下，采用Simulink工具箱，對負荷分配進行了仿真；并通過沭陽博大包裝紙業有限公司造紙機傳動系統的現場調試試驗，驗證了負荷分配控制方案的可行性。

本研究的創新點是采用通訊方式實現負荷分配控制，很大程度地減小了干擾，大大增加了系統的可靠性。該系統自投入運行以來，一直運行可靠，為該企業取得了良好的經濟效益。

（References）：

［1］孟憲坤.基于現場總線的紙機電氣傳動控制系統的設計［D］.西安：陜西科技大學機電工程學院，2012.

［2］張 池，王志軍.基于PROFIBUS 現場總線的造紙機電控系統設計［J］.計算機技術與自動化，2009，28（3）：56-59.

［3］惠鴻忠，陳 蓮，肖明運.基于PROFIBUS-DP的紙機傳動控制系統設計［J］.制造業自動化，2009，31（9）：84-87.

［4］孟彥京，張 焱.ACS800 在2600/350 多缸紙機負荷分配中的應用與研究［J］.中國造紙，2014，33（2）：47-51.

［5］李方園.造紙機械變頻多傳動控制系統的基本原理及應用［J］.中國造紙，2007，26（6）：53-56.

［6］張攀峰，孟彥京，李 頎，等.PLC 在造紙機負荷分配控制中的應用［J］.微計算機信息，2006，22（12）：63-66.

［7］王志軍，張 池.造紙機負荷分配產生的原因與控制［J］.中國造紙，2009（9）：58-60.

［8］張亞東.基于PLC 的造紙機自動控制系統設計與研究［D］.合肥：合肥工業大學電氣與自動化工程學院，2012.