纸机传动控制系统的改造

韩振千

摘要：针对某公司3#纸机传动控制系统中，变频器老化、无法获得备品备件且故障率极高的问题，提出了传动控控制系统改造的方法并得以实施，实际应用中获得了良好的效果。详细对比介绍了纸机传动控制系统改造前后存在的情况，探讨了纸机多传动控制系统改造过程遇到的问题。

关键词：变频传动；传动系统；应用宏

中图分类号：TS736+1

文献标识码：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802007

纸机传动控制系统性能的好坏，是决定一台纸机能否高效率、高质量进行生产的前提，传动控制系统中的关键部件变频器对于纸机能否可靠运行起着决定性的作用。山东枣庄华润纸业有限公司3#纸机（以下简称PM3）原传动控制系统中变频器已运行9年，近2年该变频器故障频发，由于买不到正品备件，导致损坏的变频器无法修复，严重影响了纸机的正常运行。针对这种情况，对PM3传动控制系统变频器改造势在必行。本文以纸机传动控制系统改造为例，结合笔者的工作经验，介绍了纸机多传动控制系统中变频器改造过程及生产应用效果，以此给有相同情况的纸厂提供一点思路。

1PM3原传动控制系统结构及功能

11结构及硬件

原系统属于三级式全数字量分部式交流变频调速控制系统，采用杭州华章电气公司的HZAC3000S系统，其系统结构如图1所示。

硬件主要由Rockwell 1756系列的A17槽背板、电源、1756Logix5555控制器、SSTPFBCLX Scanner DP通信模块（以下简称SSTDP通信模块）、以太网

12功能介绍

控制系统采用的是基于微处理器的速度、转矩和张力三环自动调整控制原理，在程序设定中可以自由调整加减速时间及车速最大及最小值。速度闭环、负荷分配、转矩/张力控制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。对于湿部传动控制，为了保证纸张的复合效果，决定网部的底网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，这一部分均由控制器计算处理后送给相应的变频器执行。而对于干燥部传动控制，由于干燥部的纸张已经建立了张力，所以，干燥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/张力控制，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[2]。

系统还提供了各种连锁（安全、工艺、启动、停机、故障等连锁）和系统保护（缺相、过欠压、过流、编码器信号丢失、超频、超速、接地、通信等报警及故障保护）。通信部分是采用ProfibusDP与EtherNet相结合的网络技术，使纸机各传动分部的数据和系统连锁信息，能通过通信网络直接传送到信息层网络（以太网）[2]。

2改造后PM3传动控制系统结构及功能

21结构及硬件介绍

改造后的系统保持原系统的三级式全数字量分部式交流变频调速控制结构，其系统结构如图2所示。

硬件部分：仍沿用原系统的大部分硬件结构，Rockwell 1756的全部模块及操作员终端pv600没有变化，只是增加了ABB ACS600 NBRA[3]制动斩波器、制动电阻器、ABB ACS800 Single[4]系列变频器等。通过查看控制器编程软件RSLgix5000内的I/O Configuration，可以了解PM3的I/O硬件配置结构，如图3所示。变频器部分，出于成本考虑，仍保留部分VACON的CXL4XX系列变频器，留作引纸绳、卷取助动等部位继续使用。

22系統功能介绍

在保留原系统的所有功能基础上，控制系统增加和改动了部分程序，主要是负荷分配的改动，将湿部同一张网上的传动点之间、压榨及施胶部相互接触的辊子之间的负荷分配计算，改由ACS800变频器内部的主、从应用控制来完成，该应用根据传动主、从点间的接触方式和负荷关系，来确定是采用何种方式运算处理，其处理后的结果，以通信的形式送到控制器处理输出。这样既可减轻控制器内CPU的处理负荷，又使从传动点的动态响应有了很大的提升。

干燥部的传动控制，在保留了原系统的各种连锁和保护外，又增加了稀油连锁投入和解锁、稀油故障可自由设定延时报警时间等实用功能。还增加了制动单元，彻底消除了变频器公共直流母线过电压的发生。对纸机完成部的卷纸机，结合ACS800变频器，增加纸张间接张力控制等功能。

通信部分除使用ProfibusDP和EtherNet外，还组建了针对ACS800变频器的专用的通信网络，该网络使用ABB传动的DDCS通信协议[3]，可以通过一条高速光纤，将网络上所有的传动点连接在一起进行管理，该网络配置软件工具为：Driver Window 23 [3]，此工具软件具有如下特点：

（1）变频器的参数进行读写、设定及对参数备份和恢复，并可进行传动点本地或远程切换控制[3]。

（2）变频器发生的故障和报警进行诊断，可以对数据、记录器、故障进行记录器，采样时间最短可设为1 ms[3]。

（3）对变频器的测量值实时进行数字和图形（趋势图）显示并记录，也就是具备示波器的功能，当变频器出现问题时，便于分析和判断。Driver Window采集波形实例见图4[3]。

3PM3传动控制系统改造应用效果

31直流母线电压

原传动控制系统中变频器的供电部分， 采用的是被广泛应用于多电机传动的直流公共母线技术，干燥部和湿部分别由各自的整流装置，建立自己的直流母线系统，两段母线的整流部分，均使用不可控的二极管整流方式，也称DSU[3]， 单纯的DSU用在湿部整流供电，通常没有多大问题，而干燥部如果是单纯的使用DSU整流供电，就会出现问题。原因是：干燥部通常大惯性的机械设备比较多，当变频器拖动此类设备快速的减速运行时，由于机械惯性所产生的大转矩，会拖着电动机使其转速超过电动机的同步转速，造成电动机由原来的电动状态转换为发电状态。也就是说，电动机由原来的消耗能量，转变成向外输出能量，而原系统对这部分能量又未作任何处理，其结果是导致变频器的直流回路产生泵升电压，这一再生电压，一旦达到变频器的保护值时，变频器就会报直流母线过高的故障而保护停机。过高的直流母线电压，对变频器的使用寿命及系统的安全都会造成很大的影响，此现象在原传动系统中经常发生[5]。

传动控制系统改造后，在保留DSU整流的公共直流母线的基础上，加装制动斩波器及制动电阻。其工作原理是：制动斩波器一旦检测到直流母线电压值高出正常范围，其内部的IGBT模块就触发导通，将这一部分能量消耗在制动电阻上，直到母线电压恢复到正常工作范围，制动斩波器的IGBT模块才会关闭，以彻底消除直流母线产生过电压的问题。制动单元投入运行后，变频器再也没有报过电压的故障，效果良好。

32编码器

原系统中的CXL4XX变频器，采用的是带编码器反馈的闭环矢量控制模式，经常因为编码器故障而造成停机，每次编码器故障都需要停机处理。因为是矢量控制的变频器，在开环矢量控制时速度精度，难以满足正常生产的需要，所以又无法将变频器的模式切换到开环控制。

将CXL4XX变频器更换为ACS800变频器后，将参数5003 ENCODER FAULT设置为WARNING[4]，这样变频器在闭环模式下运行时，当编码器发生故障时，只发出报警信息而不会停机，也可手动在线将参数5006 SPEED FB SEL[4]修改为INTERNAL将编码器反馈通道切换到内部计算。通常DTC控制模式，对编码器的依赖较小，在开环控制精度01%左右，而一般的开环矢量控制精度在05%左右。对于PM3来说，ACS800 变频器在DTC控制模式下完全可以开环运行，其控制精度基本上能满足要求。ACS800变频器的这一功能，有效地降低了PM3，因编码器故障的停机次数。

33控制系统

331固件、软件版本

原系统控制器CPU固件版本和编程软件RsLogix5000软件版本均比较低（为V12），致使软件部分功能可操作性差。而SSTDP通信模块固件版本存在严重的BUG，配置程序出现过通信异常，无法上传正确配置程序，同时也存在DP通信网络资源分配不合理的情况。

原系统改造后，将控制器CPU固件版本刷新为V16，RsLogix5000编程软件版本也升级为相同的V16版。SSTDP通信模块，利用上位机Windows的超级终端工具，将固件刷新到最新版本来消除BUG，并重新配置DP通信的硬件及软件配置程序，使资源配置达到合理和最优，提高DP的通信速度，经上述处理后，通信速率和稳定性均得到了提升。

332从点运行模式

对于压榨辊和施胶机的辊子，因其主、从辊子之间的从辊有负荷分配，在运行状态下，当主、从辊分离后，其主、从点间原有的负荷关系就会发生改变，特别是当主点处于空载状态下运行时，负荷分配的值，在控制器处理后送给从点的转矩值，就会变的很低，由于从点是转矩控制，过低的给定转矩，可能无法维持从点的正常运行，而造成其在运行时停止。

原系统程序中，为避免这一情况的发生，也考虑在需要从传动点独立运行时，需要一个转矩给定，所以，当控制器一旦检测到主、从辊分离，就会单独送给从点变频器一个新的、固定转矩值，以维持从点的正常运行。正因为这个转矩值是固定的，其大小很不好设定，经常会发生因为转矩值设定过低或过高，而导致的从点辊启动后不运转，或启动后运行速度过快的问题。对于施胶辊主、从辊在运行时由分离位到闭合位的过程中，常常因为过大的速度偏差，造成磨辊而引起断纸。

原系统改造后，当主、从辊分离，控制器将不再送出固定转矩给从点，而是送出辊子分离的位置信号给ACS800，来控制变频器由转矩模式切换到速度模式，从而解决了从点在独立运行时与主点间速度偏差大以及从点运转困难的问题，同时，施胶辊闭合时，速度偏差造成，磨辊子的问题也得到了解决。

34变频器

原系统中，采用的是香港泰格动力的TigerPower TP2000系列变频器，即VACON公司的CXL4XX系列变频器。该变频器操作简便，其软件部分已内置了标准的“五合一”应用宏[1]（预先编好的参数集叫应用宏），对于一些特殊的应用，用户可以在VACON的官方网站下载或者利用FC11313[1]编程工具来编写自己的应用宏。本系统的应用宏就是系统集成商，针对纸机传动特点而专门开发的 “纸机专用应用宏”。

TP2000变频器的硬件部分采用分层式母排结构、结构明晰、线路板排列紧凑，维修方便，但其故障率非常高，近2年该变频器故障频发，每年都发生十几次逆变部分损坏的故障，例如，IGBT模块炸裂，功率板、扩展板、主控制板烧坏，故障的类型很多，没有多少规律可循。变频器厂家也拿不出行之有效的解决办法。

原系统改造后，采用ABB公司的ACS800 Single系列变频器。该变频器由于采用了更先进的直接转矩式DTC控制模式，具有动态响应快、适应环境强、控制精度高、故障率低等优点。为了降低成本，通过改动ACS800硬件部分，仍采用公共直流母线的方式为变频器供电，用ACS800 Single单传动组成多传动（ABB公司传动工程师称这种方式为伪多传）。对于引纸绳轮、卷纸助动等，不是很重要的传动点，仍保留原VACON CXL4XX变频器。随着ABB ACS880变频器的推出，ACS880取代ACS800只是时间问题。对于PM3传动来说，有了ACS800替换VACON CXL4XX的基础，在用ACS880进一步替代ACS800将会变得更加容易。

4总结

在纸机多传动控制系统中广泛采用通信技术，变频器和控制器往往紧密相连相互依赖，很多功能并不只是通过变频器或控制器来独立实现的，所以在多传动控制系统的改造过程中，一般需要注意的是：对于将要进行改造替换的变频器，首先要对其硬件、软件、通信等功能，要有很全面的了解。通常在纸机传动中，如果使用了功能简单的变频器，其纸机的大部分功能，基本都是由控制器来完成。如果使用了功能强大的变频器，其纸机很多功能对变频器的依赖程度就会增高。对于后者来说，变频器替换难度就会加大，这是需要注意的。改造后的PM3传动控制系统，已稳定运行7年有余，故障率和维护成本极低，为公司创造了经济效益。

参考文献

[1]VACON Control System Co.， Ltd. “Five in One+”Application Manual[S]. 2002.

瓦萨控制系统有限公司Vacon CX/CXL/CXS变频器用户手册“五合一”应用[S]. 2002.

[2]LI Fangyuan. Introduction to Paper Machine Drive Control Method[J]. China Pulp & Paper， 2005， 24（7）： 57.

李方园. 浅谈纸机传动的控制方式[J]. 中国造纸， 2005， 24（7）： 57.

[3]Beijing ABB Electrical Drive System Co.， Ltd. ACS800 Multidrive Training tutorialstructure and maintenance[S].（version A）. 2006

北京ABB电气传动系统有限公司. ACS800多传动系统 培训教程结构与维护[S].（版本A）. 2006.

[4]Beijing ABB Electrical Drive System Co.， Ltd. ACS800 Standard Control Program 7. x[S].（version K）2010. PDM： 30004947

北京ABB电气传動系统有限公司. ACS800标准控制程序7. x固件手册[S].（版本K）2010. PDM： 30004947.

[5]XIAO Zhongjun. Common dc bus system in the Application of High Speed Paper Machine[J]. China Pulp & Paper， 2006， 25（12）： 38.

肖中俊. 公共直流母线系统在高速纸机中的应用[J]. 中国造纸， 2006， 25（12）： 38. CPP

（责任编辑：马忻）