基于ABB变频器的造纸机传动系统设计

摘要:介绍了应用ABB ACS800 变频器设计的造纸机电气传动控制系统。通过对硬件、软件的设计———负荷分配、速度链设计等问题进行较为详细地描述，较好地实现了系统控制要求。这种基于PLC和变频器的全数字控制系统适用高速纸机的高速度、高可靠性控制性能的需要。
关键词:造纸机；变频器；速度链；负荷分配
   0 引言
       应用ABB变频器和西门子PLC所组成的装置来组成造纸机的电气控制系统；其电气传动控制系统是基于S7-200 PLC控制的交流变频调速控制系统。
   1 纸机对电气传动控制系统的要求
   该造纸机主要的技术数据如下。
   纸种：文化纸定量52～80g/m2；
最高车速：350m/min
爬行速度：<40m/min可调；
升减速时间：0.1～1000s可调；
工作电压：额定电压的±10%；
电源频率：50Hz±5%；
静态精度：≤0.1%；
频率漂移：≤0.1%；
频率分辨率：0.01Hz；
频率控制：0～50Hz；
起动转矩：额定转矩的200%；
左、右手机：右手机。
       该纸机的18个传动点，分别由18台交流电机单独拖动，每台交流电动机由ABB 全数字变频调速装置驱动，闭环控制。系统的控制采用PLC 作为控制核心，由PLC 对操作台上每一传动点的操作信号进行处理（每个传动点在操作台上都设有：速度增加、速度减少、紧纸、爬行/运行等操作按钮），并把相应的速度信号以通信的方式传送给变频器。同时，还对伏辊、驱网、吸移、真空压榨、一压、二压分别进行负荷分配控制。另外，在操作台上还显示每一传动点的车速及工作电流，并具有运行、故障指示。
      纸机正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点：
   1）纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度±（0.02～0.01）%，动态精度0.1%～0.05%；
   2）工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为I=1：10之间；
   3）各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产出良好的纸页和延长纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为±（8～10）%；
   4）爬行速度。为了方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯以及检查各分部的运行情况，各分部应具有15～30m/min可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无效的运行和机械磨损；
   5）具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系的基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压；
   6）各分部具有微升、微降功能，应具有必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能。
   2 纸机电气传动控制系统的设计
   2.1 系统硬件选择与设计
       硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响应时间、高性价比、高可靠性的原则，选用SIEMENS
       S7-200 PLC 及CP 226通信处理器，作为系统主控单元，控制整个系统。
   2.1.1 变频器
       变频器选用ABB 公司的ACS800 系列高性能变频器，ACS800变频器采用先进的DTC控制技术，内置直流电抗器，从而降低进线电源的高次谐波含量，最大起动转矩可达200%的电机额定转矩；ACS800 的动态转速误差，闭环时为0.05%，静态精度为0.01%。动态转矩的阶跃响应时间，闭环时达到1～5ms。可较理想地满足该机的高传动性能的需要。
   2.1.2反馈与速度控制
       系统为了降低成本，选择了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不带速度反馈接口，为了实现速度闭环控制，需另外加反馈装置。本系统选用了由陕西科技大学自行设计的脉冲频率电流变换单元，它能把测速脉冲转换为电流信号输入到变频器中去，利用变频器内部的过程控制软件实现速度变换控制。
       这种方法的缺点是对于大惯性负载，如烘缸的负载扰动超调量和动态恢复时间较长。对调整带来一定的不便，在使用中还要保持一定的工艺条件稳定。如果工艺变化频繁或波动较大时，应转入开环控制。
   2.1.3继电控制
       起／停和爬行／运行控制不进PLC，一方面节省I/O接口，另外也是工艺上适应的一种设计。不论纸机大小，都要求每一传动点能独立起/ 停和爬行/ 运行操作。所以，如果进入PLC 进行连动设计，看起来自动化程度高了，但实际不实用。因为在全线开机前为了保证安全和设备的试运转，一般都采用单机起动或停止操作，这样有利于发现故障和减少事故。故障保护及指示回路同样采用继电回路设计。
   2.2 系统的软件设计与功能实现
       程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有必要的保护功能和一定的智能性。主程序的流程如图4示。
   2.2.1速度链设计
   1） 速度链结构设计
       速度链结构采用二叉树数据结构算法，先对各传动点进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器设定的地址一致。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器相应的数值。由此可构成能满足该机正常工作需要的速度链结构。
   2） 算法设计
       速度链的设计采用了调节变比的控制方法实现速度链功能，把压榨作为速度链中的主节点。该点速度即纸机的工作车速，调节其速度即调节整机车速。其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。由PLC 检测其它分部车速调节信号，通过进行该部增、减按纽的操作改变其速比，从而改变相应分部的车速。
   2.2.2 负荷分配设计
       该纸机传动结构上有柔性联结的传动点，烘缸部和压榨部之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成一个传动点由于过载而过流，而另一传动点则由于被带动而过压，影响正常抄纸，甚至可能撕坏毛布，损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。
       负荷分配工作原理：假设P1e、P2e为两台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e。P为实际总负载功率，P1、P2为电机实际负载功率，则P=P1+P2。系统工作要求P1=P×P1e/Pe，P2=P×P2e/Pe，两个值相差≤3%。
      由于电机功率是个间接量控制。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。
       PLC 采样各分部电机的转矩，计算每一组的总负荷转矩，根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下式（1）所示：
       M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2　　　　（1）
   其中ML1、ML2是压榨、烘缺电机实际输出转矩；
P1e、P2e是压榨、烘缸台电机额定功率；
M为负荷平均期望转矩。
       PLC 通过Modbus 总线得到电机转矩，利用上述原理再施以PID算法，调节变频器的输出，使两电机转矩百分比一致、即完成负荷自动分配的目标。
       设置最大限幅值，如果负荷偏差超过该设定值，要停机处理，以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构，使负荷分配的传动点组处于子链结构上，该部负荷调整时，不影响其它的传动点，因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。
   2.3辅助控制的机、电、液一体化设计
       辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作，以保证系统正常运行和设备安全。
   
3 系统调试
       本系统的调试分为三部分。一个是继电回路调试，另外是软件调试、负荷分配调试及速度测试等。以下简要介绍后两个问题的调试方法。
   3.1 软件调试
       软件调试第一步，验证PLC 动作是否正常，可以在连通整个系统的情况下观察变频器的显示频率进行验证。如在I/O 端口上加上开关信号，观察应当动作的变频器单元，看是否按要求对频率进行了调整。第二步，试验负荷分配的动作，方向是否与设计一致。可以在端子上加信号使电流增加或减少，如果按计算，相应的传动点频率变化则表示正常。最后检查通讯的可靠性，可以从变频器上读出通讯的错误率代码，做必要的线路处理。
   3.2系统动作时间测试
       将系统的第一级、中间一级和最后一级接上速度表，然后以各点的加/减速按钮来检查频率变化情况。当按下按钮后应没有明显的滞后感,否则应检查程序和硬件线路，如前面所提到的，采用I/O 端扫描，其速度反应在最坏情况下应在数百ms 以内，否则会感到操作不方便。
   4 结语
       该纸机在山东一造纸厂经过近一年多的实际纸机运行验证，系统的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、纸页质量、系统稳定性、可靠性等指标都得到了用户的肯定。实践表明，这种基于ABB变频器和S7-200PLC 的纸机传动控制系统是可行的、合理的。
   作者简介
       陈景文（1978-），男，助教，在读研究生。研究方向：交直流电气传动的控制理论与应用。