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摘要：本文详细地描述了Powerflex700/700S变频器在43点高强瓦楞纸造纸机的电气传动控制系统中的系统网络组态、负荷分配、速度链及通讯等内容。
关键词：电气传动 网络组态 负荷分配
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-429-01
一、概述
纸机运行于大功率、大惯量状态，各分部速度控制精度要求高：要求车速稳态精度为±0.02%，动态精度为0.05%，调速范围为1：10；各分部的调速范围为±10%；各分部应有15～30米/分可调的爬行速度； 具有刚性或柔性连接的传动分部间，要具有负荷动态调整的功能； 各分部具有微升、微降功能，就地操作屏显示线速度、电流、运行、故障等信号。相关联的分部具有单动、联动功能；应具有良好接口能力，可与DCS、QCS、MCS等系统联机。
二、交流传动系统组成
1、电源
采用540伏公共直流母线供电方式。湿部用低功耗快速二极管整流。干部转动惯量大，减速或紧急刹车时易产生高电压，须配有能耗制动系统或电能回馈系统。本系统配置了意大利ANSWERDRIVE的回馈装置。
整流装置NRU纸机采用整流单元进行整流，NRU容量为3200A，采用二极管整流方式，过载能力为150%额定电流60S，200%额定电流10S。在额定负载和工作温度条件下，每20 分钟可过载1 分钟；保护：过载保护、过压保护、短路保护及故障保护。
2、控制部件
采用ControlLogix PLC和PF700 系列逆变器与高精度脉冲式光电编码器构成闭环控制。编码器采用瑞典Leine & linde的861900220-1024FWYR1。
全线共43个传动点，划分为九个传动分部。最大单点功率达450KW，电机额定转速均为1500rpm。
辊筒压区的开闭有相应的感应开关接入PLC，前后烘干部设有多个断纸检测传感器，断纸时PLC给出报警，相关分部联锁动作。
现场操作员终端PanelView PLUS 协助完成纸机的操作，同时监控纸机的运行情况。
3、网络组成
系统划分为三级网络。变频器和远程I/O用DeviceNet设备网与PLC连接，操作屏和上位机通过以太网连接。I/O模块通过RS485通讯网络连接。
4、交流变频专用电机的选择
针对造纸厂高温、潮湿、多粉尘的使用环境。选用额定电压为400V、频率为3-60Hz、绝缘等级为F的电动机；电动机安装有测温元件，冷却方式为强冷IC411，防护等级为IP55，可以带各种高分辨率的传感器。配有耐磨、绝缘SKF 轴承，能够承受1min的额定转矩的160%过载，低速时转矩平滑，无爬行现象。
5、AB/PF700 系列工程型逆变器
AB/PF700 系列工程型逆变器覆采用了磁场矢量定向控制算法，堵转时能输出额定转矩，真正实现了精确的速度控制和转矩控制；内置式PI 调节回路为实现张力控制提供了有效的方法，飞速起动功能在起动时自动跟踪电机实际转速。
6、ControlLogix傳动系统控制器
传动控制器采用美国AB 公司高性能Logix5555 控制器控制器，它允许将应用分段，
支持32 个独立的任务，15 个优先级，使系统结构更加优化。
ControlLogix所有I/O 模块都是智能模块；并且利用各种网络，实现真正的分布式控制；所有I/O 模块都可带电拔插。
7、操作员终端和上位监控计算机
PV PLUS操作员终端是最新一代的彩色终端，能显示各传动点的工作状态，并且具有起动/停止、爬行/运行、单动/联动、速度微增、速度微减、松弛/张紧、烘缸正反转点动、负荷分配功能。
在上位机上可实时控制每一分部的速度、起停、速差等，有动态显示、网络构成、直方图、历史曲线、设置、存储、故障分析等功能。
8、软件
上位机组态软件RSVIEW是以MFC，COM组件技术为基础的中文 Windows2000/XP平台下的MMI（人机接口）软件。系统控制器编程软件RSLogix5000运行于Windows NT 32 位的操作系统，可进行I/O 组态。逆变器编程及参数监控软件DRIVEEXPLORE 可以方便地进行通讯，成组地调用、编辑、存储、发送的逆变器参数，并对此进行实时监控。
三、控制策略
1、控制系统的拓扑结构（见系统网络图）
以1756 背板为网关，实现了以太网、设备网等多网络间的无缝连接。
2、传动控制
造纸机在运行中变动的参数很多，故要求传动系统的稳定鲁棒性和性能较强。纸机控制系统结构图如图2所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。
第一级为驱动级；第二级为PLC控制系统，采用DeviceNet控制网络；第三级为上位控制系统。
2.控制功能
为了保证纸张的脱水质量，网部的驱网辊采用速度闭环控制；同一网上的传动点之间、相互接触的压榨辊之间采用负荷分配控制。
由于干部的纸张已经建立了张力，所以干部的控制以张力为目标。对张力容易发生变化的区域内的传动点采用转矩控制，而对张力不容易发生变化的区域内的传动点则采用速度闭环控制。
速度闭环控制、负荷分配控制、转矩控制和松弛等构成了一个开放式的树状速度链，是整个传动控制系统的核心。
3.系统连锁和保护
系统连锁包括：安全连锁、工艺连锁、起动连锁、停机连锁、断纸连锁和故障连锁。 4.与MCS、DCS 和QCS的通讯
纸机各传动分部的数据和系统连锁信息能通过设备层网络直接传送到信息层网络，即以太网。而以太网采用公开的通讯协议（TCP/IP），因此能将数据传送给其它系统（如MCS、DCS 和QCS 系统）。
5. 系统的软件设计与功能实现
程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，主程序的流程如图3示。
5.1速度链和负荷分配设计
速度链结构采用二叉树数据结构算法，先对各传动点进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号。把网部作为速度链中的主节点，其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。通过操作该部增、减按纽的操作改变相应分部的车速。
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成一个传动点由于过载而过流，而另一传动点则由于被带动而过压，影响正常生产，甚至损坏设备。因此这两个传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理：假设P1e、P2e为两台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e 。P为实际总负载功率，P1、P2为电机实际负载功率，则P= P1+ P2。系統工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，两个值相差≤3%。
5.2 系统网络组态与通讯
系统通过RSlogix 5000软件实现网络组态，上位机与PLC之间通用TCP/IP以太网通讯。PLC和变频器用DeviceNet网络通信。PLC与变频器间是通过数据影像实现实时通讯，主站与从站间采用循环查询方式，完成对变频器的读写操作。
四、 结 语
经过近一年的运行，该纸机已从设计车速550米/分钟提速到650米/分钟，系统的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、稳定性、可靠性等指标都达到设计要求。这种基于AB变频器和ControlLogix PLC的纸机传动控制系统是可行的、合理的。对于要求更高的应用，可采用冗余的系统结构，以获得更高的系统可靠性。
参考文献：
[1] PowerFlex 700s 高性能交流变频器PhaseII控制用户手册，Rockwell；
[2] Allen-Bradley 应用手册 Rockwell Automation 2003
[3] Logix 5000 用户手册，Rockwell Automation；
[4] PowerFlex 700S Programming Manual， publication 20D-PM001， Rockwell
关键词：电气传动 网络组态 负荷分配
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-429-01
一、概述
纸机运行于大功率、大惯量状态，各分部速度控制精度要求高：要求车速稳态精度为±0.02%，动态精度为0.05%，调速范围为1：10；各分部的调速范围为±10%；各分部应有15～30米/分可调的爬行速度； 具有刚性或柔性连接的传动分部间，要具有负荷动态调整的功能； 各分部具有微升、微降功能，就地操作屏显示线速度、电流、运行、故障等信号。相关联的分部具有单动、联动功能；应具有良好接口能力，可与DCS、QCS、MCS等系统联机。
二、交流传动系统组成
1、电源
采用540伏公共直流母线供电方式。湿部用低功耗快速二极管整流。干部转动惯量大，减速或紧急刹车时易产生高电压，须配有能耗制动系统或电能回馈系统。本系统配置了意大利ANSWERDRIVE的回馈装置。
整流装置NRU纸机采用整流单元进行整流，NRU容量为3200A，采用二极管整流方式，过载能力为150%额定电流60S，200%额定电流10S。在额定负载和工作温度条件下，每20 分钟可过载1 分钟；保护：过载保护、过压保护、短路保护及故障保护。
2、控制部件
采用ControlLogix PLC和PF700 系列逆变器与高精度脉冲式光电编码器构成闭环控制。编码器采用瑞典Leine & linde的861900220-1024FWYR1。
全线共43个传动点，划分为九个传动分部。最大单点功率达450KW，电机额定转速均为1500rpm。
辊筒压区的开闭有相应的感应开关接入PLC，前后烘干部设有多个断纸检测传感器，断纸时PLC给出报警，相关分部联锁动作。
现场操作员终端PanelView PLUS 协助完成纸机的操作，同时监控纸机的运行情况。
3、网络组成
系统划分为三级网络。变频器和远程I/O用DeviceNet设备网与PLC连接，操作屏和上位机通过以太网连接。I/O模块通过RS485通讯网络连接。
4、交流变频专用电机的选择
针对造纸厂高温、潮湿、多粉尘的使用环境。选用额定电压为400V、频率为3-60Hz、绝缘等级为F的电动机；电动机安装有测温元件，冷却方式为强冷IC411，防护等级为IP55，可以带各种高分辨率的传感器。配有耐磨、绝缘SKF 轴承，能够承受1min的额定转矩的160%过载，低速时转矩平滑，无爬行现象。
5、AB/PF700 系列工程型逆变器
AB/PF700 系列工程型逆变器覆采用了磁场矢量定向控制算法，堵转时能输出额定转矩，真正实现了精确的速度控制和转矩控制；内置式PI 调节回路为实现张力控制提供了有效的方法，飞速起动功能在起动时自动跟踪电机实际转速。
6、ControlLogix傳动系统控制器
传动控制器采用美国AB 公司高性能Logix5555 控制器控制器，它允许将应用分段，
支持32 个独立的任务，15 个优先级，使系统结构更加优化。
ControlLogix所有I/O 模块都是智能模块；并且利用各种网络，实现真正的分布式控制；所有I/O 模块都可带电拔插。
7、操作员终端和上位监控计算机
PV PLUS操作员终端是最新一代的彩色终端，能显示各传动点的工作状态，并且具有起动/停止、爬行/运行、单动/联动、速度微增、速度微减、松弛/张紧、烘缸正反转点动、负荷分配功能。
在上位机上可实时控制每一分部的速度、起停、速差等，有动态显示、网络构成、直方图、历史曲线、设置、存储、故障分析等功能。
8、软件
上位机组态软件RSVIEW是以MFC，COM组件技术为基础的中文 Windows2000/XP平台下的MMI（人机接口）软件。系统控制器编程软件RSLogix5000运行于Windows NT 32 位的操作系统，可进行I/O 组态。逆变器编程及参数监控软件DRIVEEXPLORE 可以方便地进行通讯，成组地调用、编辑、存储、发送的逆变器参数，并对此进行实时监控。
三、控制策略
1、控制系统的拓扑结构（见系统网络图）
以1756 背板为网关，实现了以太网、设备网等多网络间的无缝连接。
2、传动控制
造纸机在运行中变动的参数很多，故要求传动系统的稳定鲁棒性和性能较强。纸机控制系统结构图如图2所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。
第一级为驱动级；第二级为PLC控制系统，采用DeviceNet控制网络；第三级为上位控制系统。
2.控制功能
为了保证纸张的脱水质量，网部的驱网辊采用速度闭环控制；同一网上的传动点之间、相互接触的压榨辊之间采用负荷分配控制。
由于干部的纸张已经建立了张力，所以干部的控制以张力为目标。对张力容易发生变化的区域内的传动点采用转矩控制，而对张力不容易发生变化的区域内的传动点则采用速度闭环控制。
速度闭环控制、负荷分配控制、转矩控制和松弛等构成了一个开放式的树状速度链，是整个传动控制系统的核心。
3.系统连锁和保护
系统连锁包括：安全连锁、工艺连锁、起动连锁、停机连锁、断纸连锁和故障连锁。 4.与MCS、DCS 和QCS的通讯
纸机各传动分部的数据和系统连锁信息能通过设备层网络直接传送到信息层网络，即以太网。而以太网采用公开的通讯协议（TCP/IP），因此能将数据传送给其它系统（如MCS、DCS 和QCS 系统）。
5. 系统的软件设计与功能实现
程序模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，主程序的流程如图3示。
5.1速度链和负荷分配设计
速度链结构采用二叉树数据结构算法，先对各传动点进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号。把网部作为速度链中的主节点，其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。通过操作该部增、减按纽的操作改变相应分部的车速。
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成一个传动点由于过载而过流，而另一传动点则由于被带动而过压，影响正常生产，甚至损坏设备。因此这两个传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理：假设P1e、P2e为两台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e 。P为实际总负载功率，P1、P2为电机实际负载功率，则P= P1+ P2。系統工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，两个值相差≤3%。
5.2 系统网络组态与通讯
系统通过RSlogix 5000软件实现网络组态，上位机与PLC之间通用TCP/IP以太网通讯。PLC和变频器用DeviceNet网络通信。PLC与变频器间是通过数据影像实现实时通讯，主站与从站间采用循环查询方式，完成对变频器的读写操作。
四、 结 语
经过近一年的运行，该纸机已从设计车速550米/分钟提速到650米/分钟，系统的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、稳定性、可靠性等指标都达到设计要求。这种基于AB变频器和ControlLogix PLC的纸机传动控制系统是可行的、合理的。对于要求更高的应用，可采用冗余的系统结构，以获得更高的系统可靠性。
参考文献：
[1] PowerFlex 700s 高性能交流变频器PhaseII控制用户手册，Rockwell；
[2] Allen-Bradley 应用手册 Rockwell Automation 2003
[3] Logix 5000 用户手册，Rockwell Automation；
[4] PowerFlex 700S Programming Manual， publication 20D-PM001， Rockwell