摘要：造紙生產流程中，各分部之間需要速度協調控制；在某些分部，如壓榨部壓榨形式采用真空輥帶K式壓榨時,為使K式壓榨各傳動電機根據各自的功率配置合理承擔負荷功率輸出,需采用負荷分配控制形式.整個生產線的速度協調問題可以選用PLC作為上位機，利用通訊實現對變頻器的控制。森蘭SB80變頻器提供了豐富的串口協議，可方便組網控制。
關鍵詞：SB80變頻器，組網控制，負荷分配， USS協議，RS-485接口
1. 應用背景
在普通的造紙多電機分部傳動控制系統中，以速度控制為基礎，各分部之間的速度需要協調控制。根據工藝要求，在網部采用K式壓榨的分部需結合負荷分配控制，對電氣傳動自動化控制有如下要求：
1) 起動要求
紙機中存在傳動慣量較大的分部，如烘缸，需要平穩起動，避免引起機械連軸的損壞。
2) 速度要求
造紙機由紙漿到成紙，需經過壓力噴漿上漿、壓榨、干燥、壓光和卷繞等多個分部，是一個多單元的速度協調控制系統，各個分部間的速度有著較嚴謹的速度比例關系，否則會造成斷紙或者過度松弛，影響成紙的物理指標，而且不能穩定紙頁的定量控制，影響產品質量。因此紙機的各分部都要有精度較高穩速性能。
紙機正常工作時，工藝上的變化速度的調節范圍不大，一般只在10－15％；在紙機調整時，如檢查調整網籠、毛毯，烘干部預熱時要低速爬行，車速約為20m/min，對穩速沒有要求。
3) 各分部調速的要求
如圖1所示的造紙機工藝流程平面圖，紙機上的紙受到牽引力的作用，在網部和壓榨部產生縱向伸長，在干燥部縱向繼續伸長，當紙張含水量降低后，紙張減少縱向伸長變形，在紙張進入壓光機和卷紙機時，紙張再度牽引而伸長，因此在整個紙機生產線中，各個分部的速度是不同的，這樣可以保持紙幅張力。同時，紙機各分部的速度必須是可以調節的，這樣可以避免紙幅松弛或過度繃緊而斷紙。由于造紙機無須頻繁起動，且工藝要求的變速范圍不大，所以穩速是紙機電氣傳動自控的最主要目標。

圖1 造紙機工藝流程平面示意圖

在控制系統中，由于需要多電機同步控制，采用西門子S7-200PLC的USS協議進行組網來控制不同分部的變頻器實現對電機變頻調速，從而達到紙機傳動的協調控制。具體配置為CPU226PLC,操作控制臺、DI/DO擴展模塊、屏蔽雙絞線、兼容USS協議的SB80變頻器等。
森蘭SB80變頻器具有豐富的控制功能，可以滿足大多數行業的驅動控制需求，在本控制系統中，采用無PG矢量控制方式及v/f控制模式來驅動各分部電機，并且實現壓榨部負荷鏈的負荷分配；強大的通訊功能方便與上位機通訊，支持Modbus廠家協議和USS協議； 強大的可編程算術邏輯單元，用戶可以靈活地組合設計，滿足復雜工藝的控制要求；多種頻率給定方式：基本操作面板、通訊設置、多段頻率設置、MOP給定、模擬給定等。
2. 紙機的電氣控制
2.1紙機速度控制
由于各分部傳送著生產過程中的紙張，根據造紙工藝的要求，保持后一級張力略大于前一級，需要各分部間線速度比例協調控制，高精度、可靠地保持這個比例系數就能保證產品產量、質量。同時，紙機的這種速度比例協調關系應在改變車速或停機后重新開機繼續保持，不需重新調節。各分部獨立控制，且具有靈敏的微升.微降及繃緊等調節功能，便于操作調節與前后兩分部間的速差，避免紙張在傳送過程中的過度松弛和繃緊斷紙現象，其關系式如下：
式中： 為第i級的轉速； 為第i級與前一級的速比； 為第i級的微調量。
在紙機控制中，采用USS協議通訊結合PLC程序來完成速度鏈的控制，便于實現變頻器給定的數字化控制，避免了模擬控制器速度鏈給定環節的信號漂移，提高了穩定性。
本例中的紙機主要生產包裝用紙，對速度的穩定性及動態響應有較高的要求。由于SB80工程型變頻器具有良好的矢量控制特性，較高的頻率給定分辨率和輸出頻率精度，很高的靜態和動態的控制精度，可以滿足連續、高效生產應用的需求。
2.2主從負荷分配控制
在造紙傳動控制中多個傳動點帶動一塊網布或多個傳動對象,相互施壓合成一定力矩且同步運轉的情況,要使各關聯傳動電機根據各自的配置按比例合理承擔功率輸出,需采用負荷分配控制形式,如果負荷分配調節不好，將會造成整個負荷環路各傳動點負載失衡,線速不同步，無法正常運行.負荷分配控制如圖2所示。在本例中，網部的復壓下輥作為主傳動，真空壓榨為輔傳動。主傳動采用基本的速度控制方式，從傳動采用負荷分配控制。在從機控制中，運用SB80內部PID修正頻率主給定，以主傳動的轉矩輸出作為從機PID給定值，從傳動的轉矩輸出經低通濾波后作為PID反饋值。為了提高控制精度，可以調節PID給定量和反饋量的增益，如200％。這樣做保證了控制精度，提高了系統穩定性。

圖2. 負荷分配控制

3. 調試和系統參數設置
3.1 RS-485接線
1) 使用屏蔽雙絞線，屏蔽層浮地，避免干擾從地線引入；
2) 利用屏蔽線的屏蔽層構成通訊的低阻信號回路，僅對高阻型共模干擾有效；
3) 電機和變頻器可靠接地，減少電機對變頻器的干擾；
4) 變頻器的GND、PE接線不要形成環路。

圖3. 基本接線接地圖

3.2 各變頻器參數設置
表1. 各變頻器基本的參數設置表

表2. 負荷分配的從機參數設定表(本例中真空壓榨機為輔傳動)

圖4 森蘭SB80現場安裝圖

通過一段時間的生產運行驗證，整個系統運行穩定，調節控制靈活自如。我們在1#、3#大缸及卷紙傳動分部試改裝置西門子MM440變頻器做兼容USS通訊協議混合通訊控制運行。結果證明，在一般應用上完全可以兼容混合使用。
4. 結論
1) SB80變頻器高性能的矢量控制，實現了負荷分配，克服紙機由于工藝參數的變化引起的速度波動，保證紙機速度的穩定性；
2) SB80強大的通訊功能，可以方便地與西門子PLC組網、與上位機通訊等；
3) 本例提供了變頻器及PLC組網在造紙行業內的應用實例，使得國內更多的中小型造紙企業可以實現節能的變頻控制。