理論與實(shí)踐：雙刀切紙機(jī)的負(fù)荷分配
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筆者根據(jù)雙刀切紙機(jī)在生產(chǎn)中的實(shí)際要求設(shè)計(jì)了一種負(fù)荷分配的控制方法，可為其他相似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。
1 雙刀切紙機(jī)及控制要求
國產(chǎn)幅寬3150 m、切紙速度120 m/min雙刀切紙機(jī)的工作流程如圖1所示。從圖1可知，原紙卷經(jīng)弧形輥進(jìn)入縱切刀，分切成合乎縱向尺寸要求的四部分，然后進(jìn)入切刀1和切刀2（也稱橫切刀）切成紙幅橫向合乎要求的長度，最后經(jīng)皮帶1、皮帶2傳送至接紙臺，整理打包。
雙刀切紙機(jī)的電氣控制采用分部變頻傳動(dòng)，系統(tǒng)組成示意圖見圖2。其PLC采用西門子CPU315-2DP，系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP通信。
雙刀切紙機(jī)要切出合格的紙張，就要求送紙輥1電機(jī)和送紙輥2電機(jī)之間在速度同步的同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡，當(dāng)電機(jī)負(fù)荷不均勻時(shí)，如果分切的紙張頁數(shù)較少就有可能斷紙，若分切的紙張頁數(shù)較多就可能會造成電機(jī)打滑致使切紙出現(xiàn)較大誤差，更有甚者可能造成電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)影響電機(jī)壽命，甚至燒毀電機(jī)。所以要求送紙輥1電機(jī)和送紙輥2電機(jī)之間具有負(fù)荷自動(dòng)分配控制功能。
2負(fù)荷分配
2.1負(fù)荷分配的方法
2.1.1負(fù)荷分配的一般方法
負(fù)荷分配一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法：通過對變頻器的轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)和通過對變頻器的速度控制實(shí)現(xiàn)。
轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配是利用變頻器本身主從控制功能實(shí)現(xiàn)，選取送紙輥1電機(jī)作為負(fù)荷分配的主傳動(dòng)點(diǎn)，它采用速度控制且速度閉環(huán)以維持速度穩(wěn)定，送紙輥2電機(jī)作為從傳動(dòng)點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，將送紙輥1電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩通過PROFIBUS讀出，再乘以負(fù)荷分配的比例系數(shù)后，送給送紙輥2電機(jī)變頻器作為送紙輥2的轉(zhuǎn)矩輸入（若送紙輥2電機(jī)功率與送紙輥
1相同且機(jī)械部分相同，則將讀出的送紙輥1電機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接送給送紙輥2），這樣送紙輥2轉(zhuǎn)矩就能時(shí)刻跟隨送紙輥1電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化。
速度控制的負(fù)荷分配是采用改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率的方式來改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場之間存在轉(zhuǎn)差頻率。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩近似正比于轉(zhuǎn)差頻率，所以當(dāng)電機(jī)的速度恒定時(shí)，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，也就是電機(jī)的給定頻率，相當(dāng)于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率，同時(shí)也調(diào)節(jié)了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。負(fù)荷分配選取送紙輥1電機(jī)作為負(fù)荷分配的主傳動(dòng)點(diǎn)，它采用速度控制且速度閉環(huán)以維持速度穩(wěn)定，送紙輥2電機(jī)作為從傳動(dòng)點(diǎn)，是通過調(diào)節(jié)從送紙輥2電機(jī)的轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
2.1.2負(fù)荷分配的方法選擇
轉(zhuǎn)矩控制負(fù)荷分配的方法控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制品質(zhì)好，但適用范圍小，對負(fù)載有一定的要求，這是因?yàn)閺膫鲃?dòng)機(jī)（送紙輥2電機(jī)）負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速低；轉(zhuǎn)矩較小時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以適用于恒定類鋼性連接負(fù)載。速度控制的負(fù)荷分配適用范圍更廣，但控制效果不如轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配。從切紙機(jī)的切紙長度要求分析，送紙輥2需要實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)以控制它的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，以便給切刀輥2電機(jī)提供穩(wěn)定可靠的速度基準(zhǔn)，因此速度的穩(wěn)定尤為重要，因此選擇速度控制的負(fù)荷分配方法。
2.2通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配
設(shè)定送紙輥1電機(jī)為主傳動(dòng)，送紙輥2電機(jī)為從傳動(dòng)，送紙輥1采用速度、電流雙閉環(huán)控制，同時(shí)將送紙輥1的轉(zhuǎn)矩乘以負(fù)荷分配系數(shù)作為送紙輥2的轉(zhuǎn)矩給定信號進(jìn)行PID運(yùn)算后作為送紙輥2電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定。
在實(shí)際中若送紙輥2采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速開環(huán)控制是不可靠的。因?yàn)樵谶@種控制方案中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是靠負(fù)載的轉(zhuǎn)矩來平衡的，此時(shí)送紙輥2電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨送紙輥1電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一定的值，當(dāng)送紙輥2負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)就會突然升速，若不能及時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，降低輸出轉(zhuǎn)矩值，就會發(fā)生飛車事故。因此送紙輥2電機(jī)采用速度、電流雙閉環(huán)控制。
圖3是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，設(shè)電機(jī)原運(yùn)行在特性的A點(diǎn)（實(shí)際轉(zhuǎn)速為n1，同步點(diǎn)n’），根據(jù)期望轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩比較的結(jié)果，如須增大該傳動(dòng)點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩，則增大轉(zhuǎn)差率，即使給定頻率增大，由此機(jī)械特性上移如特性曲線C點(diǎn)（實(shí)際轉(zhuǎn)速為n1，同步點(diǎn)n m），電機(jī)轉(zhuǎn)矩就由原來T增至乃，轉(zhuǎn)矩增大；同理，如須減小該傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，只須減小轉(zhuǎn)差率，即使給定頻率減小，由此機(jī)械特性下移如特性曲線B點(diǎn)（實(shí)際轉(zhuǎn)速為n1，同步點(diǎn)n”），電機(jī)轉(zhuǎn)矩就由原來T1減至T2，轉(zhuǎn)矩減小。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。通過期望轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的比較結(jié)果來控制相應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)的頻率給定值，改變的是電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而調(diào)整了該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。
2.3負(fù)荷分配的控制算法和原理
根據(jù)負(fù)荷分配原理，應(yīng)檢測和控制傳動(dòng)點(diǎn)的電機(jī)輸出功率，但實(shí)際控制當(dāng)中電機(jī)功率為間接量，而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩從實(shí)際上反映了電機(jī)的負(fù)荷變化情況，在切紙機(jī)控制系統(tǒng)中利用PLC(西門子CPU315-2DP)讀取送紙輥1電機(jī)變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩（為百分?jǐn)?shù)）在通過與PLC讀出送紙輥2電機(jī)的變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩（為百分?jǐn)?shù)）作差值的PID運(yùn)算后去控制送紙輥2電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。實(shí)際應(yīng)用中，采用逐次逼近法，先設(shè)一定的誤差范圍（一般在2% - 3%以內(nèi)），只要誤差小于設(shè)定范圍(2% - 3%)即可以認(rèn)為負(fù)荷已平衡。PID的參數(shù)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行整定（這方面文獻(xiàn)較多就不詳述）。
2.4負(fù)荷分配的軟件流程
負(fù)荷分配的軟件流程見圖4。其中T 1是送紙輥1電機(jī)轉(zhuǎn)矩；T 2是送紙輥2電機(jī)轉(zhuǎn)矩；N 1是送紙輥1轉(zhuǎn)速給定；N 2是送紙輥2轉(zhuǎn)速給定；e是送紙輥1、送紙輥2轉(zhuǎn)矩誤差范圍（一般在2% - 30-/0以內(nèi)）。
2.5負(fù)荷分配的其他問題
(1)送紙輥1、送紙輥2應(yīng)設(shè)計(jì)單連動(dòng)功能，在單連動(dòng)狀態(tài)時(shí)送紙輥1、送紙輥2可以單獨(dú)調(diào)速、單獨(dú)操作，在連動(dòng)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)同時(shí)停止，連動(dòng)調(diào)速。
(2)切紙機(jī)整機(jī)的速度是由送紙輥1控制的，其余各傳動(dòng)點(diǎn)的速度在這個(gè)速度鏈上與送紙輥1構(gòu)成比例關(guān)系，負(fù)荷分配與速度鏈控制既獨(dú)立又關(guān)聯(lián)，所以要充分考慮其銜接問題。
(3)負(fù)荷分配中送紙輥1若故障停機(jī)，其他從傳動(dòng)點(diǎn)也應(yīng)停機(jī)；當(dāng)任一及以上從傳動(dòng)點(diǎn)故障停機(jī)時(shí)，作為主傳動(dòng)點(diǎn)的送紙輥1也應(yīng)停機(jī)。所以控制中應(yīng)對全部傳動(dòng)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。方法有兩個(gè)：①利用PLC實(shí)時(shí)讀取各傳動(dòng)點(diǎn)變頻器的狀態(tài)再利用軟件去判斷，最后利用PLC數(shù)字輸出去控制各變頻器；②將各變頻器的故障通過PLC數(shù)字輸入送入PLC利用軟件去判斷，最后利用PLC數(shù)字輸出去控制各變頻器。方法②響應(yīng)快，因此選用②。
3現(xiàn)場使用情況
筆者將以上控制方法應(yīng)用于河南某造紙廠幅寬3150 mm、切紙速度120 m/min的雙刀切紙機(jī)，現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)荷分配控制方案的可行性。實(shí)踐表明采用PROFIBUS總線通信方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制，減小了干擾，增加了系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行可靠。
4結(jié)論
雙刀切紙機(jī)由于速度變化比較頻繁，負(fù)荷分配的控制不同于紙機(jī)，利用調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)送紙輥1、送紙輥2之間的負(fù)荷分配的方法調(diào)節(jié)容易、可實(shí)現(xiàn)3%以內(nèi)的負(fù)載平衡率，確保了雙刀切紙機(jī)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可為其他相似系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。
5摘 要：
在對雙刀切紙機(jī)負(fù)荷分配產(chǎn)生的原因、負(fù)荷分配控制方法分析的基礎(chǔ)上，利用可編程序控制器讀取送紙輥1電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行偏差計(jì)算，用來調(diào)節(jié)送紙輥2電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)送紙輥電機(jī)之間的負(fù)荷分配。實(shí)踐證明這種方法調(diào)節(jié)容易且能使送紙輥2電機(jī)較好地跟隨送紙輥1電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，達(dá)到負(fù)荷分配控制的目的。
