变频传动纸机的系统设计和应用实例

第四章 变频传动纸机的系统设计和应用实例4、1速度链的设计与工作原理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。（1）、精度，速度链一定要满足纸机传动中的精度。（2）、稳定性、速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行。（3）、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。（4）、性价比，一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。2、速度链的分类一般来说速度链可分为两类：（1）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。（2）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、速度链设计要求（1）、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0.01.04%，与纸页的伸缩率有关。（）、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。4.模拟式速度链1、模拟式速度链的原理 图4-1模拟式速度链的原理图如图4-1，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，U01U0n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的向后传，调节RW1则V01V0n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V01V0n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。4.2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4-2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4-2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 图4-2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。K01K0n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。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计算机产品，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4-3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。图4-3、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。1、速度链结构设计： 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，填位置寄存器数值。如图4-4所示。 图4-4 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。2、 算法设计算法设计采用了调节变比的控制方法。如图4-5所示，纸机第一分部点作为速度链中的主节点，即它的速度就是整个纸机的工作车速，则其速度调节就调节了整个纸机车速。在 PLC内，我们检测到车速调节信号则改变车速单元值，1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值，将其送第一台变频器执行，并送给第二台计算。第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1/a则为第二台变频器的运行值。若第二分部速度不满足运行要求，说明第二分部变比不合适，可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调节b1即调整了变比，使其适应生产要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任 图4-5意无级调速。若正常生产中变比合适，某种原因需要用紧纸、松纸时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。图中2点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值，将它送给第二台变频器执行，同时送下一级计算。依此类推，构成速度链控制系统。这种速度链的设计不仅只是为实现纸机传动控制要求，而且为后续的计算机优化控制提供了可能。在PLC内部有非常精确的传动变比，我们设计为精度为0.001%，通过设定参数可以做到更高。这样有精确的传动变比上位计算机可以精确地记忆纸机传动过程参数，当需要更换品种或车速时，上位计算机可以准确地将纸机运行参数传入到PLC，由PLC执行，将纸机调整到当前工作状态。4.2造纸机电气传动中的张力控制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。4.2.1直接张力控制 图4- 6 直接张力控制原理图图4-6 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即可。4.2.2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：1、 滑差补偿调节成负补偿。2、 调节开环基准频率，相当于调低交流电压。4.3 负荷分配控制的原理与实现4.3.1、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。4.3.2、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4-7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，P1、P2、P3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。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。 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。 图4-74.3.3、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。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4-8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，所以二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：Md1Cm1Id Cm2IdMd2 由于 Md1 + Md2Mc因此有 Md1 Md2=Mc2 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4.8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4-9用电枢并联实现负荷分配其传动原理图见图4-9。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。（）、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4-10。图4-10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D与普通的双闭环稳速系统相同，其中ST为速度调节器，LT，LT为电流调节器，CF，2CF为触发装置，KZ，KZ为可控整流，SB，SB为电流变换器，调节电位器即可整定辅助电动机的工作电流。对于辅助电动机只有一个电流环，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，且负荷分配值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4-10辅助电动机电流指令法电气原理图（）、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，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D，D的电流比值I1I2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I1I2比例恒定。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。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。 图4-11表4-1四种负荷分配法的比较比较项目方法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，交流电机没有象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，不适合于网部、施胶机、光压等传动负荷分配。这是因为从机当负载转矩较大时，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。4.3.4、纸机负荷分配设计方法和特殊问题分析：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。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。 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。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4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。3、负荷分配智能化设计在实际得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得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、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得衔接问题。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4-12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4-12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状态1状态2状态3状态4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。纸机负载多变，传动情况复杂，不同部位都有特殊的控制要求，如造纸机长网部和压榨部。1、网部负荷分配长网造纸机的网部传动点依据纸机的大小不同而配置不同，中大型纸机网部采用多电机传动，主传动点有真空伏辊、驱网辊，有些纸机还有导网辊传动。网部负荷变化比较剧烈，所以网部负荷分配控制比较复杂。网部真空伏辊包角比较小，在没有开真空度时与网摩擦力较小，而且上浆后真空度的变化引起负荷的变化，会造成打滑现象。当网较为松弛时，负荷分配调节有可能造成驱网辊打滑。所以网部负荷分配应充分考虑到这几种工作状态，必须设置负荷不平衡度限制和速度限幅保护功能。有导网辊的纸机由于导网辊传动功率在网部所占比例非常小，不让其参与负荷分配运算，只能把其当作从机，利用软特性和负荷分配调节配合完成负荷分配功能。2、薄页纸机加压顺序控制和负荷分配薄页纸机光压、施胶机上下辊一般都有传动电机，所以传动控制要求有负荷分配。在加压设计上为了保证平衡加压，一般要求有加压顺序控制，所以要求在负荷分配的同时设计加压顺序控制。4.4、纸机专用控制器及显示仪表4.4.1 多分部纸机传动控制器近年来，随着电子技术的不断发展，调速技术特别是交流调速技术在迅猛发展，其不断成熟、完善，性能越来越高，应用也越来越广泛。在造纸行业中，变频调速取得了很大的发展。但是，市场上变频器、直流调速控制器品牌众多，在同一厂家也是多种品牌共存使用，因此备品备件种类众多。在传动系统中变频器不同品牌之间能否替代成为众多厂家关注的问题。同时传统的方式是采用集成运算放大器构成模拟式速度链或伺服电动机联动速度链，其在运行时存在漂移、操作不便等缺陷。智能式纸机多分部传动控制器是一种具有全数字化操作，并具有数字闭环功能。多分部纸机传动控制器用于各种类型的分部直流、交流变频传动速度同步控制系统中，自身实现闭环功能。解决了通用型变频器、直流调速器构成反馈闭环系统时需增加硬件，不同通用型变频器、直流调速器反馈元件不同，不能应用于同一控制系统中的矛盾。不受变频器品牌和产地的限制，不论开环和闭环可以任意组合，可以以不同型号变频器、直流调速器共同组成一套传动控制系统。1、系统结构 速度链控制器系统结构如图4-13所示，它使用了双CPU系统控制结构，内有串行EEPROM用于参数的掉电记忆保存，设计时采用了开关电源及V/I转换芯片AD694等新技术新器件，用D/A实现A/D功能，降低系统硬件成本。其主要特点有如下几个方面。 图4-13（1）、使用了双CPU的系统控制结构，这样就解决了在要求实时快速运算控制的系统中，单CPU 系统资源不够用或实时性差的矛盾。并用半字节通讯的方式实现了两个CPU间的信息传递，这一结构在国外产品中是常见的设计。（2）、使用了串行EEPROM及用D/A实现A/D的功能，使系统的参数能在线修改和掉电保持记忆。由于相同位数的D/A要比A/D便宜得多，用 D/A来实现A/D的功能，在满足系统精度的前提下大大降低了系统成本。（3）、设计采用了开关电源及集成V/I转换芯片AD694等新技术和新器件。使装置体积大大缩小，可靠性、稳定性提高。实测显示，输出电位稳定度在温度变化2560度时，电流偏差小于5A，时间稳定度在24小时连续通电下检测偏差小于1/1000。2、工作原理本控制器设有两个独立的显示器，分别显示给定车速和实际车速。并可以根据用户的选择实现闭环或开怀控制。其输入参数均由按键或数字端口输入，因而实现了全数字化操作。控制器的两单片机（AT89C51），采用分工协作工作方式。其中，一片主要完成现场的操作处理、闭环控制、转速输出的功能，把它称之为给定单片机。另一片主要完成参数设定、反馈的检测、给定与反馈车速的显示等功能，它被称作反馈单片机。在开环运行时首先由反馈单片机把系统的功能参数发送给给定单片机，给定单片机实时检测现场操作台上的按钮状态（有速度增加、速度减少、紧纸、松纸、爬行/运行）。如系统处于爬行状态，则给定单片机把爬行车速值送入D/A转换芯片，经V/I转换，变成标准的0 20mA或420mA的电流信号（用户可以选择），输出到驱动器（变频器或直流调速装置），其余操作无效。在运行状态时，给定单片机将根据相应操作（如车速增/减、紧纸/松纸），作相应处理。把处理后得到的车速与从反馈单片机接受到的由键盘设置的车速求和后送D/A，以控制驱动器。同时给定单片机还将把速度调节量发送给反馈单片机，以便系统存储、记忆。闭环控制时，根据需要调节PI参数值，同时还可以选择不同的速度反馈装置（如测速发电机、光电编码器等）。如使用测速发电机，则要求把反馈信号处理成DC05V或DC010V的电压信号送给控制器，控制器将用12位D/A来完成模拟量到数字量的转换。如选用光电编码器作为速度反馈装置，可以由参数设定不同的脉冲数/每转，系统所能测量的最高频率为20KHz。3、硬件系统本控制器大体可以分为电源、CPU、给定通道、反馈通道、现埸操作输入、参数记忆、显示等七个部分，结构框图见如图4-14所示，下面将分别加以介绍。 图4-14（1）、CPU本设计使用了双CPU（AT89C51）的结构，它与8031等其它类型的51系列单片机完全兼容，并且内部有4KB的EEPROM。虽然用一个CPU也能实现系统的功能，但由于I/O量较多、程序较大。因此要扩展I/O接口及程序存储器，增加了硬件的复杂性，同时也降低了系统工作的可靠性和实时性。另外，从价格来看，一片89C51芯片比一片并行I/O芯片8255还要便宜（这里还未计算扩展程序存储器的价格）。两CPU间用并行半字节的形式进行通讯，由于两CPU在同一电路板上，因此受外部干扰的机率较小，用并行通讯的方式可以提高通讯的速度。从功能来看，两CPU（给定单片机、反馈单片机）将各完成不同的工作，前面已经叙述，这里不再重复。（2）、给定通道这一部分电路包括DAC1210、运算放大器、AD694等。主要完成从数字量到模拟量的转换及电压/电流的转换。根据纸机对车速精度的要求及驱动器（以变频器为例）对给定频率的分辨率等因素综合考虑，在设计中我选用了12位D/A芯片DAC1210（分辨率为1/212=1/4096），其受给定单片机控制。由该单片机定时对DAC1210的数据进行更新（该数据为给定车速）。DAC1210的输出经运算放大器后为DC0-10V的电压信号。虽然，该信号也可以直接输出去控制驱动器的频率，但从抗干扰方面考虑，电流信号要比电压信号强；另外从标准信号来考虑，如现在的型仪表的输入、输出均为标准的0（4）-20mA电流信号。鉴此，我在设计中使用了V/I转换电路，把DC0-10V的电压信号转换成0-20mA或4-20mA的标准电流信号。在这里我使用了V/I转换芯片AD694。通过实验，该芯片与一般用运算放大器及复合三极管所构成的V/I转换电路相比，其受温度等因素的影响较小，可靠性较高。（3）、反馈通道该部分电路主要包括模拟反馈输入、数字反馈输入、反馈量的输出等部分，对于反馈量的输出电路与给定通道相同，这里不再重复，将重点介绍模拟反馈输入及数字反馈输入。、模拟反馈输入（用于测速发电机反馈类型的调速系统）这部分是设计的重点内容之一，经查阅大量资料，并从电路的可靠性、经济性等多方面考虑。采用了一种较为先进的用D/A实现A/D功能的技术，其工作过程如下：模拟反馈信号Vf（DC0-5V或DC0-10V）与反馈单片机送给DAC1210的数字量经转换后所得的电压Vi相减得V，并加在一比较器的输入端。其可能出现三种情况即V0、 V=0、V0和U0。由于比较器相当于开环放大器，U=0的情况几乎不存在。通过软件对上述两种状态的检测结果，对D/A数据进行调整，稳态时实际对应的比较器输出为一系列脉冲，因此A/D变换的理论精度为1个字。 、数字反馈通道对于光电编码器、脉冲测速机类型的反馈信号则有该部分电路输入到反馈单片机。它包括隔离电路和整形电路两部分。反馈单片机采用中断方式对输入信号进行处理，用M/T法计算反馈脉冲的频率。这样大大增加了系统的测频范围。但由于采用中断方式，受程序执行时间的限制（中断服务程序的执行时间约为50s），因此其测量的最大频率不能超过20kHZ，随着输入频率的增加，单片机主程序执行一遍的时间加长。例如对于4极交流异步电动机，同步转速n0=1500转/分，测速机为500P/r 来说其输入频率，系统完全能满足要求。（4）、参数记忆部分在本次设计中我使用了串行EEPROM芯片93C46，其中有128字节。该控制器保存参数不多（15个），按每个参数两个字节计算，只需30个字节，因此一片93C46完全能满足要求。使用该芯片一是从价格考虑，另一考虑是该芯片的读、写、擦除操作均要发送一串行代码，如写操作格式如下：1 0 1 地址（7位） 数据（8位） 写命令代码可以看出与一般的并行EEPROM（如2846）相比，其抗扰性能要好得多。在上电或断电时，可能一个干扰脉冲就可能使2864中存放的数据丢失或被改写；而对93C46则需一串与写命令完全相同的脉冲，这种可能性是不大的。5、其他部分（1）电源，在设计中，采用了自激储能式开关电源电路，其主要优点在于线路简单、元件少、效率高、体积小。与同等功率的工频电源相比体积减少1/3以上。从实验测得的数据看，交流侧电压在110V-270V范围内变化，控制器均能正常工作。（1） 现埸操作输入，通过隔离把现埸信号（速度增、速度减、紧纸、松纸）输入到给定单片机，同时要送给下一级，从而实现级联。（2） 显示，采用七段LED数码显示，其中包括两个4位显示器，一个显示给定车速及设参时显示参数值；另一个显示反馈车速，设参时显示参数代码。在显示车速时，当车速小于100米/分时，显示的最小分辨率可以为0.01米/分；当车速大于100米/分时，显示的最小分辨率为0.1米/分。4、软件系统1 从系统的的功能来看，给定单片机的主程序主要完成通讯、数字采集、PI运算等功能。反馈单片机的主程序主要完成参数设置、通讯、反馈车速计算等功能。2 系统参数，目前共设计15个参数，在设置参数时在显示器上可以看到参数的代码和参数值。每一个参数包括都包括代码、含义、范围、缺省值等。如车速系数，其代码为01，设定范围为0.00-62.00，系统缺省值为15.62。3 参数设定，以设定05（爬行车速）为例，把原值50.00米/分改为60.00米/分。按下PRG键，显示 按或键找到所要设定的参数代码，显示按ENT键开始设参此时显示按或键把参数调整到所需的值，显示按ENT键确认参数，系统自动显示下一个参数的内容；如取消设定按PRG键即可。综上所述，在本控制器中，所采用的电路和器件都代表了当今的最新技术和成果。软件设计体现了简洁和优化的特点，并突破了以往常规模式。通过现场实验 ，得到了较为理想的控制结果。因此本设计解决了纸机多分部转动速度级联的问题 ，并克服了传统速度链所存在的缺陷，具有很强的实用价值和商业竞争性。通过现场调试，也发现了设计中尚有待进一步完善的地方。例如，参数设置的灵活性和显示故障代码的直观性等还不够十分理想。这些都有待进一步开发。总之，随着技术的进步，本系统也必然会在应用中不断得到改进和提高。4.4.2 反馈板通用型变频器价格低廉、简单方便。但是，当需要反馈闭环控制时，一般需配专业的反馈卡，成本高，且适用范围有限。基于经济和稳速精度两个方面的考虑，采用外部单片机进行测速转换，然后利用变频器的过程输入端及外部PID两种方法实现速度闭环控制。降低了系统的成本、增大了适用范围、收到了良好的效果。一、系统结构和工作原理1、系统结构（1）、系统硬件，该测速系统的硬件框图如图4-15，主要由以下几个部分组成，、信号输入及处理，本测速系统可以直接接收编码器或旋转变压器等速度反馈信号。接收信号的频率范围为020KHz，并且有两路信号输入，可以同时测量两路脉冲信号，这对于在某些控制系统中进行速差控制是非常 图4-15 方便的。速度反馈信号经光电隔离器，并整形后输入到单片机，分别用INT0及T1作为两路脉冲信号的输入端。、单片机（AT89C51） 在满足系统速度和运算精度的情况下，由于AT89C51内部有4KB的程序存储器，不需要 外部扩展程序存储器，既简化了硬件系统，又提高了系统工作的可靠性。、数模转换（DAC1210），它是一个高性能的12位D/A，对于本测速系统来说，例如应用于纸机传动系统中，一般要求车速控制精度为1，用12位D/A是完全能够满足要求。、电压电流转换（AD694），经过D/A把速度反馈信号或控制信号转换成模拟电压信号，但是其易受干扰，不利于信号长距离传输。因此，用高精度电压/电流转换器把电压信号转换面020mA或420mA的标准电流信号，既可以减少信号传输中的干扰，又可以和各种通用型变频器接口。、电源部分，系统工作所需的电源有+5V、15V。（2）、系统软件，在本测速系统中，主要包括主程序、中断服务程序等，其主流程图如图4-16。在主程序中完成脉冲数到线速度的转换，中断程序主要完成脉冲的采集。图4-162、工作原理该测速系统能够同时检测两路编码器或旋转变压器信号，输入信号频率为020KHz，采用M/T法把该信号换算成对应的纸机线速度显示。控制系统的输出量可根据所选择的不同控制方式而改变，用12位D/A把对应信号转换成模拟电压信号，再经V/I转换成标准电流信号输出。系统控制方式有以下两种：（1）、闭环控制此时，单片机测速系统根据所设定的速度给定值（数字量给定，并存放在串行E2PROM93C46内），与所测量的实际速度值相比较，得出偏差，并进行增量式PI调节，把调节量经D/A输出。（2）、开环控制与闭环控制相比较而言，这时测速系统不进行增量式PI调节，并且把所测得的速度值直接经D/A输出。二、系统的使用和调试1系统使用（1）、参数设置，一是测速系统的参数设置，另一是变频调速系统相关的参数设置。、测速系统参数设置如表1、变频器参数设置，在本文中以ABB公司ACS400系列应用于纸机传动系统为例，其参数设置如表4-3。表4-3序号参数代码参数内容设定范围缺省值100显示系数0.0060.0015.62201设定车速0.0250.0150.00302爬行车速0.0100.0050.00403是否闭环控制0：开环；1：闭环0504比例系数025550605积分系数025510706编码器脉冲数02000500807输出信号选择0：020mA；1：420mA0908反馈车速系数0.002.001.00表4-4序号参数代码参数内容设定值19902APPLIC MACRO6:PID CONTROL21001EXT1 COMMANDS1:DI131002EXT2 COMMANDS6:DI541003DIRECTION1：FORWARD51102EXT1/EXT2 SEL2:DI261103EXT REF1 SELECT1:AI171006EXT REF2 SELECT2:AI281201CONST SPEED SEL3:DI391303FILTER AI10.5S101306FILTER AI20.5S111401RELAY OUTPUT14:FAULT121601RUN ENABLE0:NOT SEL132202ACCELER TIME120.0S142203DECELER TIME120.0S154001PID GAIN1.0164002PID INTEG TIME3.0174006ACTUAL VAL SEL1:ACT1184007ACT1 INPUT SEL2:AI2注：表中所列变频器参数是在纸机控制系统中经常修改的参数，对于其中部分参数如ACCELER TIME1和DECELER TIME1等是要根据实际情况进行修改。（2）使用这里以单片机测速系统与ABB公司400系列变频器组成闭环控制系统为例，其控制联线原理如图3，单片机测速系统与变频器联接时，应根据所选用的控制方式，把其电流输出信号端（IOUT1）接于变频器不同的信号输入端，当