ACS800在2600/350多缸纸机负荷分配中的应用与研究

孟彦京 张 焱

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安，710021)

·负荷分配·

ACS800在2600/350多缸纸机负荷分配中的应用与研究

孟彦京 张 焱*

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安，710021)

介绍了纸机中负荷分配的原理以及设计方法，讨论了设计负荷分配时可能遇到的问题和解决方法，提出了在纸机传动控制系统中负荷分配设计的重要性。介绍了ACS800系列直接转矩控制变频器在2600/350多缸纸机负荷分配方面的重要应用，讨论了通信、连锁、参数设置及实际使用中的一些注意事项。

ACS800系列变频器；负荷分配；多缸纸机；应用

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

1 2600/350多缸纸机负荷分配方案的选择

2600/350多缸纸机的主传动参数如表1所示。

该纸机主传动采用ABB公司的直接转矩控制变频器ACS800系列，PLC采用了西门子的S7-313-2DP，光电编码器数字反馈闭环控制，编码器采用欧姆龙的E6B2-CWZ6C/500P。

交流变频传动控制的纸机，其负荷分配方案常采用PLC通过通信控制来实现。PLC是基于现场总线的技术，将读取的各传动点的实际转矩通过通信进入CPU，与理论计算值比较，用转矩差值控制对应点的电机转差率，使转差率增大或减小，从而调整该点的实际输出转矩以达到负荷平衡。这种方法的优点是：调试容易、工作可靠、控制精度高(3%以内)，可控点数多(20点以上)，因此得到了广泛使用。但是随着传动点数的增多，势必将增加CPU程序扫描时间，使执行周期加长，动态响应变慢。所以在纸机传动上的应用受到了限制[1]。

在选用变频器时，考虑到纸机传动点数多，负荷分配组数多的特点，若采用上述方案虽然可节省一定投资，但会造成程序扫描周期加长、系统动态响应变慢等问题，这对控制不利。故应选用ACS800系列变频器来实现负荷分配。其优点在于：在整机运行时，5个从点控制由其对应的主点通过ACS800主从控制完成。程序无需采样和计算分配各点转矩，可比原来节省时间，同时省去相应的通信发送，通信程序块简单化，执行周期可比原来节省近1/2的时间。因此，增加一些投资以换取整机控制效果的提高也是值得的，后来在实际运行中也证明了这一点。

表1 2600/350多缸纸机的主传动参数表

2600/350多缸纸机共有3组负荷分配(见表1)，采用ACS800系列的主从控制功能来实现。主从之间通过光纤通信用于纸机的负荷分配控制，速率高、控制精度高、动态响应快、抗干扰能力强、性能稳定，可取得很好的控制效果。

2 ACS800变频器的主从控制用于负荷分配的控制原理

2.1 负荷分配的控制原理

负荷分配控制中选取一台电机作为本组的主点，连接在速度链上，其他电机则作为本组从点，连接在子速度链上。这里举一个两点负荷分配的例子，如图1所示，变频器1和变频器4是负荷分配组的前级和后级。变频器2则是负荷分配组的主点，变频器3作为其从点，位于子速度链上。这两台电机的额定功率依次为P1N、P2N，额定总功率为Pe，显然有Pe=P1N+P2N。实际总功率为P，两电机的实际输出功率则分别为P1、P2，则有P=P1+P2。

根据上述原理，设计应满足式(1)。

图1 负荷分配原理图

(1)

在实际控制中，电机功率是一个间接量，不易直接测量。因此，以电机的实际输出转矩来反映电机的功率。而电机的实际转矩由电流决定，故通过控制电机电流起到控制电机功率的作用，如式(2)所示。

(2)

其中：ILi—第i台电机的实际电流；Iei—第i台电机的额定电流；IL—总负载电流。

负荷分配就是根据电机电流，利用上述原理对各台电机进行调节，使各电机实际电流和额定电流比值相等，这样即完成了负荷分配的自动控制。

2.2 直接转矩控制技术以及ACS800系列变频器

直接转矩控制技术实质是基于定子两相静止参考坐标系，以定子磁场定向，一方面维持转矩在给定值附近，另一方面维持定子磁链沿着事先设定好的轨迹运动，对于交流电机的电磁转矩和定子磁链直接进行闭环控制。该项技术具有控制方式简单、手段直接、物理概念明确的优点。ACS800系列变频器即是ABB公司采用了此技术研发出的一类变频器，具有转矩响应快、超调小、接口技术通用、使用和维修方便的优点。

2.3 纸机负荷分配设计时的注意事项

纸机传动系统由于负载多变、情况复杂的特殊性，在负荷分配时要求速度稳定、分配平衡，需要考虑以下问题。

2.3.1 负荷分配控制算法分析

如前所述，负荷分配要求采样各分部电机的转矩，简单的负荷分配算法简单，主点与从点比较就可进行调节。这种算法适用于传动点数较少，一般在4点以下的控制系统中。

对于传动点数多的系统，此时就需要根据负荷分配平均算法进行。首先求出系统总负荷转矩，根据系统总负荷转矩即可求出理想平均转矩，如公式(3)所示。

(3)

其中：M—所加负荷的平均转矩；Mli—第i台电机的实际输出转矩；Pei—第i台电机的额定功率；Pi—第i台电机的实际输出功率。

当纸机负载随时波动时，计算出来的平均理想转矩M也实时变化。

2.3.2 负荷分配控制的调节要求

与所有控制系统一样，纸机传动系统也要求稳、快、准。其中的负荷分配控制也要求稳定、快速、无振荡。此时，负荷分配控制器可采用PID控制算法。

2.3.3 负荷分配控制方式多样化设计

在纸机实际生产过程中可能随时出现负载加压或卸压的情况，所以要求负荷分配控制方式也要随之变化。此时，可通过PLC的数字端子控制，就可切换不同的控制方式。

图2 压榨部负荷分配变频器连接图

2.3.4 负荷分配控制中的保护功能设计

在负荷分配设计中，还应考虑到速度限幅的问题。即从点应设计为带有速度限幅的转矩控制，防止可能出现主从点之间的速差过大，或者出现打滑现象对设备造成损害。

负荷分配点在设计时还应考虑到单、联动功能，以方便调试检修。

在设计时应根据工艺要求和操作要求进行合理设计，具体控制系统的设计还需要考虑到所带实际负荷的性质，如是刚性还是柔性负荷，其控制方案的设计是不同的。

综上所述，负荷分配与速度链控制既相互独立又有关联。在使用PLC控制时应注意到衔接问题。

2.4 ACS800系列变频器用于负荷分配的控制原理

ACS800系列主从控制变频器是为多传动而设计，系统由多个ACS800驱动，其电机通过某种装置相互耦合。可分为两种情况讨论：一是主点、从点之间通过某机械装置的齿轮、链条刚性连接起来，此时主点采用速度控制，从点跟随主点的转矩给定，考虑安全也应带有速度限幅；二是主点与从点之间通过毛布等连接，即形成柔性连接。此时，为使主、从点均匀的分配负荷，它们都应由同一速度给定值来控制。

纸机中多点传动通常属于第一种情况，即刚性连接。ACS800系列完成负荷分配的原理是：负荷分配中主点采用转速给定，其中速度值来自于PLC通过速度链关系的计算值，再由PROFIBUS-DP总线的通信给定。从点由主点的转矩输出通过通信给定。由于主点输出的即是其实际转矩，所以从点的转矩都将跟随主点转矩运行。这样，主、从点之间负荷分配将一致且不存在速差，即可达到顺利生产的目的。

负荷分配控制只要遵循上述一些原则就可完成。关于具体PLC程序的编制在此不赘述。

3 ACS800系列变频器主从控制负荷分配的实现

3.1 ACS800变频器硬件连接

以第2组负荷分配，即真空压榨辊和真空吸移辊1为例，如图2所示。其中SB041、SB051和SB042、SB052分别是变频器的启、停按钮。为使工作可靠，变频器中的启动触点(K041和K051)使用了双触点。为实现传动点的单、联动控制，使用了SB057。单动时主、从点变频器单独启停，联动时主点通过通信，给从点VF04的控制端子DI2启停信号。同时，K057的断开也切断了从点VF04的操作回路，故此时从点操作回路将不起作用。主点的启停则是由自己的启停按钮控制，K207为急停触点，用于紧急停车。PA041等为电流表用于显示对应电机的实际电流值。

3.2 ACS800从机监控

当负荷分配主点因故障停机时，其对应从点的给定将为0，因此从点将自动停机；但当任一从点或全部从点因故障停机时，此时自然要求主点的变频器也停机，否则会造成设备损坏，甚至可能造成安全事故，因此必须考虑相应的保护措施。图2中两个中间继电器K042、K052则是为此目的而设计的。当从点真空吸移辊1发生故障停机时，继电器K042得电动作，立即切断主点上的启动回路，使主点也停车，起到连锁保护的目的。

3.3 ACS800系列变频器主从通信光纤连接

将ACS800系列变频器的主从模块RDCO- 03(选购件)安装于对应变频器的RMIO控制板上，主从光纤的连接如图3所示。有两种连接结构(本组负荷分配只有两点，故只有一种连接结构)，常用的是将光纤头插于RDCO— 03上的CH2通道(V18端子)，将“发送器”和“接收器”对接成环形结构，另一种则是将其连接成并行结构。图3中变频器从左至右分别是：控制真空吸移辊1的变频器(负荷分配从点)，控制真空压榨辊的变频器(负荷分配主点)。该系统其他两组负荷分配各主、从点变频器的连接方式与图3一致。另外，考虑到成本因素和响应速度，在这台纸机的电控系统设计时将参与同一组负荷分配的变频器安装于同一控制柜内。

图3 真空压榨辊与真空吸移辊1变频器之间 光纤连接图

3.4 ACS800系列变频器参数设置

以第2组即真空吸移辊1与真空压榨辊的负荷分配为例说明该系列变频器的参数设置。其他两组的设置方法相同。

主点“真空压榨辊”变频器的主要参数设置如下：第10组(外部启停和转向控制信号源)应为10.01项设为DI1；第12组(恒定速度选取)12.01项设为DI2；第16组(参数锁定)16.01项设为YES；第23组(速度控制器变量)23.05项设为0；第30组(选择可编程故障保护)30.18项设为NO；第60组(主从应用组)60.01项设为MASTER，60.02项设为TORQUE，60.03项设为NO，60.04项设为0 r/min，60.05项设为0 r/min，60.07项设为900，60.08项设为105等。

从点“真空吸移辊1”变频器的主要参数设置如下：第10组(选择外部控制源)10.01项设为COMM.CW；10.02项设为COMM.CW；第11组(选择给定源)11.02项设为EXT1，11.03项设为COMM.REF，11.04项设为COMM.REF；第16组(参数锁定)16.01项设为YES；第30组(选择可编程故障保护)30.18项设为NO；第60组(选择主从应用)60.01项设为FOLLOWER，60.02项设为ADD，60.03项设为YES，60.04项设为30.0，60.05项设为30.0等。

ACS800系列变频器参数的设置种类繁多，除了做好上述的参数设置外，还应正确设置其他的相关参数，变频器才能正常工作，使负荷分配工作可靠。

4 需要注意的一些问题

在纸机传统电控系统中，负荷分配控制设计是一个重要的技术指标，要正确应用ACS800系列变频器实现主从控制还要注意以下这些问题：

(1)通过在现场的实际运行情况，主从控制的负荷分配控制方案应用于压榨部时效果很理想，负荷分配均匀，精度高；但发现在网部其控制效果要稍差一些。通过分析得知，造成这一现象的原因是压榨部各点在运行中始终处于加压状态，可认为是刚性连接；而在网部则有所不同，此时可认为是柔性连接，当从点负载转矩较大时，电机的转速相对较低，反之，负载轻了电机转速则高。由此带来了负荷分配的误差。

(2)组烘缸设为“父”，则其他2组负荷分配的主点“驱网辊”、“大缸”都成为“子”。对应的各组负荷分配的从点都为“孙”。各“子”的数据是PLC通过“父”的运行情况经过计算给定的，各“孙”则是变频器通过主从控制由通信给定。在设计负荷分配时首先要解决这种“父”、“子”之间的关系，其次是协调“子”、“孙”之间的关系。只有完全协调好三者之间的关系，纸机传动中负荷分配才能顺利完成。同时，需要主要的还有这种“父子”关系是可以变化和继承的。其角色的转换是通过程序实时修改变频器参数来实现的。

5 结 语

采用ACS800主动控制功能实现负载分配的控制方案在福建某纸厂的2600/350多缸纸机现已生产运行近两年时间，效果很好，用户比较满意。ACS800系列变频器的主从控制功能已在多家造纸厂的纸机负荷分配中应用，具有抗干扰性强、响应速度快、控制精度高的特点，用户对其反响很好。由于采用直接转矩控制技术，ACS800系列变频器转矩响应快，在拖动类似于烘缸这样的大惯量设备时可以减少启动时间，增加响应速度。所以现在该类型的变频器越来越多地出现在纸机调速系统中。

[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， 郝鹏飞， 孟彦京. 纸机传动系统负荷分配控制的分析与设计[J]. 中国造纸， 2004, 23(8)： 38.

[2] MENG Yan-jing. Principles and design of variable-frequency drive of paper machine[M]. Xi’an: Shaanxi People’s Publishing House, 2002. 孟彦京. 造纸机变频传动原理与设计[M]. 西安： 陕西人民出版社， 2002.

[3] YUAN Deng-ke, TAO Sheng-gui. Direct torque control(DTC) technical overview[J]. Frequency Converter World, 2009 (12): 16. 袁登科， 陶生桂. 直接转矩控制(DTC)技术概述[J]. 变频器世界， 2009(12)： 16.

(责任编辑：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

孟彦京先生，教授；主要研究方向：电力电子与电力传动。

2013- 08- 20(修改稿)

TS736

A

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

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