雙刀切紙機的負荷分配

李天利

(陜西科技大學,陜西西安，710021)

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·雙刀切紙機·

雙刀切紙機的負荷分配

李天利

(陜西科技大學,陜西西安，710021)

在對雙刀切紙機負荷分配產生的原因、負荷分配控制方法分析的基礎上,利用可編程序控制器讀取送紙輥1電機的實際轉矩進行偏差計算，用來調節送紙輥2電機的轉差率，實現兩個送紙輥電機之間的負荷分配。實踐證明這種方法調節容易且能使送紙輥2電機較好地跟隨送紙輥1電機轉矩的變化,達到負荷分配控制的目的。

切紙機；負荷分配；轉差率

(E-mail: litianli@sust.edu.com)

雙刀切紙機是比較常見的紙張加工設備,是造紙業和印刷業中一種非常重要的機械裝置,它主要是用來把已經生產好的原紙剪切成不同規格的紙張,以滿足不同用戶的需要。雙刀切紙機由于速度變化比較頻繁,負荷分配的控制不同于紙機。筆者根據雙刀切紙機在生產中的實際要求設計了一種負荷分配的控制方法，可為其他相似系統的設計提供技術參考。

1 雙刀切紙機及控制要求

國產幅寬3150 m、切紙速度120 m/min雙刀切紙機的工作流程如圖1所示。從圖1可知,原紙卷經弧形輥進入縱切刀,分切成合乎縱向尺寸要求的四部分,然后進入切刀1和切刀2(也稱橫切刀)切成紙幅橫向合乎要求的長度,最后經皮帶1、皮帶2傳送至接紙臺,整理打包。

圖1 雙刀切紙機示意圖

圖2 雙刀切紙機控制結構圖

雙刀切紙機的電氣控制采用分部變頻傳動,系統組成示意圖見圖2。其PLC采用西門子CPU315-2DP,系統采用PROFIBUS-DP通信。

雙刀切紙機要切出合格的紙張,就要求送紙輥1電機和送紙輥2電機之間在速度同步的同時實現負荷均衡,當電機負荷不均勻時,如果分切的紙張頁數較少就有可能斷紙,若分切的紙張頁數較多就可能會造成電機打滑致使切紙出現較大誤差,更有甚者可能造成電機過負荷運轉影響電機壽命,甚至燒毀電機。所以要求送紙輥1電機和送紙輥2電機之間具有負荷自動分配控制功能。

2 負荷分配

2.1 負荷分配的方法

2.1.1 負荷分配的一般方法

負荷分配一般有兩種實現方法：通過對變頻器的轉矩控制實現和通過對變頻器的速度控制實現。

轉矩控制的負荷分配是利用變頻器本身主從控制功能實現,選取送紙輥1電機作為負荷分配的主傳動點,它采用速度控制且速度閉環以維持速度穩定, 送紙輥2電機作為從傳動點采用轉矩控制模式,將送紙輥1電機的實際轉矩通過PROFIBUS讀出,再乘以負荷分配的比例系數后,送給送紙輥2電機變頻器作為送紙輥2的轉矩輸入(若送紙輥2電機功率與送紙輥1相同且機械部分相同,則將讀出的送紙輥1電機的轉矩直接送給送紙輥2),這樣送紙輥2轉矩就能時刻跟隨送紙輥1電機轉矩的變化。

速度控制的負荷分配是采用改變電機轉差率的方式來改變電機的輸出轉矩。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,也就是電機的給定頻率,相當于調節轉差率,同時也調節了電機的輸出轉矩[1]。負荷分配選取送紙輥1電機作為負荷分配的主傳動點,它采用速度控制且速度閉環以維持速度穩定, 送紙輥2電機作為從傳動點,是通過調節從送紙輥2電機的轉差率來調節電機的輸出轉矩。

2.1.2 負荷分配的方法選擇

轉矩控制負荷分配的方法控制精度高、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,這是因為從傳動機(送紙輥2電機)負載轉矩較大時電機轉速低；轉矩較小時電機轉速高,所以適用于恒定類鋼性連接負載。速度控制的負荷分配適用范圍更廣,但控制效果不如轉矩控制的負荷分配[1]。從切紙機的切紙長度要求分析,送紙輥2需要實現速度閉環以控制它的轉速穩定,以便給切刀輥2電機提供穩定可靠的速度基準,因此速度的穩定尤為重要,因此選擇速度控制的負荷分配方法。

2.2 通過改變電機轉差率實現負荷分配

設定送紙輥1電機為主傳動,送紙輥2電機為從傳動,送紙輥1采用速度、電流雙閉環控制,同時將送紙輥1的轉矩乘以負荷分配系數作為送紙輥2的轉矩給定信號進行PID運算后作為送紙輥2電機的轉矩給定。

在實際中若送紙輥2采用轉矩閉環控制,轉速開環控制是不可靠的。因為在這種控制方案中電機的轉矩是靠負載的轉矩來平衡的, 此時送紙輥2電機的轉速跟隨送紙輥1電機轉速保持一定的值, 當送紙輥2負載轉矩小于電機的輸出轉矩時, 電機就會突然升速,若不能及時調節電機輸出轉矩, 降低輸出轉矩值, 就會發生飛車事故。因此送紙輥2電機采用速度、電流雙閉環控制[2]。

圖3 異步電動機改變同步轉速時的機械特性

圖3是異步電動機調速時的機械特性,設電機原運行在特性的A點(實際轉速為n1,同步點n′),根據期望轉矩與實際轉矩比較的結果,如須增大該傳動點輸出轉矩,則增大轉差率,即使給定頻率增大,由此機械特性上移如特性曲線C點(實際轉速為n1,同步點n?),電機轉矩就由原來T1增至T3,轉矩增大；同理,如須減小該傳動點轉矩,只須減小轉差率,即使給定頻率減小,由此機械特性下移如特性曲線B點(實際轉速為n1,同步點n″),電機轉矩就由原來T1減至T2,轉矩減小[3]。調節電機轉差率實現負荷分配。通過期望轉矩與實際轉矩的比較結果來控制相應傳動點的頻率給定值,改變的是電機的同步轉速,實際上是改變電機的轉差率,從而調整了該電機的轉矩。

2.3 負荷分配的控制算法和原理

根據負荷分配原理,應檢測和控制傳動點的電機輸出功率,但實際控制當中電機功率為間接量,而電機的輸出轉矩從實際上反映了電機的負荷變化情況,在切紙機控制系統中利用PLC(西門子CPU315-2DP)讀取送紙輥1電機變頻器的實際轉矩(為百分數)在通過與PLC讀出送紙輥2電機的變頻器的實際轉矩(為百分數)作差值的PID運算后去控制送紙輥2電機的同步轉速。實際應用中,采用逐次逼近法,先設一定的誤差范圍(一般在2%～3%以內),只要誤差小于設定范圍(2%～3%)即可以認為負荷已平衡。PID的參數可根據實際運行整定(這方面文獻較多就不詳述)。

2.4 負荷分配的軟件流程

負荷分配的軟件流程見圖4。其中T1是送紙輥1電機轉矩；T2是送紙輥2電機轉矩；N1是送紙輥1轉速給定；N2是送紙輥2轉速給定；e是送紙輥1、送紙輥2轉矩誤差范圍(一般在2%～3%以內)。

圖4 軟件流程

2.5 負荷分配的其他問題

(1)送紙輥1、送紙輥2應設計單連動功能,在單連動狀態時送紙輥1、送紙輥2可以單獨調速、單獨操作,在連動時同時啟動同時停止,連動調速。

(2)切紙機整機的速度是由送紙輥1控制的,其余各傳動點的速度在這個速度鏈上與送紙輥1構成比例關系,負荷分配與速度鏈控制既獨立又關聯,所以要充分考慮其銜接問題。

(3)負荷分配中送紙輥1若故障停機,其他從傳動點也應停機；當任一及以上從傳動點故障停機時,作為主傳動點的送紙輥1也應停機。所以控制中應對全部傳動點的狀態進行監控。方法有兩個：①利用PLC實時讀取各傳動點變頻器的狀態再利用軟件去判斷,最后利用PLC數字輸出去控制各變頻器；②將各變頻器的故障通過PLC數字輸入送入PLC利用軟件去判斷,最后利用PLC數字輸出去控制各變頻器。方法②響應快,因此選用②。

3 現場使用情況

筆者將以上控制方法應用于河南某造紙廠幅寬3150 mm、切紙速度120 m/min的雙刀切紙機,現場調試試驗驗證了負荷分配控制方案的可行性。實踐表明采用PROFIBUS總線通信方式實現負荷分配控制,減小了干擾,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。

4 結 論

雙刀切紙機由于速度變化比較頻繁,負荷分配的控制不同于紙機,利用調節電機轉差率實現送紙輥1、送紙輥2之間的負荷分配的方法調節容易、可實現3%以內的負載平衡率,確保了雙刀切紙機穩定可靠的運行,提高了生產效率,具有較強的實用性,可為其他相似系統的控制系統的設計提供一定的技術參考。

[1] Meng Xian-kun Li Ming-hui Li-hu.Design and Realization of the Load Distribution Control System for Paper Machine[J].Process Automation Instrumentation, 2012, 33(1): 35.孟憲坤, 李明輝, 李 虎.紙機負荷分配控制系統的設計與實現[J].自動化儀表, 2012, 33(1): 35.

[2] GUO Yan-ping.Load Distribution Contro lof Rewinder Based on Frequency Conversion Technology[J].China Pulp & Paper.2009, 28(12): 41.郭艷萍.復卷機負荷分配控制策略的分析與實現[J].中國造紙, 2009, 28(12): 41.

(責任編輯：常 青)

The Load Distribution of Synchro-fly Cutter

LI Tian-li

(ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The causes of synchro-fly cutter load distribution and load distribution control method were analyzed.The load distribution between two motors was implemented by adjusting the No.2 motor slip ratio that was obtained using the programmable logic controller to read two motors’ actual torque and conduct deviation calculation.The practice application proved this method easy adjustment and could make No.2 motor torque changes well following the changes of the torque of No.1 motor, so as to control the load distribution.

cutter; load distribution; slip

李天利先生，副教授；主要研究方向：電力電子技術及其應用。

2015-04-23(修改稿)

TS736+.3

A

10.11980/j.issn.0254-508X.2015.11.010