1 概述：
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。早期的调速以直流调速为主，但维护工作量较大，70年代后，随着电力电子控制技术的飞速发展，使得交流调速系统的调速性能可以与直流调速系统的调速性能相媲美。
本文采用ABB公司ACS800型变频器和西门子S7-400 PLC组成一套目前我国国产造纸机中车速较高的纸机传动控制系统。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纸机传动对电气控制系统的要求
该机结构简图如图1示。纸机为4400/650 m/min高强瓦楞纸机。
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纸机由长网部、真空吸移+四辊二压区复合压榨部、干燥部、压光部、卷取部组成。共16个传动点，总功率3240KW，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；
（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±0.01%；
（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
系统原理图如图2所示 。文中只选一个传动点为例进行说明，为构成传动点闭环控制及PROFIBUS总线网络通讯控制系统，需安装ABB的反馈卡及DP总线通讯卡，图中NTAC与NPBA。该纸机传动
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系统采用由S7-400 PLC作为系统的控制中心；由功能较强大的ABB公司ACS800变频器为驱动单元，频率分辨率为0.01Hz以上；变频专用电机作为执行单元；欧姆龙编码器提供速度反馈信号，使纸机传动在速度闭环运行模式下，从而使控制系统稳速精度达到0.01%。由PLC通过西门子PROFIBUS协议、
PROFIBUS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。
4 控制系统软件设计
控制系统的软件设计基于以下原则：1 程序模块化结构化设计，其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;2 程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理，简化程序，提高程序执行效率;3 采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;4 必要的软件保护措施，以免造成重大机械损害。
因此该程序通用性强，可移植性好，使用不同的变频器，只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可，满足纸机运行的需要。主程序流程图如图3所示
4.1 速度链设计及速差控制
速度链结构采用二叉树数据结构算法，完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象，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4所示。
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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。所以只须对位置寄存器初始化，即可构成具有任意分支结构的速度链。
算法设计采用了调节变比的控制方法。如图5示，纸机二压点作为速度链中的主节点，它的速度就是整个纸机的工作车速。在 PLC内，我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值，同时送给驱网、吸移、真压、一压分部，其速度值乘以相应的速比，即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求，说明该分部变比不合适，可通过操作该分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调整了变比，使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。
若正常生产中变比合适，需要紧纸、松纸操作时，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。同时送下一级计算，依此类推，构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。速度链的传递关系由图5来体现，由PLC软件实现。
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4.2 负荷分配原理与设计
在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同，即δ=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。
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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6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。
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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。本文负荷分配分三部分(如图五虚线范围内部分)。1）驱网辊与伏辊; 2）吸移辊、真空压榨辊与一压辊与二压辊; 3）施胶上辊与施胶下辊。负荷分配的软件实现，首先基于合理的速度链结构,如图5所示。采用主链与子链相结合的结构，使具有负荷分配的传动点组在子链结构上，进行负荷动态调整时不影响其它传动点的状态。
在纸机传动系统中，因为在有机械相联系的传动点由于所处位置不同，毛布的包角大小不一样，承受的载荷在不同的工作状态下不一样，是一个变量。在实际控制当中，由于电机功率是一间接量,实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率，进行读取计算、调节。在一组负荷分配传动点中选取包角较大且功率较大的传动点作为主点，其余各点利用PLC通过总线读取电机电流或转矩，分别与主点电流或转矩进行比较，并以PID调节算法，相应调节从点变频器的输出，使其电流或转矩百分比与主点一致，而达到负荷分配的自动分配的目的。
为了保护机械装置和避免PLC调节过于频繁，在软件中设置上下限幅值。如果负荷不平衡度大于3%，PLC才进行调整。如负荷分配不平衡度调整量设置太小，容易造成震荡。如果大于不平衡上限幅值，进行停机处理，以防止机械损害发生。
5 结 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。ABB变频器具有直接转矩控制功能，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和附加控制工艺板与PLC通过PROFIBUS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。该纸机在山东银河纸业集团运行已过一年，控制系统稳定，纸机运行可靠，稳速精度和动态响应性能都达到了用户较满意的效果。
