紙機傳動控制系統的改造

韓振千

摘要：針對某公司3#紙機傳動控制系統中，變頻器老化、無法獲得備品備件且故障率極高的問題，提出了傳動控控制系統改造的方法并得以實施，實際應用中獲得了良好的效果。詳細對比介紹了紙機傳動控制系統改造前后存在的情況，探討了紙機多傳動控制系統改造過程遇到的問題。

關鍵詞：變頻傳動；傳動系統；應用宏

中圖分類號：TS736+1

文獻標識碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802007

紙機傳動控制系統性能的好壞，是決定一臺紙機能否高效率、高質量進行生產的前提，傳動控制系統中的關鍵部件變頻器對于紙機能否可靠運行起著決定性的作用。山東棗莊華潤紙業有限公司3#紙機（以下簡稱PM3）原傳動控制系統中變頻器已運行9年，近2年該變頻器故障頻發，由于買不到正品備件，導致損壞的變頻器無法修復，嚴重影響了紙機的正常運行。針對這種情況，對PM3傳動控制系統變頻器改造勢在必行。本文以紙機傳動控制系統改造為例，結合筆者的工作經驗，介紹了紙機多傳動控制系統中變頻器改造過程及生產應用效果，以此給有相同情況的紙廠提供一點思路。

1PM3原傳動控制系統結構及功能

11結構及硬件

原系統屬于三級式全數字量分部式交流變頻調速控制系統，采用杭州華章電氣公司的HZAC3000S系統，其系統結構如圖1所示。

硬件主要由Rockwell 1756系列的A17槽背板、電源、1756Logix5555控制器、SSTPFBCLX Scanner DP通信模塊（以下簡稱SSTDP通信模塊）、以太網

12功能介紹

控制系統采用的是基于微處理器的速度、轉矩和張力三環自動調整控制原理，在程序設定中可以自由調整加減速時間及車速最大及最小值。速度閉環、負荷分配、轉矩/張力控制等構成了一個開放式的樹狀速度鏈，是整個傳動控制系統的核心。對于濕部傳動控制，為了保證紙張的復合效果，決定網部的底網驅網輥采用速度閉環控制；同一網上的傳動點之間、相互接觸的壓榨輥之間采用負荷分配，這一部分均由控制器計算處理后送給相應的變頻器執行。而對于干燥部傳動控制，由于干燥部的紙張已經建立了張力，所以，干燥部的控制以張力為目標，對張力容易發生變化的區域內的傳動點采用轉矩/張力控制，而對張力不容易發生變化的區域內的傳動點則采用速度閉環控制[2]。

系統還提供了各種連鎖（安全、工藝、啟動、停機、故障等連鎖）和系統保護（缺相、過欠壓、過流、編碼器信號丟失、超頻、超速、接地、通信等報警及故障保護）。通信部分是采用ProfibusDP與EtherNet相結合的網絡技術，使紙機各傳動分部的數據和系統連鎖信息，能通過通信網絡直接傳送到信息層網絡（以太網）[2]。

2改造后PM3傳動控制系統結構及功能

21結構及硬件介紹

改造后的系統保持原系統的三級式全數字量分部式交流變頻調速控制結構，其系統結構如圖2所示。

硬件部分：仍沿用原系統的大部分硬件結構，Rockwell 1756的全部模塊及操作員終端pv600沒有變化，只是增加了ABB ACS600 NBRA[3]制動斬波器、制動電阻器、ABB ACS800 Single[4]系列變頻器等。通過查看控制器編程軟件RSLgix5000內的I/O Configuration，可以了解PM3的I/O硬件配置結構，如圖3所示。變頻器部分，出于成本考慮，仍保留部分VACON的CXL4XX系列變頻器，留作引紙繩、卷取助動等部位繼續使用。

22系統功能介紹

在保留原系統的所有功能基礎上，控制系統增加和改動了部分程序，主要是負荷分配的改動，將濕部同一張網上的傳動點之間、壓榨及施膠部相互接觸的輥子之間的負荷分配計算，改由ACS800變頻器內部的主、從應用控制來完成，該應用根據傳動主、從點間的接觸方式和負荷關系，來確定是采用何種方式運算處理，其處理后的結果，以通信的形式送到控制器處理輸出。這樣既可減輕控制器內CPU的處理負荷，又使從傳動點的動態響應有了很大的提升。

干燥部的傳動控制，在保留了原系統的各種連鎖和保護外，又增加了稀油連鎖投入和解鎖、稀油故障可自由設定延時報警時間等實用功能。還增加了制動單元，徹底消除了變頻器公共直流母線過電壓的發生。對紙機完成部的卷紙機，結合ACS800變頻器，增加紙張間接張力控制等功能。

通信部分除使用ProfibusDP和EtherNet外，還組建了針對ACS800變頻器的專用的通信網絡，該網絡使用ABB傳動的DDCS通信協議[3]，可以通過一條高速光纖，將網絡上所有的傳動點連接在一起進行管理，該網絡配置軟件工具為：Driver Window 23 [3]，此工具軟件具有如下特點：

（1）變頻器的參數進行讀寫、設定及對參數備份和恢復，并可進行傳動點本地或遠程切換控制[3]。

（2）變頻器發生的故障和報警進行診斷，可以對數據、記錄器、故障進行記錄器，采樣時間最短可設為1 ms[3]。

（3）對變頻器的測量值實時進行數字和圖形（趨勢圖）顯示并記錄，也就是具備示波器的功能，當變頻器出現問題時，便于分析和判斷。Driver Window采集波形實例見圖4[3]。

3PM3傳動控制系統改造應用效果

31直流母線電壓

原傳動控制系統中變頻器的供電部分， 采用的是被廣泛應用于多電機傳動的直流公共母線技術，干燥部和濕部分別由各自的整流裝置，建立自己的直流母線系統，兩段母線的整流部分，均使用不可控的二極管整流方式，也稱DSU[3]， 單純的DSU用在濕部整流供電，通常沒有多大問題，而干燥部如果是單純的使用DSU整流供電，就會出現問題。原因是：干燥部通常大慣性的機械設備比較多，當變頻器拖動此類設備快速的減速運行時，由于機械慣性所產生的大轉矩，會拖著電動機使其轉速超過電動機的同步轉速，造成電動機由原來的電動狀態轉換為發電狀態。也就是說，電動機由原來的消耗能量，轉變成向外輸出能量，而原系統對這部分能量又未作任何處理，其結果是導致變頻器的直流回路產生泵升電壓，這一再生電壓，一旦達到變頻器的保護值時，變頻器就會報直流母線過高的故障而保護停機。過高的直流母線電壓，對變頻器的使用壽命及系統的安全都會造成很大的影響，此現象在原傳動系統中經常發生[5]。

傳動控制系統改造后，在保留DSU整流的公共直流母線的基礎上，加裝制動斬波器及制動電阻。其工作原理是：制動斬波器一旦檢測到直流母線電壓值高出正常范圍，其內部的IGBT模塊就觸發導通，將這一部分能量消耗在制動電阻上，直到母線電壓恢復到正常工作范圍，制動斬波器的IGBT模塊才會關閉，以徹底消除直流母線產生過電壓的問題。制動單元投入運行后，變頻器再也沒有報過電壓的故障，效果良好。

32編碼器

原系統中的CXL4XX變頻器，采用的是帶編碼器反饋的閉環矢量控制模式，經常因為編碼器故障而造成停機，每次編碼器故障都需要停機處理。因為是矢量控制的變頻器，在開環矢量控制時速度精度，難以滿足正常生產的需要，所以又無法將變頻器的模式切換到開環控制。

將CXL4XX變頻器更換為ACS800變頻器后，將參數5003 ENCODER FAULT設置為WARNING[4]，這樣變頻器在閉環模式下運行時，當編碼器發生故障時，只發出報警信息而不會停機，也可手動在線將參數5006 SPEED FB SEL[4]修改為INTERNAL將編碼器反饋通道切換到內部計算。通常DTC控制模式，對編碼器的依賴較小，在開環控制精度01%左右，而一般的開環矢量控制精度在05%左右。對于PM3來說，ACS800 變頻器在DTC控制模式下完全可以開環運行，其控制精度基本上能滿足要求。ACS800變頻器的這一功能，有效地降低了PM3，因編碼器故障的停機次數。

33控制系統

331固件、軟件版本

原系統控制器CPU固件版本和編程軟件RsLogix5000軟件版本均比較低（為V12），致使軟件部分功能可操作性差。而SSTDP通信模塊固件版本存在嚴重的BUG，配置程序出現過通信異常，無法上傳正確配置程序，同時也存在DP通信網絡資源分配不合理的情況。

原系統改造后，將控制器CPU固件版本刷新為V16，RsLogix5000編程軟件版本也升級為相同的V16版。SSTDP通信模塊，利用上位機Windows的超級終端工具，將固件刷新到最新版本來消除BUG，并重新配置DP通信的硬件及軟件配置程序，使資源配置達到合理和最優，提高DP的通信速度，經上述處理后，通信速率和穩定性均得到了提升。

332從點運行模式

對于壓榨輥和施膠機的輥子，因其主、從輥子之間的從輥有負荷分配，在運行狀態下，當主、從輥分離后，其主、從點間原有的負荷關系就會發生改變，特別是當主點處于空載狀態下運行時，負荷分配的值，在控制器處理后送給從點的轉矩值，就會變的很低，由于從點是轉矩控制，過低的給定轉矩，可能無法維持從點的正常運行，而造成其在運行時停止。

原系統程序中，為避免這一情況的發生，也考慮在需要從傳動點獨立運行時，需要一個轉矩給定，所以，當控制器一旦檢測到主、從輥分離，就會單獨送給從點變頻器一個新的、固定轉矩值，以維持從點的正常運行。正因為這個轉矩值是固定的，其大小很不好設定，經常會發生因為轉矩值設定過低或過高，而導致的從點輥啟動后不運轉，或啟動后運行速度過快的問題。對于施膠輥主、從輥在運行時由分離位到閉合位的過程中，常常因為過大的速度偏差，造成磨輥而引起斷紙。

原系統改造后，當主、從輥分離，控制器將不再送出固定轉矩給從點，而是送出輥子分離的位置信號給ACS800，來控制變頻器由轉矩模式切換到速度模式，從而解決了從點在獨立運行時與主點間速度偏差大以及從點運轉困難的問題，同時，施膠輥閉合時，速度偏差造成，磨輥子的問題也得到了解決。

34變頻器

原系統中，采用的是香港泰格動力的TigerPower TP2000系列變頻器，即VACON公司的CXL4XX系列變頻器。該變頻器操作簡便，其軟件部分已內置了標準的“五合一”應用宏[1]（預先編好的參數集叫應用宏），對于一些特殊的應用，用戶可以在VACON的官方網站下載或者利用FC11313[1]編程工具來編寫自己的應用宏。本系統的應用宏就是系統集成商，針對紙機傳動特點而專門開發的 “紙機專用應用宏”。

TP2000變頻器的硬件部分采用分層式母排結構、結構明晰、線路板排列緊湊，維修方便，但其故障率非常高，近2年該變頻器故障頻發，每年都發生十幾次逆變部分損壞的故障，例如，IGBT模塊炸裂，功率板、擴展板、主控制板燒壞，故障的類型很多，沒有多少規律可循。變頻器廠家也拿不出行之有效的解決辦法。

原系統改造后，采用ABB公司的ACS800 Single系列變頻器。該變頻器由于采用了更先進的直接轉矩式DTC控制模式，具有動態響應快、適應環境強、控制精度高、故障率低等優點。為了降低成本，通過改動ACS800硬件部分，仍采用公共直流母線的方式為變頻器供電，用ACS800 Single單傳動組成多傳動（ABB公司傳動工程師稱這種方式為偽多傳）。對于引紙繩輪、卷紙助動等，不是很重要的傳動點，仍保留原VACON CXL4XX變頻器。隨著ABB ACS880變頻器的推出，ACS880取代ACS800只是時間問題。對于PM3傳動來說，有了ACS800替換VACON CXL4XX的基礎，在用ACS880進一步替代ACS800將會變得更加容易。

4總結

在紙機多傳動控制系統中廣泛采用通信技術，變頻器和控制器往往緊密相連相互依賴，很多功能并不只是通過變頻器或控制器來獨立實現的，所以在多傳動控制系統的改造過程中，一般需要注意的是：對于將要進行改造替換的變頻器，首先要對其硬件、軟件、通信等功能，要有很全面的了解。通常在紙機傳動中，如果使用了功能簡單的變頻器，其紙機的大部分功能，基本都是由控制器來完成。如果使用了功能強大的變頻器，其紙機很多功能對變頻器的依賴程度就會增高。對于后者來說，變頻器替換難度就會加大，這是需要注意的。改造后的PM3傳動控制系統，已穩定運行7年有余，故障率和維護成本極低，為公司創造了經濟效益。

參考文獻

[1]VACON Control System Co.， Ltd. “Five in One+”Application Manual[S]. 2002.

瓦薩控制系統有限公司Vacon CX/CXL/CXS變頻器用戶手冊“五合一”應用[S]. 2002.

[2]LI Fangyuan. Introduction to Paper Machine Drive Control Method[J]. China Pulp & Paper， 2005， 24（7）： 57.

李方園. 淺談紙機傳動的控制方式[J]. 中國造紙， 2005， 24（7）： 57.

[3]Beijing ABB Electrical Drive System Co.， Ltd. ACS800 Multidrive Training tutorialstructure and maintenance[S].（version A）. 2006

北京ABB電氣傳動系統有限公司. ACS800多傳動系統 培訓教程結構與維護[S].（版本A）. 2006.

[4]Beijing ABB Electrical Drive System Co.， Ltd. ACS800 Standard Control Program 7. x[S].（version K）2010. PDM： 30004947

北京ABB電氣傳動系統有限公司. ACS800標準控制程序7. x固件手冊[S].（版本K）2010. PDM： 30004947.

[5]XIAO Zhongjun. Common dc bus system in the Application of High Speed Paper Machine[J]. China Pulp & Paper， 2006， 25（12）： 38.

肖中俊. 公共直流母線系統在高速紙機中的應用[J]. 中國造紙， 2006， 25（12）： 38. CPP

（責任編輯：馬忻）