摘要：介绍了纸机试验控制系统的设计，根据实际工程中的纸机可编程逻辑控制器(PLc)控制系统，s7—300PLc和直接转矩控制变频器ACS800之问通过ProfibusDP协议进行数据通信对4台电机实现同步控制。在对变频调速的基本原理和Acs8∞变频器的工作原理进行介绍的基础上，对纸机传动系统光纤通信的负荷分配进行了讨论，具有很强的指导性.
关键词：纸机：变频器；同步控制
0 引 言
20世纪末期由于lGBT、IGCT等新型电力电子器件发展及性能的提高以及控制理论的发展(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)等原因，极大地提高了变频调速装置的技术性能，促进r变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、调速精度、驱动能力、动态响应、输出性能等方面夫人超过了其他常规交流凋速方式，其性能指标也已经超过了直流调速系统。目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎．在电力、钢铁、造纸、化工、水泷、煤炭、铁路、船舶、食品、纺织、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到交流变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。
造纸工业中应用较为广泛的造纸机可以看作是一种由多台电机组成的联动系统，造纸机一般分为湿部和干部两部分。湿部包括流浆设备、网部和压榨部，干部包括烘缸、压光机和卷纸机等。
早期造纸机的电气传动系统通常使用单独的电机传动，由其带动天轴或地轴通过皮带以驱动造纸机的网部、压榨部、烘干部以及压光和卷曲分部。该纸机试验系统就是模拟实际纸机，由4台三相异步电机构成，可模拟异步电机变频调速在工业生产中如造纸机的分部运行，在这种情况下造纸机的某个分部除了要具备稳态调速的性能外，还需要各个电机满足负荷分配、张力控制和速度链的要求。
1 交流变频调速简介
l.1基本原理
对交流电机而言，不论是同步电机还是异步电机，其转速取决于同步磁场速度，即：
根据式(1)知交流异步电机的变频调速就是利用电机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电机的供电电源频率束进行调速。对于式(2)，其中转差率s=(no一n)／no也是影响转速的重要因素，其大小反映了负载的大小或交流电机机械特性的性能。此外，在实际中变频调速还必须和相关参数配合控制，如磁场φ、电压及绕组等参数。
在纸机传动系统中，供电电源频率，的改变比较直观，所以一般称此种调速方式为交流变频传动方式。一套完整的纸机交流变频传动系统包括交流母线、整流单元、逆变单元、反馈单元及控制单元，其中变频器内部就是由整流单元和逆变单元构成，变频器是变频调速系统的核心，也是构成大型复杂传动系统的基本单元，了解变频器的工作原理对理解整个纸机传动系统的工作情况是非常必要的。
l.2变频器工作原理
异步电机调速运转时，由变频器给电机提供电源，此电源的电压或者电流及频率由控制回路(控制回路主要巾运算电路、检测电路、控制信号的I／0电路、驱动电路和制动电路构成)的控制指令进行控制，而控制指令则是根据外部运转指令进行运算获得。变频器保护电路应防止变频器主电路(主电路就是给异步电机提供调压凋频电源的电力变换部分，通常包括整流模块、中间电路、逆变模块)的过压、过流引起的损坏。变频器分为交交变频和交直交两种类型，其中交交变频器可以将工频交流电频率直接变成可控制并日．能直接驱动电机的交流电源，也称作直接式变频；而交直交变频器则是把l：频交流电通过整流单兀变成直流电，再将直流电变换成频率、电压可控的交流电，此形式称为间接式变频，变频器大多都是这种结构，其基本构成如图l所示。
2试验系统设计
该纸机交流传动控制试验系统模型建立在陕西科技大学电信学院风力发电实验室内，主要以S7 ：300 PLc为核心、4台Ac$800变频器和4个异步电机构成，通过Ac$800变频器驱动电机使其达到模拟纸机运行的状态，PLc和Ac$800通过Profibus DP总线来进行通信，在该试验系统中还安装有张力传感器和编码器，系统机械结构如图2所示。
整个系统基本结构如图3所示，Pc通过MPI电缆与PI_c通信，进行程序监控；PLc通过Profi—bus DP总线的Ac$800变频器进行数据读写以驱动传动点M2、M3、M4，达到对电机的变频控制；其中Ml是实现主从控制负荷分配的从点，M2作为M1主点通过光纤连成环形结构，下文将会详细介绍。
2．1 Ac$800变频部分的设计
系统中变频部分主要由Ac$800变频器和三相异步电机组成，通过变频器可以输出电压或频率可变的交流电供给电机，通过调节AcS800的输出频率实现变频凋速。选用了ABB公司生产的变频器，共4个，其型号为Ac$800一Ol一005，每个变频器带一个额定功率为3 7 kw的异步电机，选配件则选用3个RPBA-01(用于ProfibusDP通信)和2个RDcO-02(用于实现主从负荷分配的光纤通信)。变频器1和变频器2的线路连接如图4所示。
图4中变频器1的DIl、D12、D13、D14接PLc313C一2DP的输出端子23、24、25、26，其中DL1控制电机的起停，D12、D13、D14可以自由定义；变频器2通过光纤通信卡 RDcO一02和变频器1接成环形结构，和PLc通过DP总线通信，起停仍由Dll来控制，其他数字量与变频器l相同；变频器3和变频器4的接法同变频器2。AIl+和AI1一接的是Ac$800的操作面板，在上面可以进行相应的参数设置。
2．2 s7—300 CPu部分的设计
系统选用的PLc是S7—300系列的cPu313c2DP，属于中小型PLC，适用于中等性能的控制要求，适用j一试验和实际中小型纸机。PLc通过I口接收来自外部给定信号，通过内部程序处理，与3台Acs800变频器通过Profibus DP总线进行通信，将命令输出给变频器以驱动3台电机实现起停、加减速等功能，负荷分配通过光纤实现，、根据模拟纸机的试验，以及试验系统的要求，cPu313c一2DP的l／()分配表如表l所示。
2．3通信程序的设计
在程序设计方面，s7 300系列PLc针对PPO类型4的通信模块有固定的程序设计方式，即调用SFCl4、SFCl5系统功能块进行读写数据的操作。系统所选用的PPO类型4，即读数据时从状态字开始读六个字长度的数据，写数据时从控制字开始写六个字长度的数据。具体流程如图5所示，
3 光纤通信的负荷分配设计
3．1负荷分配方案选择
对于纸机交流传动系统负荷分配，通常采用PI￡程序设计通过通信控制系统的负荷分配。具体实现是通过通信交换数据，将读L来的实际转矩与理论值进行比较计算，用计算出的差值去控制对应点的转差率。该方法在大型纸机、传动点较多的场合会使程序扫描控制时间增加，执行周期加长，动态响应慢，因此在设计试验系统时，充分考虑未来负荷分配发展及通信方式的发展。该系统设计了主从采用光纤通信的负荷分配系统，通信速率高、控制精度高、动态响应快、抗干扰能力强、性能稳定，用于纸机现场可取得很好的控制效果一
3．2负荷分配原理
在多电机传动系统中要求各传动点电机负载率相同，即δ=P1／Pw相同(Pi为第i台电机所承担的负载功率，Pw为电机额定功率)。在负荷分配调节过程中不能影响其他各分部的速度，因此采用速度主链与子链相结合的设计方法。
负荷分配控制中选取一台电机作为该组主电机，连接在速度链上，其他电机作为子电机，形成主从控制结构。以=点负荷分配为例，如图6所乐，编号为0和4是需要负荷分酣的前级和后级，负荷分配以l为丰，2、3作为l的从机，处于速度链的子链上一P1e、P2e、P3e为3台电机额定功率，P．为额定总负载功率，P，=P1+P2+P3。P为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则P=P1+p3+P2系统工作要求P1-PP1e／Pe．P2=PP2e／Pe，P3=PP3e／P3。负荷分配的日的就是侵P1、P2、P3满足上述要求.
在实际控制中，电机功率是间接量。实际控制近似以电机定子电流代替电机功率：
3．3 Ac$800变频器主从负荷分配的实现
3.3.1主从硬件连接
由图4和表1可知，s851是传动点电机Ml和M2负荷分配单动／联动的转换开关，当单动时，M1和M2可以单独起停；联动时从点起停信号由主点M2来控制，此时Ml同路将不起作用：
对具有负荷分配的传动点M1和M2，将对应的主从模块RDcO—02安装于变频器1和变频器2的RMIo插板上，主从光纤的连接如图4和图7所示。图7中从机为传动点M1的变频器，主机为传动点M2的变频器。
其中光纤的线缆插于RDcO—02上的cH2通道(V18端子)，将发送器T和接收器R连接为环型结构，在实际中如果从点多余一个，电可以连接成并行型结构，如图8所示。
3.3．2主从AC$800的参数设置
Acs800变频器有专门的通过光纤连接进行通信的主从传动单元。针对该纸机试验系统，主(M2变频器)从(Ml变频器)机的参数设置及说明分别如表2、表3所示。
4系统软件设计
试验系统在进行硬件设计的基础上，根据纸机传动系统来进行相应的软件设计。该系统软件设计基于以下原则：
(1)PLc和Ac$800之问通过Profibus DP进行通信，正确调用sFcl4、sFcl5保证变频器与PT。c通信正常。
(2)程序模块化设计，例如纸机实际运行中的负荷分配、速度链计算、速度增减、通信程序作为子程序可以被主程序调用。
(3)按键扫描程序，冈为系统的运行状态完全由相应的按钮进行操作，例如运行／停止、联动／单动等状态。
根据本文介绍内容，主程序流程图和负荷分配子程序流程图如图9所示。
负荷分配子程序如图9(b)所示，对于主点M1来说，如果其转矩输出(由变频器参数105可知)大于从点M2的转矩输出，则增加从点变频器的速度给定，相反就减少其速度给定，通过实际运行得出此控制方式比较理想，町以将Ml和M2电机的转矩差控制在1％以内。
5结语
本文介绍了关于纸机交流传动试验系统的设计，该系统源于实际工程中的纸机PT．c控制系统，s7—300PLc和Ac$800之间通过Profibus DP总线进行数据读写，以实现纸机中的速度链和负荷分配控制。从试验系统实际运行情况分析，该系统的速度链，以及对Ml、M2之间负荷分配的控制效果很好，尤其是Ml和M2之间的负荷分配可以应用于纸机的压榨部、施胶上下辊之间的负荷分配，对工程技术人员在纸机电控系统进行设计时具有很强的指导性。
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