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III基于S7-200PLC文化纸机传动控制系统软件的设计摘 要本纸机变频传动控制系统是以变频器数字输入端为控制信号，PLC为运算控制中心的全数字化系统。这种系统可以工作在闭环状态，开环或闭环对系统本身来说没有直接影响。其核心是通过变频器的串行通信口将变频器和PLC组成一个网络式的控制系统。彻底地解决了速度链比例控制的协调和同步问题，负荷分配以及张力控制的问题也得到了解决。同时由于采用程序控制，因而灵活性大大增加，是最新一代纸机传动系统的标志。关键词：PLC，变频器，速度链，负荷分配，张力控制Based on the S7-200 PLC Culture Paper Machine Drive Control System Software DesignABSTRACTThis paper machine frequency conversion transmission control system use digital input signal to control frequency converter, and use PLC as the operation control centers of the fully digital system. While this system can work in a closed loop state, no matter it is open loop or not, it doesnt has any influence for the system itself. Its core is to form a network-based control system composed of frequency converter and the PLC through the serial communication port of frequency converter. Thoroughly solving the speed chain proportional control coordination and synchronization problems, load distribution and tension control problem are also solved. Using process control at the same time lead to the flexibility increase, which is the hallmark of the latest generation of paper machine drive system.KEY WORDS：PLC, frequency converter, speed chain, load distribution, tension control目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景11.2 开发意义12 系统技术控制方案32.1 系统结构概述32.2 系统各部分结构概述32.2.1 PLC概述32.2.2 变频器概述52.2.3 S7-200概述62.3 方案论证73 速度链分析83.1 速度链的定义83.2 速度链的分类83.2.1 模拟式速度链83.2.2 数字式速度链93.3 速度链设计113.3.1 设计要求113.3.2 结构设计114 负荷分配分析124.1 负荷分配问题产生的原因和影响124.2 负荷分配原理124.3 负荷分配设计方法134.3.1 直流传动负荷分配设计134.3.2 交流传动负荷分配设计174.4 纸机负荷分配设计方法184.4.1 负荷分配控制算法要求184.4.2 负荷分配控制调节要求194.4.3 负荷分配智能化设计194.4.4 负荷分配保护功能195 张力控制分析215.1 直接张力控制215.2 间接张力控制226 软件设计236.1 数据打包传送236.1.1 数据打包传送的目的236.1.2 程序语句236.1.3 程序说明236.1.4 程序流程图246.2 数据接收246.2.1 数据接收的目的246.2.2 程序语句246.2.3 程序说明256.2.4 程序流程图256.3 CRC校验266.3.1 CRC校验的原理266.3.2 程序语句276.3.3 程序说明286.3.4 程序流程图286.4 反算速比296.4.1 反算速比的原理296.4.2 程序语句296.4.3 程序说明316.4.4 程序流程图316.5 速度链计算326.5.1 速度链计算的原理326.5.2 程序语句326.5.3 程序说明346.5.4 程序流程图347 总结35致 谢37参 考 文 献3837基于S7-200PLC文化纸机传动控制系统软件的设计1 绪论造纸是我国三大产业之一，是一个国家经济发展水平的重要标志。造纸产业已经成为我国重要的产业之一。世界各国的造纸工业，尤其是中国的造纸技术，将以前所未有的速度向前发展，现在我国已成为生产和消费纸的大国,造纸设备的研发与生产也日趋国际化。过去，大型纸机传动系统都依赖于进口，由国外公司提供（如：ABB制浆造纸工程部、西门子造纸工程部等）。随着计算机技术、现场总线技术的发展，各大公司相继推出更加成熟和完善的工控产品，极大地提高控制系统软、硬件的性能，同时使得控制系统变得更加简单，可靠性大大提高，系统的复杂程度大大降低。同时国内从事纸机自动化控制的研究机构及人员不断增加，因此大型纸机传动系统将会国产化。现在国内中小企业拥有的老式直流传动控制设备为数不少，大多已进入换代周期，交流变频调速传动技术已日臻成熟，成为换代首选。国产变频器的性价比已高，质量技术指标已可与国外著名品牌相媲美，维护及技术支持方便快捷、费用低廉，越来越受到企业的青睐。在造纸机传动应用的控制领域，随着变频技术、计算机技术以及网络通讯技术的广泛应用，造纸厂的自动化程度、控制精度、控制速度、系统的稳定性和可靠性都提高到了一个新的水平。而变频传动具有维护少、可靠性高的特点，在中小纸机多而大型纸机少的情况下，变频传动在纸机市场上能占有绝对主导地位1。1.1 课题背景纸机变频传动国外始于80年代中期，国内大约在90年代初期。变频调速技术的推广应用在风机、水泵等领域取得了显著的经济效益，在某些机械行业也发挥了重要作用。造纸机是一种负载基本恒定、转速恒定的稳速系统，其最大的特点是要求速度长期稳定，同时要求动态恢复时间尽可能短。因此，纸机传动系统要求的是高稳定性和快速动态响应。进入90年代，国内一些中小纸厂对纸机变频调速由尝试到广泛应用，使得这些企业确实收到了良好的经济效益。1.2 开发意义由于中国的国情和生产技术水平决定了变频传动在中国造纸传动领域的地位，这主要有以下几个因素：(a)中国绝大多数造纸企业尚不具有造纸生产的技术密集和资金密集特点，而是劳动密集和资金密集，因而技术力量和自动化水平都不高，对设备可靠性的依赖很高，而自动化技术的应用和依赖较低。变频传动正具有维护少、可靠性高的特点。(b)中小纸机多大型纸机少，而变频传动的一次性投入比较适合于中小型纸机(幅变在4米以下，最大传动功率在200kW以下)，因此变频传动在纸机市场上能占有绝对主导地位。(c)直流传动由于历史上曾出现的故障率高、维护量大、附属设备多的特点在人们印象中尚不能抹去，因而直流传动在目前形势下无法与交流传动抗衡。(d)解释不清的能耗问题对直流传动造成了不利影响。从各纸厂应用变频的实践普遍反映比直流节能，然而从纸机恒转矩负载的运行特点上看，无法拿出确凿的证据来说明节能的理由。尽管有以上诸因素使变频传动占据了主导地位，但我们也看到由引进成套纸机和大型高速纸机组成的老牌大企业仍以直流传动为主，而国外纸机厂的设计亦是如此。这说明直流传动和交流传动在技术经济上没有明显的差距，只是各自有适合的范围和条件2。2 系统技术控制方案2.1 系统结构概述本控制系统采用交流变频传动控制，系统控制结构图如下所示。系统为两级控制方式，即变频器+PLC控制。传动系统第一级为变频器控制级，变频器采用ABB公司直接转矩控制（DTC）变频器，配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。逆变器上还配有PROFIBUS-DP通讯板，与上位PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络。传动系统第二级为PLC控制系统，PLC采用西门子公司小型S7-200。两级配合来实现纸机传动控制系统优化控制和自动控制。系统结构如图2-1所示。图2-1 系统结构图2.2 系统各部分结构概述2.2.1 PLC概述（1）基本概念PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ，PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大3。（2）鲜明特点(a)功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。(b)使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。 PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。(c)安装简单，容易维修。PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。(d)抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。(e)环境要求低。PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。(f)易学易用。PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握4。（3）适用范围目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：(a)开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(b)工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(c)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(d)数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(e)通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.2.2 变频器概述（1）基本概念变频器（Variable frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。（2）工作原理变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路通过电容滤波。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路通过电感滤波。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”；吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”；以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。整流器是将工频电源变换为直流功率。最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路主要是吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动。在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器是将直流功率变换为交流功率。同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到三相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成：(a)运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。(b)电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。(c)驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。(d)速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。(e)保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。2.2.3 S7-200概述（1）基本概念S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价比5。（2）出色表现S7-200系列出色表现在以下几个方面：(a)极高的可靠性。(b)极丰富的指令集。(c)易于掌握。(d)便捷的操作。(e)丰富的内置集成功能。(f)实时特性。(g)强劲的通讯能力。(h)丰富的扩展模块。（3）适用范围S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。2.3 方案论证本文设计的纸机变频传动控制系统是以变频器数字输入端为控制信号，PLC为运算控制中心的全数字化系统。这种系统可以工作在闭环状态，开环或闭环对系统本身来说没有直接影响。其核心是通过变频器的串行通信口将变频器和PLC组成一个网络式的控制系统。彻底地解决了速度链比例控制的协调和同步问题，同时由于采用程序控制，因而灵活性大大增加，是最新一代纸机传动系统的标志。其中PLC 和变频器是以通信方式工作，由于文中采用ABB公司的变频器，而ABB变频器采用MODBUS协议。系统的工作原理是：当操作台上某一传动点上有按钮压下时，这一信号进入变频器的数字输入端，而PLC以通信方式不断采集每台变频器的端子状态然后进行判断，如果是加按钮压下，则给相应的传动点产生加速信号，其过程是在PLC程序上产生一个速度增加量值加到相应的给定变频器单元然后再经过总线传输到变频器中去，变频器按照新的给定值输出频率改变速度值。同样对于速度链上的各点均以相应的比例系数乘以给定速度后送到变频器的给定地址中去6。3 速度链分析3.1 速度链的定义在纸机分布式传动中，由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例，且在车速调整过程中，应满足只影响本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，即为速度链。如何实现速度链是纸机传动中的一个关键性问题，设计时应考虑以下几个方面的因素：(a)精度，速度链一定要满足纸机传动中的精度。(b)稳定性，速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行。(c)操作方便，由于工厂中工人的文化程不一，因此一定要注意操作不能太复杂。(d)性价比，一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。3.2 速度链的分类一般来说速度链可分为两类：(a)摸拟式速度链：这种速度链在分布式纸机直流传动中应用较多。其车速度调整均为模拟量。优点是：a、线路简单；b、成本低。缺点是：a、操作不便，调整车速时节不易掌握调整量的大小；b、易干扰，在车间里由于各种干扰源的存在，模拟量的传送易受干扰，影响系统精度。(b)数字式速度链：其根据操作又可分为按键式，触摸屏式，根椐控制器又可分为速度链控制器式，电动电位器、PLC控制式，工业控制计算机式，但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。特别是通信技术的应用，更是降低了线路的复杂，使得系统更灵活。3.2.1 模拟式速度链（1）模拟式速度链的原理图3-1模拟式速度链原理图模拟式速度链的原理图如图3-1，图中RW1为速度总调电位器，IC1ICn为运算放大器，要说明的是，此图为考虑输出信号的极性，在实际中应加以考虑，RW2RWn为各分布传动点的速度微调电位器，U01Uon为速度给定信号接各传动点的电机驱动装置。（2）速度的调整当系统需要改变车速时，调节电位器RW1，则IC1的输出V01也随之改变，同时V01又是IC2的输入信号，V01改变则V02，同时改变这样一级一级地向后传，调节RW1，则V01Von均跟着改变，即改变了各传动点驱动器的给定信号，从而改变各传动点的速度。由于这种速度链易受干扰，如信号传输距离较远，最好把V01Von转换为电流信号。（3）速差的实现前面我们分析速度的调节在纸机传动中，各相邻两传动点的速度之比并非为1:1，因此对速度链要求不但能改变速度，而且要求能够改变速差，在模拟式速度链中，是通过调节电位器RW2RWn来调节速差的，也就是速度微调。以第二级来说Ic2的放大倍数KP2=(R22+RW2)/R21，如果R21=R22+RW2则KP2=1，V01=V02则此时第一级与第二级速度相等，调节电位器RW2，R21R22+RW2，则V01V02，此时第一级与第二级速度不等，即可实现速差控制。由于模拟式速度链存在操作不便，易受干扰等缺陷，因此现在已基本上不使用了，只有在部分小型纸机中还在应用。3.2.2 数字式速度链前面我们已讲过数字式速度链有多种形式，下面我们将分别作以介绍。（1）电动电位器型的速度链该速度链的构成如图3-2所示。它主要利用交流驱动装置本身所具有的数字频率输入功能来解决速度级联问题（如三菱变频器的遥控功能、ABB变频器的电动电位器功能）。图3-2中只画出了速度增加部分，速度减少部分与此完全相同。这种速度链的优点在于系统工作可靠，变频器的频率设定直接由数字信号设定，克服了模拟信号易受干扰的缺点。K01Kon为AC24V的继电器。也可以根据用户的要求用PLC来完成以提高系统的可靠性和简化系统结构。图3-2 速度链结构图（2）全数字速度链控制器类型的速度链全数字速度链控制器是单片机产品，是利用单片机技术开发的多传动同步控制器。利用它们来完成纸机传动速度链控制。如图3-3就是利用全数字速度链控制器级联来实现速度链。其优点在于可以实用于各种类型的变频器，实现了全数字化操作，并可以实现开闭环控制等。提高了系统的控制精度和系统的抗干扰能力。图中只给出了压光和卷取两点的应用7。图3-3 全数字控制器级联接线图（3）基于PLC、工业控制计算机通讯控制的速度链随着计算机通讯技术的发展，纸机传动控制过程中广泛采用通讯控制方式，利用RS485总线或现场总线CAN总线、PROFIBUS-DP总线与变频器通讯完成纸机传动控制。传动控制中心一般采用PLC。速度链控制由PLC内部软件来实现。软件设计可以有多种方法。下面介绍一种设计方法说明PLC速度链的软件设计8。3.3 速度链设计3.3.1 设计要求(a)精度：速度链要求有一定的精度，也就是设定运行速度的给定精度。根据纸机传动控制要求和实际经验，一般传动控制速度链精度应在0.010.04%，与纸页的伸缩率有关。(b)速度链结构：速度链结构要求可以形成分支子链，纸机速度链结构是以主链为主的多分支结构。3.3.2 结构设计速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能。首先对各传动点进行数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。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，填入位置寄存器数值。如图3-4所示。图3-4 位置寄存器示意图该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。4 负荷分配分析4.1 负荷分配问题产生的原因和影响在传动控制过程中如纸机、印染机或其他传动系统中经常遇到由几台电机同时拖动同一负载的情况。例如压榨部两辊压榨，上下传动辊都有自己的传动电机，通过加压同步运行。所以类似这样的传动只有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，否则会出现某台电机出力大，某台电机出力小的情况。对于造纸机如网部真空伏辊、驱网辊同时带一条网；压榨部真空吸移、真空压榨等复合压榨；光压上、下辊；施胶机上、下辊等都属于多电机传动。所以这些分部要求有负荷分配，它们之间要求速度同步的同时要求负载率均衡，否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸。4.2 负荷分配原理在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同，即=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各分部的速度。所以我们采用速度链主链与子链相结合的设计方法。负荷分配控制中我们选取一台电机作为本组主电机，连接在速度链上，其它电机作为子电机，形成子链控制结构。以三点负荷分配为例如图4-1所示，编号为0和4是需要负荷分配的前级和后级，负荷分配以1为主，2、3作为1的从机，处于速度链的子链上。P1e、P2e、P3e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P为实际总负载功率，P1e、P2e、P3e为电机实际负载功率，则P=P1+P2+P3。系统工作要求：P1=P*P1e/Pe，P2=P*P2e/Pe，P3=P*P3e/Pe。负荷分配的目的就是使P1、P2、P3满足上述要求。图4-1 三点负荷分配在实际控制当中，电机功率是一间接量。实际控制近似以电机定子电流代替电机功率。 ILi=Iei*ILi=1NIei （4-1）其中： ILi第I台电机出力电流；Iei第I台电机额定电流；IL负载总电流。负荷分配就是依据电机电流，利用上述原理对控制的各台电机进行调节，使电机电流百分比一样，即各电机转矩电流和额定电流比值应相等。这样完成负荷分配的自动控制。4.3 负荷分配设计方法传动系统分为两大类直流传动和交流传动，所以负荷分配设计也依据传动形式有不同的控制方法。4.3.1 直流传动负荷分配设计（1）电枢串联法这种方法通常适用于两台电动机型号规格相同而要求负荷平均分配的情况。其电气传动原理图如图4-2所示。其中1D作为主导电动机，它带有测速发电机及双闭环稳速装置，而2D作为辅助电动机与1D相串联，并共用一套可控硅整流电源。由于电枢串联，所以两台电动机的电枢电流是相同的。若两台电动机的励磁磁通也相同，则电动机1D与2D的力矩相等，即为：Md1=Cm1Id=Cm2Id=Md2 （4-2）由于：Md1+Md2=Mc （4-3）因此有：Md1=Md2=Mc2 （4-4）可以看出两台电动机的负荷力矩是相等的，并均分负载。由于1D具有稳速及调速的性能，而2D与1D是通过毛毯实现柔性连接的，因此2D也具有稳速与调速的性能。若要改变1D，2D负荷分配的比例，则改变磁场的串联电阻R即可。这种负荷分配方案的优点是：在全部调速范围内负荷分配是均匀的；它的稳速精度与单个电动机是相同的；只需要一台测速发电机和双闭环装置。其缺点是：当电动机多于两台，且容量不相等时，由于不能实现电枢串联故难以实现负荷分配。图4-2用电枢串联法实现负载均分的电气原理图（2）电枢并联法当多点传动的电动机多于两个且容量不相等时，则可以用电枢并联法来实现负荷分配。图4-3用电枢并联实现负荷分配其传动原理图见图4-3。其中1D3D均由可控硅装置KZ供电，1D3D的负荷分配借助于磁场变阻器R1R3。电动机电枢并联法的优点是适用于多台-多台电动机的负荷分配，其负荷调节是通过调磁来实现的。其缺点是在调速范围内由于电动机机械特性变化，无法保持原来的负荷分配比例。换句话说，改变速度，负荷分配要重新调整。（3）辅助电动机电流指令法为了克服电动机电枢并联法在调速范围内负荷不均，以及辅助电动机经常处于弱磁的缺点，采用电流环的方法，使辅助电动机一直处于恒流，而其磁场保持在额定状态，其电流指令值可用电位器来调节。其原理图如图4-4。图4-4中虽然只列举了两台电动机，但实际上可推广到多台电动机的情况。图4-10中主导电动机1D与普通的双闭环稳速系统相同，其中1ST为速度调节器，1LT，2LT为电流调节器，1CF，2CF为触发装置，1KZ，2KZ为可控整流，1SB，2SB为电流变换器，调节电位器W即可整定辅助电动机2D的工作电流。对于辅助电动机2D只有一个电流环，其参数选择与普通的双闭环系统相同。这种方案广泛的用于复卷机系统中。辅助电动机电流指令法的优点是：适合于多电动机的负荷分配，且负荷分配在整个调速范围内保持不变，系统稳定性也是可靠的。其缺点是需要增加一套可控硅整流装置。图4-4 辅助电动机电流指令法电气原理图（4）负荷调节器法辅助电动机电流指令法，虽然适用于多台电动机，而且负荷分配调节比较方便，但由于其没有测速机与速度调节器，所以辅助电动机稳速能力较差。它通过毛毯或钢网的柔性连接来实现与主导电机速度一致。为了进一步提高稳速精度，可以对辅助电动机采用双闭环稳速装置。由于主辅电动机均采用双闭环稳速，所以提高了控制品质。负荷分配采用负荷平衡调节器，其中1D，2D均由各自的双闭环稳速装置供电，并各自带有测速发电机。为了实现负荷平衡调节，设置了负荷调节器FT。FT的一个输入来自辅助电动机的电流指令，并经电位器1W分压。为了构成差值控制，辅助电动机的电流指令值经过反相器FX。当1D，2D的电流比值I1/I2与设定值（由1W，2W电位器分压值之比决定）不一致时，FT输出一个正比于电流差的信号，经FT放大后去调节辅助电动机的速度给定，以达到I1/I2比例恒定。图4-5 负荷调节器法电气原理图由于FT，2ST和FX所构成的负荷调节器环的作用，2ST的输出正比于主导电动机1D的电流给定值。当2D由于负荷增加而转速下降时，首先通过自身的测速反馈，使转速恢复。其次通过柔性连接使1D负荷增加，从而使2ST的输出增加来恢复原来的转速。因此它的稳速精度比不带测速机的电流指令法要高9。对于上述四种负荷分配法，可以用多点传动的适用性、稳速精度、调速协调性和所耗费用来进行比较。表4-1列举了优缺点以供综合比较。表4-1 四种负荷分配法的比较比较项目多电机适用性稳速精度调速协调性费 用串联法仅二台好好少并联法适用差差少电流指令法适用中好中等负荷调节器法适用好好稍大4.3.2 交流传动负荷分配设计交流传动采用变频调速后，交流电机没有像直流调速那样明确的电流环、速度环，又不能直接控制变频器内的电流环，所以做负荷分配较为复杂，现在常用也较为实用的方法有：（1）使用负荷分配控制器负荷分配控制器是专门用来解决变频器、直流调速装置的负荷分配问题。负荷分配控制器采样电机的输出电流，同时检测变频器或直流调速控制器的直流电压，根据负荷分配原理进行计算调节。检测直流电压用于判断电机的运行状态，即发电和电动，以便于判断电机电流是电动电流还是制动电流。负荷分配控制器的输出可以是数字量也可以是模拟量。数字量的加速、减速信号可以连接到速度链控制回路；模拟量的输出可以作为变频器的附加给定。这样就可以完成负荷分配自动控制。这种控制方法简单，价格低廉。（2）使用PLC控制负荷分配有些变频器、直流调速装置没有通讯控制功能，负荷分配只能通过端口控制。我们利用PLC作为负荷分配控制器，在PLC上扩展A/D模块，采样电机电流，依据负荷分配原理经过PLC运算处理，输出数字量的加速、减速信号连接到速度链控制回路，完成负荷分配控制功能。这种控制方法简单，系统可靠，适用性较好。（3）PLC通讯控制负荷分配上述的几种控制方法都属于模拟控制，适用于5台电机以下的负荷分配，控制精度比较低。PLC通讯控制负荷分配采用全数字化控制，PLC采样电机电流转矩，依据负荷分配控制算法精确计算，控制变频器达到负荷平衡。现在的大多数公司所生产的变频器都具有通讯功能。通过现场总线，变频器可以和工控机、PLC之间进行通讯，交换数据。解决负荷分配问题所使用的思路是通过PLC通讯，读到各传动点的转矩值，将转矩值加以比较，再通过PLC通讯调节各变频器的给定频率，加大或减小该电机的转差率，从而调整该电机的转矩。使用PLC解决负荷分配问题，其优点是：调试容易、工作可靠，但不适之处在于过于专业化，对用户技术要求较高。PLC控制负荷分配可以达到20点以上，控制精度很高，负荷分配不平衡度可以控制在3%以内。是上述其它控制所不能达到的效果。（4）使用高性能变频器的转矩控制性能现在有些公司的变频器可以采用转矩控制方式，如ABB公司的ACX600系列，西门子公司的6ES70变频器等。采用这些变频器可以利用转矩控制方式解决负荷分配的问题。选取一台变频器作为负荷分配主机，这台变频器作为主机处于速度控制模式在速度链结构上，其它从机选用转矩控制模式，将主机的转矩输出作为从机的转矩给定，这样其它从机变频器的给定信号是转矩，而非一般变频器的频率信号。从机时刻跟随主机转矩的变化，起到负荷分配控制的目的。但是这样的控制适合于文化纸机的复合压榨部，但不适合于网部、施胶机、光压等传动负荷分配。这是因为从机负载转矩较大时，电机转速低，当负载转矩较小时，电机转速高，空载时甚至达到最大频率。这种特性有些类似于直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方法。所以要求负载在运行时必须一直处于加压状态或类钢性连接。这种控制方法进度精度高，动态相应快，控制品质高，但适用范围小，对负载有一定的要求。（5）利用各公司自己的特殊软件解决负荷分配各公司相继推出多传动的解决方案，通过其变频器附加软件或控制板实现，如ABB公司的主-从应用宏软件、西门子的工艺板等。利用这些附件可以很好的解决负荷分配问题。其控制的原理与负荷分配原理不矛盾，利用它可以获得良好的动态性能和具有速度限幅保护。提高设备的运行性能和可靠性10。4.4 纸机负荷分配设计方法纸机传动系统负荷分配要求速度稳定，分配平衡。纸机负载多变，传动情况复杂，所以要求负荷分配稳定有效，能够随时适应负载变化，所以负荷分配设计时应考虑以下问题。4.4.1 负荷分配控制算法要求负荷分配一般要求采样各分部电机的转矩，简单的负荷分配算法要求简单，可以进行简化处理，主机与从机比较就可以进行调节，这种算法适合于传动点数在4点以下的负荷分配控制传动中。对于传动点数多的负荷分配必须依据负荷分配平均算法进行，这样计算出系统总负荷转矩，根据系统总负荷转矩可以计算出负载平衡时的期望值转矩。计算平均负荷转矩方法如下列公式所示：M=i=1NPei*MLii=1NPei （4-5）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为负荷平衡转矩。负荷分配控制器根据品平均期望转矩M和自己实际转矩MLi比较进行调节。纸机负载随时波动，所以计算出的平均期望转矩M也根据实际负载变化，所以这种控制算法可以准确计算出总负荷和每台电机应该输出转矩，为准确控制提供了方便。4.4.2 负荷分配控制调节要求纸机对传动系统要求快、准、稳，所以负荷分配控制也要求快速稳定无震荡。负荷分配控制器根据品平均期望转矩M和自己实际转矩MLi比较，得到偏差，应该根据偏差信号的大小进行PID控制算法调节。对于简单负荷分配系统，传动点数在45点以下，可以采用简单调整，对于传动点数多的系统必须采用PID调节，也就是说每一个从机都得采用PID算法调节，否则会引起系统震荡。4.4.3 负荷分配智能化设计在实际的生产过程中可能随时加压或卸压，所以要求负荷分配能够跟随负载情况随时变更，通过PLC的数字端子控制可以变更控制方式和算法。也就是说负荷分配设计要能够满足工艺控制变更要求。4.4.4 负荷分配保护功能负荷分配应该有速度限幅保护，以防止起动中速差太大对设备有损害；而且有的传动点会出现打滑现象，采用速度限幅保护可以有效抑制。负荷分配控制点应该设有单动/联动功能，在调试检修过程中可能需要单独起动其中一台电机，在正常运行中需要同时起动、同时停止。所以在单动状态时各负荷分配控制点可以单独调速、单独操作，在联动时同时起动、同时停止，连动调速。负荷分配设计应该根据工艺传动要求和工艺操作要求进行合理设计，具体控制设计得根据实际得负载性质进行设计。负荷分配与速度链控制既独立又有关联，所以使用PLC控制时注意负荷分配与速度链的衔接问题。负荷分配控制只要使用上述算法和控制就可以完成，关于编程方面本书不作详细介绍，下面我们以一台板纸机网部负荷分配设计简单说明智能化设计的重要性。如图4-6所示为一台3400涂布白板纸机网部结构示意图，网部采用超成型器配7个流浆箱短长网结构，7个成型器采用7台22KW电机传动，后续预压、一压两道压榨上下辊都带传动，其中预压上下辊采用两台55KW电机传动，一压上下辊采用两台75KW电机传动，总共11个传动点带动一条长网。所以这11个传动点要求有负荷分配。图4-6 3400涂布白板纸机网部结构示意图在正常生产过程中，预压和一压处于加压状态，所以负荷分配为网部11点之间进行。在爬行和引纸初期，预压和一压的工作状态不定，有可能处于加压状态也有可能处于抬辊状态，所以负荷分配无法按照正常生产状态进行。因此我们根据预压和一压的工作状态把网部工作状态分为4种，如表4-2所示。表4-2 负荷分配状态表状态状态1状态2状态3状态4生产过程预压抬辊一压抬辊预压加压一压抬辊预压抬辊一压加压预压加压一压加压负荷分配点数79911显然在状态1时预压和一压处于抬辊状态，对长网的负荷没有影响，所以此时主要是7个成型器的负荷分配。在状态2时预压处于加压和一压处于抬辊状态，一压对长网的负荷没有影响，预压与长网加压连接，所以此时主要是7个成型器和预压2个传动共9个点的负荷分配。在状态3时预压处于抬辊和一压处于加压状态，预压对长网的负荷没有影响，一压与长网加压连接，所以此时主要是7个成型器和一压2个传动共9个点的负荷分配。在状态4时预压和一压处于加压状态与长网加压连接，所以此时所有11个传动点都要求参与负荷分配控制。所以我们要求在预压和一压加压回路加装压力开关，加压时压力开关闭合，输出信号给PLC，PLC程序设计针对上述4种工作状态分别设计，通过加压信号进行切换，完成在不同的工作状态的负荷分配任务11。5 张力控制分析造纸机通常会有机内施胶或机内涂布，这时纸机的烘缸部将被分为两部分：即施胶或涂布前为预烘缸部，施胶或涂布后为后烘缸部。纸幅通过预烘缸部以后纸页的含水量已经接近成纸的含水量，以便顺利的进行施胶或涂布。这种干度的纸页伸缩率已经很小，（即失去了湿纸页具有较大弹性的特征）在这种情况下，预烘缸的最后一组烘缸与施胶机,或与涂布机之间的速差一旦出现微小的偏差，将会引起纸幅张力的较大变化，极容易产生断头现象。在后烘缸与压光机之间的纸幅也存在同样的现象。在大型、高速造纸机中，每次断头所造成的损失是巨大的，一般都是毫无例外的在预烘缸部的最后一只缸和后烘缸部的最后一只缸的导纸辊上安装有纸幅张力传感器用于对施胶机或对压光机进行直接张力控制。操作过程是这样进行的：引纸时人工切除张力控制，使施胶机、压光机为速度控制；引纸过程结束以后人工投入张力控制，以便自动保持张力恒定。对低速、小型纸机中，由于安装纸幅张力传感器投资很大，而且由断头造成的损失有限，很少采用直接张力控制方式。必要是只是将施胶机、压光机传动点的机械特性变软些，用电气上的弹性对纸页的弹性进行补偿，即所谓间接张力控制，一般都能取得较满意的效果。5.1 直接张力控制图5-1 直接张力控制原理图图5-1中张力调节器既可采用模拟放大器，也可采用PLC实现PI调节器的功能。引纸时人工将DW2调节到最右端，既切除张力控制，这时系统呈纯速度控制。引纸结束以后人工将DW2调节到最左端，即张力控制投入，调节DW1可改变纸幅张力，一旦调节到满意的张力情况，以后可以保持不动。下次引纸时只需调节DW2。5.2 间接张力控制由于纸幅干度的提高，因而使纸幅弹性减小，如果将电气传动机械特性变软一些，将可以用电气上的弹性对纸幅的弹性进行补偿。变频器获得软机械特性的方法有两个：(a)滑差补偿调节成负补偿；(b)调节开环基准频率，相当于调低交流电压。6 软件设计6.1 数据打包传送6.1.1 数据打包传送的目的该程序的主要目的是将数据打包存入到指定存放区，并将其发送出去。6.1.2 程序语句LD M0.0ITB VW380, VB151MOVW VW380, VW338MUL +2, VD336MOVD VD336, VD332+D VD404, VD332MOVW *VD332, VW152LD M0.0MOVD VD336, VD332+D VD408, VD332MOVW *VD332, VW154LD M0.0MOVD VD336, VD332+D VD412, VD332MOVW *VD332, VW156LD M0.0MOVD VD336, VD332+D VD420, VD332MOVW *VD332, VW1586.1.3 程序说明首先，定义发送数据为8位字节，然后将VW380乘以2送入VD336作为变量，VD336加上偏移量VD404之后将数值存放进VW152；VD336加上偏移量VD408之后将数值存放进VW154；VD336加上偏移量VD412之后将数值存放进VW156; VD336加上偏移量VD420之后将数值存放进VW15812。程序流程图如图6-1所示。6.1.4 程序流程图图6-1 数据打包传送程序流程图6.2 数据接收6.2.1 数据接收的目的数据接收程序的目的是将打包发送过来的程序从地