孟彥京 張 焱

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021)

·負荷分配·

ACS800在2600/350多缸紙機負荷分配中的應用與研究

孟彥京 張 焱*

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021)

介紹了紙機中負荷分配的原理以及設(shè)計方法，討論了設(shè)計負荷分配時可能遇到的問題和解決方法，提出了在紙機傳動控制系統(tǒng)中負荷分配設(shè)計的重要性。介紹了ACS800系列直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器在2600/350多缸紙機負荷分配方面的重要應用，討論了通信、連鎖、參數(shù)設(shè)置及實際使用中的一些注意事項。

ACS800系列變頻器；負荷分配；多缸紙機；應用

(*E-mail:zhangyan163.ok@163.com)

1 2600/350多缸紙機負荷分配方案的選擇

2600/350多缸紙機的主傳動參數(shù)如表1所示。

該紙機主傳動采用ABB公司的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器ACS800系列，PLC采用了西門子的S7-313-2DP，光電編碼器數(shù)字反饋閉環(huán)控制，編碼器采用歐姆龍的E6B2-CWZ6C/500P。

交流變頻傳動控制的紙機，其負荷分配方案常采用PLC通過通信控制來實現(xiàn)。PLC是基于現(xiàn)場總線的技術(shù)，將讀取的各傳動點的實際轉(zhuǎn)矩通過通信進入CPU，與理論計算值比較，用轉(zhuǎn)矩差值控制對應點的電機轉(zhuǎn)差率，使轉(zhuǎn)差率增大或減小，從而調(diào)整該點的實際輸出轉(zhuǎn)矩以達到負荷平衡。這種方法的優(yōu)點是：調(diào)試容易、工作可靠、控制精度高(3%以內(nèi))，可控點數(shù)多(20點以上)，因此得到了廣泛使用。但是隨著傳動點數(shù)的增多，勢必將增加CPU程序掃描時間，使執(zhí)行周期加長，動態(tài)響應變慢。所以在紙機傳動上的應用受到了限制[1]。

在選用變頻器時，考慮到紙機傳動點數(shù)多，負荷分配組數(shù)多的特點，若采用上述方案雖然可節(jié)省一定投資，但會造成程序掃描周期加長、系統(tǒng)動態(tài)響應變慢等問題，這對控制不利。故應選用ACS800系列變頻器來實現(xiàn)負荷分配。其優(yōu)點在于：在整機運行時，5個從點控制由其對應的主點通過ACS800主從控制完成。程序無需采樣和計算分配各點轉(zhuǎn)矩，可比原來節(jié)省時間，同時省去相應的通信發(fā)送，通信程序塊簡單化，執(zhí)行周期可比原來節(jié)省近1/2的時間。因此，增加一些投資以換取整機控制效果的提高也是值得的，后來在實際運行中也證明了這一點。

表1 2600/350多缸紙機的主傳動參數(shù)表

2600/350多缸紙機共有3組負荷分配(見表1)，采用ACS800系列的主從控制功能來實現(xiàn)。主從之間通過光纖通信用于紙機的負荷分配控制，速率高、控制精度高、動態(tài)響應快、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定，可取得很好的控制效果。

2 ACS800變頻器的主從控制用于負荷分配的控制原理

2.1 負荷分配的控制原理

負荷分配控制中選取一臺電機作為本組的主點，連接在速度鏈上，其他電機則作為本組從點，連接在子速度鏈上。這里舉一個兩點負荷分配的例子，如圖1所示，變頻器1和變頻器4是負荷分配組的前級和后級。變頻器2則是負荷分配組的主點，變頻器3作為其從點，位于子速度鏈上。這兩臺電機的額定功率依次為P1N、P2N，額定總功率為Pe，顯然有Pe=P1N+P2N。實際總功率為P，兩電機的實際輸出功率則分別為P1、P2，則有P=P1+P2。

根據(jù)上述原理，設(shè)計應滿足式(1)。

圖1 負荷分配原理圖

(1)

在實際控制中，電機功率是一個間接量，不易直接測量。因此，以電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩來反映電機的功率。而電機的實際轉(zhuǎn)矩由電流決定，故通過控制電機電流起到控制電機功率的作用，如式(2)所示。

(2)

其中：ILi—第i臺電機的實際電流；Iei—第i臺電機的額定電流；IL—總負載電流。

負荷分配就是根據(jù)電機電流，利用上述原理對各臺電機進行調(diào)節(jié)，使各電機實際電流和額定電流比值相等，這樣即完成了負荷分配的自動控制。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及ACS800系列變頻器

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實質(zhì)是基于定子兩相靜止參考坐標系，以定子磁場定向，一方面維持轉(zhuǎn)矩在給定值附近，另一方面維持定子磁鏈沿著事先設(shè)定好的軌跡運動，對于交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈直接進行閉環(huán)控制。該項技術(shù)具有控制方式簡單、手段直接、物理概念明確的優(yōu)點。ACS800系列變頻器即是ABB公司采用了此技術(shù)研發(fā)出的一類變頻器，具有轉(zhuǎn)矩響應快、超調(diào)小、接口技術(shù)通用、使用和維修方便的優(yōu)點。

2.3 紙機負荷分配設(shè)計時的注意事項

紙機傳動系統(tǒng)由于負載多變、情況復雜的特殊性，在負荷分配時要求速度穩(wěn)定、分配平衡，需要考慮以下問題。

2.3.1 負荷分配控制算法分析

如前所述，負荷分配要求采樣各分部電機的轉(zhuǎn)矩，簡單的負荷分配算法簡單，主點與從點比較就可進行調(diào)節(jié)。這種算法適用于傳動點數(shù)較少，一般在4點以下的控制系統(tǒng)中。

對于傳動點數(shù)多的系統(tǒng)，此時就需要根據(jù)負荷分配平均算法進行。首先求出系統(tǒng)總負荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)系統(tǒng)總負荷轉(zhuǎn)矩即可求出理想平均轉(zhuǎn)矩，如公式(3)所示。

(3)

其中：M—所加負荷的平均轉(zhuǎn)矩；Mli—第i臺電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩；Pei—第i臺電機的額定功率；Pi—第i臺電機的實際輸出功率。

當紙機負載隨時波動時，計算出來的平均理想轉(zhuǎn)矩M也實時變化。

2.3.2 負荷分配控制的調(diào)節(jié)要求

與所有控制系統(tǒng)一樣，紙機傳動系統(tǒng)也要求穩(wěn)、快、準。其中的負荷分配控制也要求穩(wěn)定、快速、無振蕩。此時，負荷分配控制器可采用PID控制算法。

2.3.3 負荷分配控制方式多樣化設(shè)計

在紙機實際生產(chǎn)過程中可能隨時出現(xiàn)負載加壓或卸壓的情況，所以要求負荷分配控制方式也要隨之變化。此時，可通過PLC的數(shù)字端子控制，就可切換不同的控制方式。

圖2 壓榨部負荷分配變頻器連接圖

2.3.4 負荷分配控制中的保護功能設(shè)計

在負荷分配設(shè)計中，還應考慮到速度限幅的問題。即從點應設(shè)計為帶有速度限幅的轉(zhuǎn)矩控制，防止可能出現(xiàn)主從點之間的速差過大，或者出現(xiàn)打滑現(xiàn)象對設(shè)備造成損害。

負荷分配點在設(shè)計時還應考慮到單、聯(lián)動功能，以方便調(diào)試檢修。

在設(shè)計時應根據(jù)工藝要求和操作要求進行合理設(shè)計，具體控制系統(tǒng)的設(shè)計還需要考慮到所帶實際負荷的性質(zhì)，如是剛性還是柔性負荷，其控制方案的設(shè)計是不同的。

綜上所述，負荷分配與速度鏈控制既相互獨立又有關(guān)聯(lián)。在使用PLC控制時應注意到銜接問題。

2.4 ACS800系列變頻器用于負荷分配的控制原理

ACS800系列主從控制變頻器是為多傳動而設(shè)計，系統(tǒng)由多個ACS800驅(qū)動，其電機通過某種裝置相互耦合。可分為兩種情況討論：一是主點、從點之間通過某機械裝置的齒輪、鏈條剛性連接起來，此時主點采用速度控制，從點跟隨主點的轉(zhuǎn)矩給定，考慮安全也應帶有速度限幅；二是主點與從點之間通過毛布等連接，即形成柔性連接。此時，為使主、從點均勻的分配負荷，它們都應由同一速度給定值來控制。

紙機中多點傳動通常屬于第一種情況，即剛性連接。ACS800系列完成負荷分配的原理是：負荷分配中主點采用轉(zhuǎn)速給定，其中速度值來自于PLC通過速度鏈關(guān)系的計算值，再由PROFIBUS-DP總線的通信給定。從點由主點的轉(zhuǎn)矩輸出通過通信給定。由于主點輸出的即是其實際轉(zhuǎn)矩，所以從點的轉(zhuǎn)矩都將跟隨主點轉(zhuǎn)矩運行。這樣，主、從點之間負荷分配將一致且不存在速差，即可達到順利生產(chǎn)的目的。

負荷分配控制只要遵循上述一些原則就可完成。關(guān)于具體PLC程序的編制在此不贅述。

3 ACS800系列變頻器主從控制負荷分配的實現(xiàn)

3.1 ACS800變頻器硬件連接

以第2組負荷分配，即真空壓榨輥和真空吸移輥1為例，如圖2所示。其中SB041、SB051和SB042、SB052分別是變頻器的啟、停按鈕。為使工作可靠，變頻器中的啟動觸點(K041和K051)使用了雙觸點。為實現(xiàn)傳動點的單、聯(lián)動控制，使用了SB057。單動時主、從點變頻器單獨啟停，聯(lián)動時主點通過通信，給從點VF04的控制端子DI2啟停信號。同時，K057的斷開也切斷了從點VF04的操作回路，故此時從點操作回路將不起作用。主點的啟停則是由自己的啟停按鈕控制，K207為急停觸點，用于緊急停車。PA041等為電流表用于顯示對應電機的實際電流值。

3.2 ACS800從機監(jiān)控

當負荷分配主點因故障停機時，其對應從點的給定將為0，因此從點將自動停機；但當任一從點或全部從點因故障停機時，此時自然要求主點的變頻器也停機，否則會造成設(shè)備損壞，甚至可能造成安全事故，因此必須考慮相應的保護措施。圖2中兩個中間繼電器K042、K052則是為此目的而設(shè)計的。當從點真空吸移輥1發(fā)生故障停機時，繼電器K042得電動作，立即切斷主點上的啟動回路，使主點也停車，起到連鎖保護的目的。

3.3 ACS800系列變頻器主從通信光纖連接

將ACS800系列變頻器的主從模塊RDCO- 03(選購件)安裝于對應變頻器的RMIO控制板上，主從光纖的連接如圖3所示。有兩種連接結(jié)構(gòu)(本組負荷分配只有兩點，故只有一種連接結(jié)構(gòu))，常用的是將光纖頭插于RDCO— 03上的CH2通道(V18端子)，將“發(fā)送器”和“接收器”對接成環(huán)形結(jié)構(gòu)，另一種則是將其連接成并行結(jié)構(gòu)。圖3中變頻器從左至右分別是：控制真空吸移輥1的變頻器(負荷分配從點)，控制真空壓榨輥的變頻器(負荷分配主點)。該系統(tǒng)其他兩組負荷分配各主、從點變頻器的連接方式與圖3一致。另外，考慮到成本因素和響應速度，在這臺紙機的電控系統(tǒng)設(shè)計時將參與同一組負荷分配的變頻器安裝于同一控制柜內(nèi)。

圖3 真空壓榨輥與真空吸移輥1變頻器之間 光纖連接圖

3.4 ACS800系列變頻器參數(shù)設(shè)置

以第2組即真空吸移輥1與真空壓榨輥的負荷分配為例說明該系列變頻器的參數(shù)設(shè)置。其他兩組的設(shè)置方法相同。

主點“真空壓榨輥”變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下：第10組(外部啟停和轉(zhuǎn)向控制信號源)應為10.01項設(shè)為DI1；第12組(恒定速度選取)12.01項設(shè)為DI2；第16組(參數(shù)鎖定)16.01項設(shè)為YES；第23組(速度控制器變量)23.05項設(shè)為0；第30組(選擇可編程故障保護)30.18項設(shè)為NO；第60組(主從應用組)60.01項設(shè)為MASTER，60.02項設(shè)為TORQUE，60.03項設(shè)為NO，60.04項設(shè)為0 r/min，60.05項設(shè)為0 r/min，60.07項設(shè)為900，60.08項設(shè)為105等。

從點“真空吸移輥1”變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如下：第10組(選擇外部控制源)10.01項設(shè)為COMM.CW；10.02項設(shè)為COMM.CW；第11組(選擇給定源)11.02項設(shè)為EXT1，11.03項設(shè)為COMM.REF，11.04項設(shè)為COMM.REF；第16組(參數(shù)鎖定)16.01項設(shè)為YES；第30組(選擇可編程故障保護)30.18項設(shè)為NO；第60組(選擇主從應用)60.01項設(shè)為FOLLOWER，60.02項設(shè)為ADD，60.03項設(shè)為YES，60.04項設(shè)為30.0，60.05項設(shè)為30.0等。

ACS800系列變頻器參數(shù)的設(shè)置種類繁多，除了做好上述的參數(shù)設(shè)置外，還應正確設(shè)置其他的相關(guān)參數(shù)，變頻器才能正常工作，使負荷分配工作可靠。

4 需要注意的一些問題

在紙機傳統(tǒng)電控系統(tǒng)中，負荷分配控制設(shè)計是一個重要的技術(shù)指標，要正確應用ACS800系列變頻器實現(xiàn)主從控制還要注意以下這些問題：

(1)通過在現(xiàn)場的實際運行情況，主從控制的負荷分配控制方案應用于壓榨部時效果很理想，負荷分配均勻，精度高；但發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)部其控制效果要稍差一些。通過分析得知，造成這一現(xiàn)象的原因是壓榨部各點在運行中始終處于加壓狀態(tài)，可認為是剛性連接；而在網(wǎng)部則有所不同，此時可認為是柔性連接，當從點負載轉(zhuǎn)矩較大時，電機的轉(zhuǎn)速相對較低，反之，負載輕了電機轉(zhuǎn)速則高。由此帶來了負荷分配的誤差。

(2)組烘缸設(shè)為“父”，則其他2組負荷分配的主點“驅(qū)網(wǎng)輥”、“大缸”都成為“子”。對應的各組負荷分配的從點都為“孫”。各“子”的數(shù)據(jù)是PLC通過“父”的運行情況經(jīng)過計算給定的，各“孫”則是變頻器通過主從控制由通信給定。在設(shè)計負荷分配時首先要解決這種“父”、“子”之間的關(guān)系，其次是協(xié)調(diào)“子”、“孫”之間的關(guān)系。只有完全協(xié)調(diào)好三者之間的關(guān)系，紙機傳動中負荷分配才能順利完成。同時，需要主要的還有這種“父子”關(guān)系是可以變化和繼承的。其角色的轉(zhuǎn)換是通過程序?qū)崟r修改變頻器參數(shù)來實現(xiàn)的。

5 結(jié) 語

采用ACS800主動控制功能實現(xiàn)負載分配的控制方案在福建某紙廠的2600/350多缸紙機現(xiàn)已生產(chǎn)運行近兩年時間，效果很好，用戶比較滿意。ACS800系列變頻器的主從控制功能已在多家造紙廠的紙機負荷分配中應用，具有抗干擾性強、響應速度快、控制精度高的特點，用戶對其反響很好。由于采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，ACS800系列變頻器轉(zhuǎn)矩響應快，在拖動類似于烘缸這樣的大慣量設(shè)備時可以減少啟動時間，增加響應速度。所以現(xiàn)在該類型的變頻器越來越多地出現(xiàn)在紙機調(diào)速系統(tǒng)中。

[1] WANG Su-e, HAO Peng-fei, MENG Yan-jing. Design and Analysis of Load distribution in Driving System of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(8): 38. 王素娥， 郝鵬飛， 孟彥京. 紙機傳動系統(tǒng)負荷分配控制的分析與設(shè)計[J]. 中國造紙， 2004, 23(8)： 38.

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(責任編輯：常 青)

Application of ACS800 Inverter in Load Distribution of 2600/350 Multi-cylinder Paper Machine

MENG Yan-jing ZHANG Yan*

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The paper mainly introduced the principle and design method of load distribution in a paper machine, and discussed the problems occurred in load distribution design and its solutions. It pointed out the importance of designing the load distribution in the paper machine drive system. The application of ACS800 series DTC inverter in load distribution of the 2600/350 multi-cylinder paper machine was introduced, the communication, automatic interlock and parameters setting and other issues were also presented. The application in a mill in Fujian province proved the load distribution was ratification. Meanwhile, some issues should be paid attention to in practice were also discussed.

ACS800 series inverter; load distribution; multi-cylinder paper machine; application

孟彥京先生，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動。

2013- 08- 20(修改稿)

TS736

A

0254- 508X(2014)02- 0047- 05

*通信作者：張 焱先生，E-mail:zhangyan163.ok@163.com。