腈綸紡絲生產線速度同步控制系統

葛鎖良 李 楊

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

多電機的速度同步控制在紡絲、印刷及造紙等行業都有廣泛的應用[1]。工業控制過程中，需要各電機的轉速之間按比例協調控制并實現同步升降，而且速度比例可以調節并保持穩定，形成一個動態性能良好的速度鏈同步控制系統，這樣才能使整個生產線在動態過程中保持穩定。

針對速度同步控制系統，彭程提出基于三菱FR-E740變頻調速器PID參數控制的同步速度控制方案，有效解決了生產線中送料機構、送料精度和開卷機的速度同步控制問題[2]。張亞東介紹了基于造紙機生產線的速度鏈同步控制的機理與控制策略，把速度同步控制與負荷分配控制結合在一起，建立了造紙機的速度同步控制系統[3]。柳賀將變頻器組以其中某一變頻器為基準，在基準變頻器進行加減速運算時，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現速度的同步升降[4]。蒲曉龍把電機之間按照某一同步比進行齒輪同步和凸輪同步，確保了同步精確性的同時，進一步保證了同步曲線的柔和，減少了高速運行時的機械抖動[5]。

某廠腈綸生產車間共有6條生產線和1條備用生產線，年產量可達到萬噸，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，為保證腈綸纖維質量，要求系統各個工位轉速具備高精度的牽伸比[7]，筆者設計了一種速度同步控制算法，使系統在動態運行(如整組加速和整組減速)和平穩運行時各個工位輥子的線速度保持恒定的比值[8]。

1 系統的電氣結構①

圖1為一條生產線的電氣拖動結構，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。在實際生產中，系統中各工位電機速度不盡相同，這就導致部分電機有時會因回饋制動而工作在發電狀態，通過變頻器逆變橋向直流側反饋能量，抬高變頻器直流側的電壓。若變頻器采用三相交流電源供電，則可能因直流側的電壓過高而使變頻器產生保護動作，影響生產。采用共直流母線的驅動方案,可以把處于發電狀態電動機產生的能量反送回公共直流母線上，被其他處于電動狀態的電機所消耗[9]，這樣既減小了能耗，又增加了系統工作的穩定性。在系統快速停車時，所有電機均處于發電狀態，為防止母線上的電壓過高，在直流母線上并聯了一個制動單元，用制動電阻以熱消耗的方式消耗過剩能量。為了適應共直流母線技術，需要對通用型變頻器進行技術改造，使其適應直流供電方式。

圖1 系統電氣拖動結構示意圖

F1的電機帶動計量泵將腈綸原液噴出，經過凝固浴生成的初生纖維的強度比較低，F1轉速稍有波動都有可能造成斷絲。為了防止斷頭事故發生，在F1變頻器整流橋的直流側外接電容作為儲能元件。這樣可以減小供電電壓波動對F1變頻器的影響，甚至在電網短時間斷電時仍能維持F1變頻器帶載運行。

F1所帶計量泵共30臺，每臺功率0.37kW，F1變頻器工作電壓為380V(AC)±10%，在正常電壓時直流側電壓U1約為510V，直流側電壓下限U2=0.9U1=459V，以發生“晃電”故障變頻器仍能滿載運行時間t=200ms計算得：

C=0.0898F

故取儲能電容C=0.1F=100000μF。

2 系統的通信網絡結構

圖2所示為系統的通信網絡結構。監控級采用經濟有效的MPI網絡[10]，備用線PLC采集其他6條線生產線的相關數據參數,通過MPI網絡傳送給工控機用于顯示監控。具體連接方法為：上位工控機CP5613通信處理器的MPI接口，通過屏蔽雙絞線和備用S7-300PLC的CPU317-2DP處理器模塊的MPI接口相連接。

現場級通信網絡要求數據傳輸具有較高的實時性和可靠性，因此選用具有通信速度快、實時性好及組態配置靈活等特點的Profibus-DP作為現場級的通信總線。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條生產線的PLC作為從站，主從PLC之間通過DP端口連接，進行實時通信。變頻器通過適配器TDS-PA01接入Profibus-DP總線。

圖2 系統通信網絡結構

3 速度同步控制

3.1 速度同步控制算法

在高速運行過程中，電機的轉速由工藝技術規程所設定，而低速慢紡的電機轉速為高速運行時的1/3，在這兩種情況時保持速度同步相對較容易，所以同步速度控制的關鍵就在于高低速變換過程中，PLC能及時計算出各工位的運行速度，保持速度變化的一致。

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

圖3 減速子程序算法流程

當前紡各電機需要從高速運行變為低速慢紡時，首先調用減速子程序，對α進行判斷，若α≤1/3，則返回主程序，否則按照子程序對α進行運算。循環調用減速子程序，直至α≤1/3，此時取α=1/3，所有變頻器均以慢紡速率低速運行。調用減速子程序命令以每200ms一次的脈沖觸發，由工藝規程可知，加減速過程以4min左右為宜，經計算，減速子程序中每次減少的頻率比值Δα為0.05%。此算法的優點在于，即使某臺變頻器出現故障，也不會影響加減速程序的運行。

3.2 PLC與變頻器的通信

基于通信速度快、實時性好的Profibus進行通信是PLC可以及時發送速度指令的保障。Profibus的每個幀由若干個幀字符構成，而每個幀字符是由11個位組成：1個開始位、8個信息位、1個奇偶檢驗位和1個停止位。幀字符格式如圖4所示。

圖4 幀字符格式

Profibus-DP的信息循環時間為：

TMC=(TSYN+TID1+TSDR+Header+I×11TBit+

O×11TBit)×Slavers

(1)

式中Header——在請求和響應幀中電文頭，198個位時間；

I——每個從站的輸入數據字節數，12節數；

O——每個從站的輸出數據字節數，12節數；

Slavers——從站個數，17；

TID1——在主站的空閑時間，典型的為75個位時間；

TMC——信息循環時間，按位時間計；

TSYN——同步時間，按位時間計，典型的為33個位時間；

TSDR——命令在從站的停留時間，11個位時間。

本系統波特率為1.5MBaud，所以位時間為0.667μs。系統的信息循環時間為：

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在每次運行周期中可以及時將速度指令發送給變頻器。

3.3 基于變頻器的調速系統

變頻器F1～F12連接同步電機,由于同步電機轉速與電源頻率嚴格成比例,其轉速精度與變頻器的頻率精度一致,只要采用開環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，通過其配備的光電編碼器(圖1中PG)形成穩定的閉環控制系統，就可以精確地執行速度指令。

3.4 速度追蹤

在實際生產過程中，出現故障急停時需要系統具有良好的速度追蹤性能，以便在排除故障后電機速度可以很快地跟上生產要求。程序中設定，排除故障后變頻器以上述減速子程序中所得的fi為運行頻率進行快速啟動，這樣就可以保證故障排除后的電機很快回到生產線中。

圖5所示為4#生產線F1～F5變頻器在變速過程中15min內的輸出頻率曲線。圖中縱坐標為變頻器頻率，橫坐標為時刻。各變頻器在正常生產時保持各自的頻率穩步運行，具有良好的速度同步性，當系統發出降速命令時，各變頻器同時動作，頻率以相對穩定的速率逐漸減小，實現了良好的速度同步控制，驗證了算法的有效性。

圖5 同步減速頻率趨勢曲線

在圖5中8∶50∶14和8∶51∶35時，F5出現故障導致停機，在故障排除之后，F5又快速追上了其他電機的速度，然后和其他電機一起正常減速，符合預期的效果，驗證了良好的速度追蹤特性。

4 結束語

本速度同步控制系統是基于某廠的腈綸生產線工藝流程所設計的，筆者主要介紹了生產線的總體概況和同步速度控制系統的方案與實際運行效果。系統運行以來，生產穩定良好，操作維護方便，滿足生產需要。該電機同步速度控制系統在造紙及印刷等工業控制領域中同樣具有很高的實用價值。

[1] 王博，杜少武，高衡初，等.腈綸紡絲生產線驅動控制系統的改造[J].電氣技術，2007,(5)：60～65.

[2] 彭程.基于伺服電動機的硅鋼片橫剪線自動控制系統的設計[D].濟南：山東大學，2010.

[3] 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，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化(PLC&FA)，2010,(9)：112～114.

[5] 蒲曉龍.全自動高速封口機控制系統開發與設計[D].西安：長安大學，2012.

[6] 葛鎖良，何明，岳勝.速度同步控制系統中的多層通訊網絡設計[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2009，32(2)：170～173.

[7] 朱茂林.基于PROFIBUS的腈綸紡絲控制系統設計[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2013,36(4)：416～419.

[8] 周燁斐.變頻調速協調控制系統設計[D].上海：上海交通大學，2007.

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

[10] 方明.濕法紡絲生產線集散控制系統關鍵技術的研究與應用[D].合肥：合肥工業大學，2013.