紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的改造

韓振千

摘要：針對(duì)某公司3#紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，變頻器老化、無(wú)法獲得備品備件且故障率極高的問(wèn)題，提出了傳動(dòng)控控制系統(tǒng)改造的方法并得以實(shí)施，實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。詳細(xì)對(duì)比介紹了紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)改造前后存在的情況，探討了紙機(jī)多傳動(dòng)控制系統(tǒng)改造過(guò)程遇到的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：變頻傳動(dòng)；傳動(dòng)系統(tǒng)；應(yīng)用宏

中圖分類號(hào)：TS736+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802007

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)性能的好壞，是決定一臺(tái)紙機(jī)能否高效率、高質(zhì)量進(jìn)行生產(chǎn)的前提，傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件變頻器對(duì)于紙機(jī)能否可靠運(yùn)行起著決定性的作用。山東棗莊華潤(rùn)紙業(yè)有限公司3#紙機(jī)（以下簡(jiǎn)稱PM3）原傳動(dòng)控制系統(tǒng)中變頻器已運(yùn)行9年，近2年該變頻器故障頻發(fā)，由于買不到正品備件，導(dǎo)致?lián)p壞的變頻器無(wú)法修復(fù)，嚴(yán)重影響了紙機(jī)的正常運(yùn)行。針對(duì)這種情況，對(duì)PM3傳動(dòng)控制系統(tǒng)變頻器改造勢(shì)在必行。本文以紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)改造為例，結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了紙機(jī)多傳動(dòng)控制系統(tǒng)中變頻器改造過(guò)程及生產(chǎn)應(yīng)用效果，以此給有相同情況的紙廠提供一點(diǎn)思路。

1PM3原傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

11結(jié)構(gòu)及硬件

原系統(tǒng)屬于三級(jí)式全數(shù)字量分部式交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，采用杭州華章電氣公司的HZAC3000S系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件主要由Rockwell 1756系列的A17槽背板、電源、1756Logix5555控制器、SSTPFBCLX Scanner DP通信模塊（以下簡(jiǎn)稱SSTDP通信模塊）、以太網(wǎng)

12功能介紹

控制系統(tǒng)采用的是基于微處理器的速度、轉(zhuǎn)矩和張力三環(huán)自動(dòng)調(diào)整控制原理，在程序設(shè)定中可以自由調(diào)整加減速時(shí)間及車速最大及最小值。速度閉環(huán)、負(fù)荷分配、轉(zhuǎn)矩/張力控制等構(gòu)成了一個(gè)開(kāi)放式的樹(shù)狀速度鏈，是整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。對(duì)于濕部傳動(dòng)控制，為了保證紙張的復(fù)合效果，決定網(wǎng)部的底網(wǎng)驅(qū)網(wǎng)輥采用速度閉環(huán)控制；同一網(wǎng)上的傳動(dòng)點(diǎn)之間、相互接觸的壓榨輥之間采用負(fù)荷分配，這一部分均由控制器計(jì)算處理后送給相應(yīng)的變頻器執(zhí)行。而對(duì)于干燥部傳動(dòng)控制，由于干燥部的紙張已經(jīng)建立了張力，所以，干燥部的控制以張力為目標(biāo)，對(duì)張力容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動(dòng)點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩/張力控制，而對(duì)張力不容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動(dòng)點(diǎn)則采用速度閉環(huán)控制[2]。

系統(tǒng)還提供了各種連鎖（安全、工藝、啟動(dòng)、停機(jī)、故障等連鎖）和系統(tǒng)保護(hù)（缺相、過(guò)欠壓、過(guò)流、編碼器信號(hào)丟失、超頻、超速、接地、通信等報(bào)警及故障保護(hù)）。通信部分是采用ProfibusDP與EtherNet相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使紙機(jī)各傳動(dòng)分部的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)連鎖信息，能通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)直接傳送到信息層網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）[2]。

2改造后PM3傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

21結(jié)構(gòu)及硬件介紹

改造后的系統(tǒng)保持原系統(tǒng)的三級(jí)式全數(shù)字量分部式交流變頻調(diào)速控制結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

硬件部分：仍沿用原系統(tǒng)的大部分硬件結(jié)構(gòu)，Rockwell 1756的全部模塊及操作員終端pv600沒(méi)有變化，只是增加了ABB ACS600 NBRA[3]制動(dòng)斬波器、制動(dòng)電阻器、ABB ACS800 Single[4]系列變頻器等。通過(guò)查看控制器編程軟件RSLgix5000內(nèi)的I/O Configuration，可以了解PM3的I/O硬件配置結(jié)構(gòu)，如圖3所示。變頻器部分，出于成本考慮，仍保留部分VACON的CXL4XX系列變頻器，留作引紙繩、卷取助動(dòng)等部位繼續(xù)使用。

22系統(tǒng)功能介紹

在保留原系統(tǒng)的所有功能基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)增加和改動(dòng)了部分程序，主要是負(fù)荷分配的改動(dòng)，將濕部同一張網(wǎng)上的傳動(dòng)點(diǎn)之間、壓榨及施膠部相互接觸的輥?zhàn)又g的負(fù)荷分配計(jì)算，改由ACS800變頻器內(nèi)部的主、從應(yīng)用控制來(lái)完成，該應(yīng)用根據(jù)傳動(dòng)主、從點(diǎn)間的接觸方式和負(fù)荷關(guān)系，來(lái)確定是采用何種方式運(yùn)算處理，其處理后的結(jié)果，以通信的形式送到控制器處理輸出。這樣既可減輕控制器內(nèi)CPU的處理負(fù)荷，又使從傳動(dòng)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有了很大的提升。

干燥部的傳動(dòng)控制，在保留了原系統(tǒng)的各種連鎖和保護(hù)外，又增加了稀油連鎖投入和解鎖、稀油故障可自由設(shè)定延時(shí)報(bào)警時(shí)間等實(shí)用功能。還增加了制動(dòng)單元，徹底消除了變頻器公共直流母線過(guò)電壓的發(fā)生。對(duì)紙機(jī)完成部的卷紙機(jī)，結(jié)合ACS800變頻器，增加紙張間接張力控制等功能。

通信部分除使用ProfibusDP和EtherNet外，還組建了針對(duì)ACS800變頻器的專用的通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用ABB傳動(dòng)的DDCS通信協(xié)議[3]，可以通過(guò)一條高速光纖，將網(wǎng)絡(luò)上所有的傳動(dòng)點(diǎn)連接在一起進(jìn)行管理，該網(wǎng)絡(luò)配置軟件工具為：Driver Window 23 [3]，此工具軟件具有如下特點(diǎn)：

（1）變頻器的參數(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)、設(shè)定及對(duì)參數(shù)備份和恢復(fù)，并可進(jìn)行傳動(dòng)點(diǎn)本地或遠(yuǎn)程切換控制[3]。

（2）變頻器發(fā)生的故障和報(bào)警進(jìn)行診斷，可以對(duì)數(shù)據(jù)、記錄器、故障進(jìn)行記錄器，采樣時(shí)間最短可設(shè)為1 ms[3]。

（3）對(duì)變頻器的測(cè)量值實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)字和圖形（趨勢(shì)圖）顯示并記錄，也就是具備示波器的功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，便于分析和判斷。Driver Window采集波形實(shí)例見(jiàn)圖4[3]。

3PM3傳動(dòng)控制系統(tǒng)改造應(yīng)用效果

31直流母線電壓

原傳動(dòng)控制系統(tǒng)中變頻器的供電部分， 采用的是被廣泛應(yīng)用于多電機(jī)傳動(dòng)的直流公共母線技術(shù)，干燥部和濕部分別由各自的整流裝置，建立自己的直流母線系統(tǒng)，兩段母線的整流部分，均使用不可控的二極管整流方式，也稱DSU[3]， 單純的DSU用在濕部整流供電，通常沒(méi)有多大問(wèn)題，而干燥部如果是單純的使用DSU整流供電，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。原因是：干燥部通常大慣性的機(jī)械設(shè)備比較多，當(dāng)變頻器拖動(dòng)此類設(shè)備快速的減速運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)械慣性所產(chǎn)生的大轉(zhuǎn)矩，會(huì)拖著電動(dòng)機(jī)使其轉(zhuǎn)速超過(guò)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，造成電動(dòng)機(jī)由原來(lái)的電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)。也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)由原來(lái)的消耗能量，轉(zhuǎn)變成向外輸出能量，而原系統(tǒng)對(duì)這部分能量又未作任何處理，其結(jié)果是導(dǎo)致變頻器的直流回路產(chǎn)生泵升電壓，這一再生電壓，一旦達(dá)到變頻器的保護(hù)值時(shí)，變頻器就會(huì)報(bào)直流母線過(guò)高的故障而保護(hù)停機(jī)。過(guò)高的直流母線電壓，對(duì)變頻器的使用壽命及系統(tǒng)的安全都會(huì)造成很大的影響，此現(xiàn)象在原傳動(dòng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生[5]。

傳動(dòng)控制系統(tǒng)改造后，在保留DSU整流的公共直流母線的基礎(chǔ)上，加裝制動(dòng)斬波器及制動(dòng)電阻。其工作原理是：制動(dòng)斬波器一旦檢測(cè)到直流母線電壓值高出正常范圍，其內(nèi)部的IGBT模塊就觸發(fā)導(dǎo)通，將這一部分能量消耗在制動(dòng)電阻上，直到母線電壓恢復(fù)到正常工作范圍，制動(dòng)斬波器的IGBT模塊才會(huì)關(guān)閉，以徹底消除直流母線產(chǎn)生過(guò)電壓的問(wèn)題。制動(dòng)單元投入運(yùn)行后，變頻器再也沒(méi)有報(bào)過(guò)電壓的故障，效果良好。

32編碼器

原系統(tǒng)中的CXL4XX變頻器，采用的是帶編碼器反饋的閉環(huán)矢量控制模式，經(jīng)常因?yàn)榫幋a器故障而造成停機(jī)，每次編碼器故障都需要停機(jī)處理。因?yàn)槭鞘噶靠刂频淖冾l器，在開(kāi)環(huán)矢量控制時(shí)速度精度，難以滿足正常生產(chǎn)的需要，所以又無(wú)法將變頻器的模式切換到開(kāi)環(huán)控制。

將CXL4XX變頻器更換為ACS800變頻器后，將參數(shù)5003 ENCODER FAULT設(shè)置為WARNING[4]，這樣變頻器在閉環(huán)模式下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)編碼器發(fā)生故障時(shí)，只發(fā)出報(bào)警信息而不會(huì)停機(jī)，也可手動(dòng)在線將參數(shù)5006 SPEED FB SEL[4]修改為INTERNAL將編碼器反饋通道切換到內(nèi)部計(jì)算。通常DTC控制模式，對(duì)編碼器的依賴較小，在開(kāi)環(huán)控制精度01%左右，而一般的開(kāi)環(huán)矢量控制精度在05%左右。對(duì)于PM3來(lái)說(shuō)，ACS800 變頻器在DTC控制模式下完全可以開(kāi)環(huán)運(yùn)行，其控制精度基本上能滿足要求。ACS800變頻器的這一功能，有效地降低了PM3，因編碼器故障的停機(jī)次數(shù)。

33控制系統(tǒng)

331固件、軟件版本

原系統(tǒng)控制器CPU固件版本和編程軟件RsLogix5000軟件版本均比較低（為V12），致使軟件部分功能可操作性差。而SSTDP通信模塊固件版本存在嚴(yán)重的BUG，配置程序出現(xiàn)過(guò)通信異常，無(wú)法上傳正確配置程序，同時(shí)也存在DP通信網(wǎng)絡(luò)資源分配不合理的情況。

原系統(tǒng)改造后，將控制器CPU固件版本刷新為V16，RsLogix5000編程軟件版本也升級(jí)為相同的V16版。SSTDP通信模塊，利用上位機(jī)Windows的超級(jí)終端工具，將固件刷新到最新版本來(lái)消除BUG，并重新配置DP通信的硬件及軟件配置程序，使資源配置達(dá)到合理和最優(yōu)，提高DP的通信速度，經(jīng)上述處理后，通信速率和穩(wěn)定性均得到了提升。

332從點(diǎn)運(yùn)行模式

對(duì)于壓榨輥和施膠機(jī)的輥?zhàn)?，因其主、從輥?zhàn)又g的從輥有負(fù)荷分配，在運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)主、從輥分離后，其主、從點(diǎn)間原有的負(fù)荷關(guān)系就會(huì)發(fā)生改變，特別是當(dāng)主點(diǎn)處于空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷分配的值，在控制器處理后送給從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩值，就會(huì)變的很低，由于從點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩控制，過(guò)低的給定轉(zhuǎn)矩，可能無(wú)法維持從點(diǎn)的正常運(yùn)行，而造成其在運(yùn)行時(shí)停止。

原系統(tǒng)程序中，為避免這一情況的發(fā)生，也考慮在需要從傳動(dòng)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，需要一個(gè)轉(zhuǎn)矩給定，所以，當(dāng)控制器一旦檢測(cè)到主、從輥分離，就會(huì)單獨(dú)送給從點(diǎn)變頻器一個(gè)新的、固定轉(zhuǎn)矩值，以維持從點(diǎn)的正常運(yùn)行。正因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)矩值是固定的，其大小很不好設(shè)定，經(jīng)常會(huì)發(fā)生因?yàn)檗D(zhuǎn)矩值設(shè)定過(guò)低或過(guò)高，而導(dǎo)致的從點(diǎn)輥啟動(dòng)后不運(yùn)轉(zhuǎn)，或啟動(dòng)后運(yùn)行速度過(guò)快的問(wèn)題。對(duì)于施膠輥主、從輥在運(yùn)行時(shí)由分離位到閉合位的過(guò)程中，常常因?yàn)檫^(guò)大的速度偏差，造成磨輥而引起斷紙。

原系統(tǒng)改造后，當(dāng)主、從輥分離，控制器將不再送出固定轉(zhuǎn)矩給從點(diǎn)，而是送出輥?zhàn)臃蛛x的位置信號(hào)給ACS800，來(lái)控制變頻器由轉(zhuǎn)矩模式切換到速度模式，從而解決了從點(diǎn)在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)與主點(diǎn)間速度偏差大以及從點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)困難的問(wèn)題，同時(shí)，施膠輥閉合時(shí)，速度偏差造成，磨輥?zhàn)拥膯?wèn)題也得到了解決。

34變頻器

原系統(tǒng)中，采用的是香港泰格動(dòng)力的TigerPower TP2000系列變頻器，即VACON公司的CXL4XX系列變頻器。該變頻器操作簡(jiǎn)便，其軟件部分已內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)的“五合一”應(yīng)用宏[1]（預(yù)先編好的參數(shù)集叫應(yīng)用宏），對(duì)于一些特殊的應(yīng)用，用戶可以在VACON的官方網(wǎng)站下載或者利用FC11313[1]編程工具來(lái)編寫(xiě)自己的應(yīng)用宏。本系統(tǒng)的應(yīng)用宏就是系統(tǒng)集成商，針對(duì)紙機(jī)傳動(dòng)特點(diǎn)而專門(mén)開(kāi)發(fā)的 “紙機(jī)專用應(yīng)用宏”。

TP2000變頻器的硬件部分采用分層式母排結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)明晰、線路板排列緊湊，維修方便，但其故障率非常高，近2年該變頻器故障頻發(fā)，每年都發(fā)生十幾次逆變部分損壞的故障，例如，IGBT模塊炸裂，功率板、擴(kuò)展板、主控制板燒壞，故障的類型很多，沒(méi)有多少規(guī)律可循。變頻器廠家也拿不出行之有效的解決辦法。

原系統(tǒng)改造后，采用ABB公司的ACS800 Single系列變頻器。該變頻器由于采用了更先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩式DTC控制模式，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)環(huán)境強(qiáng)、控制精度高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。為了降低成本，通過(guò)改動(dòng)ACS800硬件部分，仍采用公共直流母線的方式為變頻器供電，用ACS800 Single單傳動(dòng)組成多傳動(dòng)（ABB公司傳動(dòng)工程師稱這種方式為偽多傳）。對(duì)于引紙繩輪、卷紙助動(dòng)等，不是很重要的傳動(dòng)點(diǎn)，仍保留原VACON CXL4XX變頻器。隨著ABB ACS880變頻器的推出，ACS880取代ACS800只是時(shí)間問(wèn)題。對(duì)于PM3傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，有了ACS800替換VACON CXL4XX的基礎(chǔ)，在用ACS880進(jìn)一步替代ACS800將會(huì)變得更加容易。

4總結(jié)

在紙機(jī)多傳動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛采用通信技術(shù)，變頻器和控制器往往緊密相連相互依賴，很多功能并不只是通過(guò)變頻器或控制器來(lái)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的，所以在多傳動(dòng)控制系統(tǒng)的改造過(guò)程中，一般需要注意的是：對(duì)于將要進(jìn)行改造替換的變頻器，首先要對(duì)其硬件、軟件、通信等功能，要有很全面的了解。通常在紙機(jī)傳動(dòng)中，如果使用了功能簡(jiǎn)單的變頻器，其紙機(jī)的大部分功能，基本都是由控制器來(lái)完成。如果使用了功能強(qiáng)大的變頻器，其紙機(jī)很多功能對(duì)變頻器的依賴程度就會(huì)增高。對(duì)于后者來(lái)說(shuō)，變頻器替換難度就會(huì)加大，這是需要注意的。改造后的PM3傳動(dòng)控制系統(tǒng)，已穩(wěn)定運(yùn)行7年有余，故障率和維護(hù)成本極低，為公司創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)任編輯：馬忻）