引言
随着我国经济的发展，制浆造纸业已经成为我国工业经济增长的重要支柱，早期的造纸生产产量较低，对电控没有太高要求，随着造纸规模的扩大，对造纸机的产量及速度要求越来越高，从而对纸机配套电控系统的要求也越来越高。
本文采用欧瑞E2000系列变频器和西门子S7-200 PLC组成一套文化纸机传动控制系统。通过可编程逻辑控制器（PLC）和变频器之间的RS485协议通信，控制传动点的启动、停止、增速、减速、紧纸等操作，由软件自动实现负荷分配、速度链等功能，充分满足造纸工艺及电控的需要。
2纸机对电气传动控制系统的要求
文化纸机机结构示意图如图1所示。纸机为3600/450 m/min长网多缸文化纸机，生产40~65g/m2高级文化用纸，稳态精度≤0.01%。
图1 文化纸机结构简图
为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对电气传动系统提出如下的要求：
（1）纸机工作速度要有较大的调节范围，为了使造纸机具有较强的产品、原料的适应性（如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等），纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度，调节范围为1:8；
（2）车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和和质量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度为±0.05~0.01%；
（3）速差控制，速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩，因此纸机各分部的线速度稍有差异，即速差。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说，主要影响纸页的克重。误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此，造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。
（4）各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能。具有刚性联结或软联结的传动分部，如网部、压榨部、施胶部，能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如不及时进行自动的调节（因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力），有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器和损坏毛布。同时在这些分部中，应具有单动、联动功能，并可以同时起动、停止。必要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等；
（5）爬行速度。为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况，各分部应有15~50m/min可调的爬行速度，但不宜在此速度下长时间运行；
（6）纸机为恒转矩负载性质，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，良好的通讯能力，并采用PLC作为控制单元，实现对整个控制系统的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系通正常工作的需要。
3控制系统硬件设计
系统硬件框架图如图2所示。该纸机传动系统采用由S7-226小型PLC作为系统的控制中心；由功能较强大的E2000系列变频器为驱动单元，稳速精度在0.5%以上；变频专用电机作为执行单元；由PLC通过西门子MODUBUS协议、RS485网络与变频器实现速度链功能、速差控制、负荷分配功能、总车速升、降、各分部点的速度升、降及紧纸、松纸等功能，较理想地满足纸机正常工作的需求【1】。
图2 系统硬件框架图
E2000系列变频器是欧瑞公司研制的新一代矢量控制型变频器，采用先进的矢量控制核心，丰富的系统功能，具有电压利用率高，功率因数高、动态响应速度快、精度高、噪音低等优点。该产品具有优化空间电压矢量调制方式，控制更加精准、优化磁通控制，使低频输出力矩进一步提高、输出频率0.50~650.0Hz，分辨率达到0.01Hz、可设定的V/F曲线与自定义曲线、超低噪音，载波频率可以在3K~12K可调整、控制保护及时可靠，系统稳定性高、可选内置滤波器、可兼容欧洲电平接口标准、先进的矢量控制技术，使控制更加精准，动态性能更加优异、转矩自动提升，起动转矩达到150%/0.5Hz，转矩控制精度达到±5%和输出频率0.50~650.0Hz（V/F），0.50~200.0Hz（SVC），分辨率达到0.01Hz等优良特性，具有可实现多种工控场合的可靠应用、可内置制动单元、可内置EMI滤波器、直线式、平方式及自定义折线式转矩补偿方式，可适应多种负载方式、点动调速、多段速调速、模拟量调速、上位机调速等多种调速方式、标准RS485通讯接口，可实现Modbus上位机控制，可控制多台变频器同步运行、数字量给定、模拟量给定、Modbus给定等多种组合方式调速、具有NPN型和NPN、PNP双极性两种输入方式、6个数字输入端子，每个端子可分别自定义相应的功能，2个模拟量输入端子，一个作电压输入（0~10V），另一个可选择电压信号（0~5V或0~10V）或电流信号输入（0~20mA、4~20mA）、1个数字输出端子，1个多功能继电器输出端子，2个模拟量输出端子，一个可选择电压信号（0~5V或0~10V）或电流信号输出（0~20mA），另一个作电流输出（0~20mA或4~20mA）、具有预设频率闪烁显示功能，尤其在模拟量调速时，运行前可方便的设定运行频率、电流失速防止、起动前、停机过程直流制动等诸多功能。
由于欧瑞变频器所具有的诸多功能和优良特性，完全满足于本台造纸机传动功能的需要。以本台、造纸机第二个传动点为例说明变频器具体端子功能在造纸机传动系统中的使用，如原理图3所示。
图3 系统变频器端子应用原理图
4控制系统软件设计
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；人机界面友好、方便操作。主程序的流程如图4所示。
图4 主程序流程图
4.1负荷分配设计
在纸机、印染机或其他传动系统中，只是电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同。网部真空伏辊、第一驱网辊、第一导网辊和第二驱网辊；真空吸移辊、一压下辊和真空压榨；主压上辊和主压下辊；半干压上辊和半干压下辊；这些机械上有刚性或柔性联结的传动点间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成有的传动点由于过载而过流，而有的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、及机械设备。因此这4组传动部分的各自传动点之间需要负荷分配自动控制，见图5系统速度链结构示意图虚框内的部分。
图5 系统速度链结构示意图
负荷分配工作原理：以K压三点负荷分配为例。假设P5e、P6e、P7e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P5e+P6e+P7e 。P为实际总负载功率，P5、P6、P7为电机实际负载功率，则P=P5+P6+P7。
系统工作要求 P5=P*P5e/Pe，P6=P*P6e/Pe，P7=P*P7e/Pe三个值相差≤2%。由于电机功率是一间控制接量。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公式所示：
其中：MLi 第i台电机实际输出转矩；Pei 第i台电机额定功率；M 为负荷平衡期望转矩。
PLC通过RS485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，使电机转矩百分比一致。如果负荷偏差超过某一设定值，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。
4.2速度链设计
速度链结构设计。系统速度链结构如图5示，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。由此可构成满足该机正常工作的速度链结构【2】。
速度链算法设计。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,把纸机纸机中第一驱网辊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。由PLC检测其它分部车速调节信号，通过操作屏上该部增、减按纽的操作改变其速比，则改变相应分部的车速。紧纸、松纸功能是PLC在对应的速度链上附加一正或负的偏移量来实现。
5变频器部分主要参数设置
变频器主要参数设置如下表所示，本表列出了在纸机控制系统中与控制性能相关的主要参数见表1【3】：
表1 变频器主要参数设置表
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参数代码
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参数名称
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功能说明
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设定值
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F106
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控制方式
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定义控制方式
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0 无速度传感器矢量控制
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F111
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上限频率
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设定上限频率
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50
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F112
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下限频率
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设定下限频率
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0
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F114
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加速时间
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定义电机负载加速时间
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烘缸负载为30-50s，其他负载为20s
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F115
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减速时间
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定义电机负载减速时间
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烘缸负载为30-50s，其他负载为20s
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F203
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频率设定方法
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选择频率给定方式
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10 MODUBUS通讯设定
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F300
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继电输出功能
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设置内置继电器的响应条件
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4 自由停机
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F316
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OP1端子功能设定
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设定控制端子功能
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1 运行端子
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F318
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OP3端子功能设定
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设定控制端子功能
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3 多段速端子1
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F423
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模拟量输出
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设定模拟量输出范围
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0 0-5V
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F803
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电机额定电流
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设定电机额定电流
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依据电机铭牌设定
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F810
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电机额定频率
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设定电机额定频率
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50
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F805
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电机额定转速
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设定电机额定转速
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1440
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F900，F903，F904
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通讯参数
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通讯地址
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依实际台数依次设定
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校验
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奇校验
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通讯速率
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9600
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6结束语
造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度一致性，又要有一定的速差。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡即负荷分配功能。欧瑞E2000系列频器具有很高的可靠性和和完善的功能实现，通过丰富的参数组态与PLC通过MODUBUS协议通讯、协调工作可满足中、高速造纸机对传动系统要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。
该纸机在河南一造纸厂经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。这种基于欧瑞变频器和S7-200PLC的纸机传动控制系统是可行的、合理的。