纺织印染机械多电机群变频调速同步DCS.pdf

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1、第2 8 卷第4 期 2 0 0 7 年4 月 纺织学报 J o u m a lo f r e x m eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 4 A p r 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 ，9 7 2 1 ( 2 0 0 7 0 4 一0 1 1 6 0 5 纺织印染机械多电机群变频调速同步D C S 潘湘高，李晓峰 ( 湖南文理学院电气工程系，湖南常德4 1 5 0 0 0 ) 摘要针对纺织、印染机械传统多电机拖动同步控制系统操作管理和使用维护都不方便以及故障率高，维修工 作量大，严重影响生产的问题，论述了变频器永磁同步电机群调法、变频器电流负反馈软机械特性

2、法和大小电机变 频调速法3 种变频调速同步原理和方法，研究了采用计算机通过R S 4 8 5 控制总线控制变频器实现的多电机群变频 调速同步新方案，为其设计了基于M c G s 的集散控制系统( D c s ) 。该方案极大地简化了同步拖动控制系统结构，降 低了设备成本，大大提高了系统的可靠性和控制管理水平。 关键词纺织印染机械；多电机驱动；变频调速；同步；集散控制系统；张力控制 中图分类号：佟1 0 3 ，7文献标识码：A D C So fm l l l t i _ d r i v eV a r i a b l ef l r e q u e n c ya d j u s t i n gs p

3、 e e ds y 眦h r o I l i z a t i o n s y s t e mf o rw e a v i n ga I I dd y e i n gm a c l l i 耻s P A NX i a n 黯a o ，UX i a o f e n g ( 脚。n 榭眦旷E 如c 砒z i ，聊矗n g ，月h M n 哳觇巧妇矿A mo 以s c 据，雠，C 耽，l g 如，月h ，l 口n4 1 5 0 0 0 ，醌i w ) A b s t r a c tT h et r a d i t i o n a lm u l t i d r i v es y n c h r o n

4、o u sc o m m ls y s t e mf o rw e a v i n ga n dd y e i n gm a c h i n e sh a ss u c h d r a w b a c k sa si n c o n V e n i e n ti n 叩e m “o na n dm a n a g e m e n t ，h i g hf a u l tm t e ，a n dg r e a tm a i n t e n a n c ew o r k l o a dt h a t g i v en e g a t i v ei m p a c to np I D d u c t

5、i o n F o rt h i sI a s o n ，a f t e rs t u d y i n gt h e p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fv a r i a b l e f r e q u e n c ya d j u s t i n gs p e e ds y n c h I o n i z a t i o no fs e V e r a lk i n d so fm u l t i d r i v es y s t e m ，an e ws c h e n l eu s i n gt h eR S - 4 8 5c o n t r

6、 0 1b u st or e a l i z em u l t i d r i V eV 赫a b l ef 诧q u e n c ya d j u s t i n gs p e e ds y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sp m p o s e da n d t h eD C Sw h i c hi sb a s e do nM C G Sa r ed e s i g n e df o ri t T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t m c t u r eo fs y n c h r

7、 o n i z a t i o n d r i V ec o n t m ls y s t e mi ss i m p l i f j e dg r e a t l y ，t h ee q u i p m e n tc o s t sa r er e d u c e da n dt h er e l i a b i l i t ya n dm a n a g e m e n t 1 e v e la r ei m p r 0 V e ds i g n i f i c a n t l y K e yw o r d sw e a V i n ga n dd y e i n gm a c h i

8、n e ；m u l t i d r i V e ；V a r i a b l ef b q u e n c ya d j u s t i n gs p e e d ；s y n c h r o n i z a t i o n ； D C S ：t e n s i o nc o n t m l 与直流电机传动相比，交流电机变频调速传动 系统具有质量轻，体积小，使用维护简便的显著优 点，并具有和直流调速相媲美的良好动、静态性 能。，故已开始取代直流调速装置。纺织、印染设备 常组合成联合机，为改善张力均匀性，数量众多的加 工单元主动辊分别各由1 台电动机拖动，形成多电 机群传动系统。在将织物进行连

9、续加工的过程中， 因为各单元进出织物的速度应满足一定的关系，所 以要求多电机传动系统能“同步”地协调运行，这是 设备正常运行的关键。在纺织、印染行业采用多电 机同步调速方案的设备非常多，传统设备采用笨重 的直流电动机加变速箱传动，单元间采用摆式或辊 式松紧架同步装置或自整角机调节电机的转速，或 采用张力传感器构成恒张力控制系统。虽然这些方 法可实现同步控制，但精度较低，可靠性较差，控 制操作管理和使用维护都不方便，且故障率高，维修 费用大，影响生产。近几年来，已有人研究采用高精 度、高质量的光电编码盘或光栅等数字转速传感器 收稿日期：2 0 0 6 0 8 1 8修回日期：2 0 0 6 1

10、l 一2 7 基金项目：湖南省自然科学基金资助项目( 0 4 J J 删) ；湖南省教育厅资助科研项目( 0 6 c 6 0 3 ) 作者简介：潘湘高( 1 9 6 3 一) ，男，副教授，硕士。研究方向为自动化技术、计算机控制技术及应用。E m a i l ：p x 驴8 7 6 5 4 3 2 1 1 6 3 c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期潘湘高等：纺织印染机械多电机群变频调速同步D c s 。1 1 7 。 和数字控

11、制器实现的同步控制方案D 1 ；还有人研究 利用计算机和网络加开关量I ，O 和A ，D 、D ，A 接口模块 控制的同步方案。但这2 种方案都存在因所需传感 器或接口模块数量多，致使设备成本大大增加和对 控制实时性要求非常高的缺点。采用交流变频调速 取代直流调速，技术水平有了很大的提高，但由于沿 用原有的松紧架同步装置，仍存在不足。随着计算 机和网络的发展及其成本的不断下降，它们已开始 在纺织、印染等行业大量使用。如果将计算机技术、 网络技术和变频技术相结合，应用于多电机群同步 调速控制之中，则可充分发挥它们的优势，提高多电 机群同步系统的可靠性和控制管理水平以及设备运 行的经济效率。 1

12、多电机群变频调速的同步原理 这类设备电机负载转矩主要来自各种运动摩擦 阻力、轧辊压轧阻力及加工料后面与前面的张力差， 属恒转矩负载性质，在正常运行过程中一般都保持 不变。系统的主要扰动是电网电压波动，虽然生产 工艺要求调速，但对速度的精度要求却不高，主要是 对同步控制的要求高，由于电压波动对同步系统来 说相当子共模扰动，故对同步没有太大的影响，更何 况变频器具有很强的抗电压波动的能力，据此研究 了基于网络，由计算机控制变频器实现的无松紧架 和无张力传感器的多电机群变频调速同步新方案， 并设计了基于M c G S 工控组态软件的同步调速集散 控制系统( D c s ) 。 1 1 多电机群同步拖

13、动系统控制要求 一种典型的连续加工纺织印染机械多单元电机 拖动调速系统如图1 所示。M ，为主令电机，其转速 由车速决定。其它的为从动电机，转速由M 及工 艺要求决定。 图l 一种典型的纺织印染机械多电机同步调速系统 F i g 1 At y p i c a lm u l t i d V es y n c l l l r l o u ss y s t e m o fa d j u s t i n gs p e e df o rw e a v i n ga n dd y e i n gm a c h i n e 在连续加工过程中，根据工艺的不同要求，各单 元要以一定的线速度y ( “I I l

14、i n ) 关系保持协调运 行，其关系为 露i K = 知HK l ，i = l ，2 ，m( 1 ) 式中后i 为协调系数，当矗i K 一。为牵伸 加工；当| ；= _ j H 时，K = K 一，为紧式加工，也称同 步运行；当? 。 奄。时，K K 一。为松式加工。前2 类加工最为普遍，工艺要求保持各单元之间加工物 料的张力恒定或者线速度成适当关系。 1 2 变频调速同步原理与方法 由于现代变频器采用数字控制技术，智能化程 度越来越高，功能逐步完善。例如，无速度传感器矢 量控制变频器既可以工作在速度模式，也可以工作 在转矩模式，可以检测和输出电机的转速、线速度、 转矩、电压和电流等信号。有

15、些原来很难完成的工 作，现在借助于变频器可以很容易地实现。例如，借 助于这些功能，可以研究设计出一些减少或取消松 紧架且无张力传感器的变频调速同步方法。 1 2 1 变频器永磁同步电机群调法 若几个单元的功能和结构相似，每个单元驱动 的功率不大、距离也不太远，则可以考虑每个单元各 用1 台永磁同步电机拖动，共用l 台变频器来驱动， 各单元之间不用松紧架和张力传感器，但各主动辊 的直径应略有差别，前面的比后面的依次稍微大一 点，以保证一定的张力，这种方法适用于恒张力或微 张力系统。 1 2 2 变频器电流负反馈软机械特性法 引入矢量控制变频器的输出电流负反馈来设计 异步电机拖动系统的软机械特性。

16、由于软机械特性 是由电流负反馈形成的，所以不会降低用电效率。 当某台电机转速有上升的趋势时，其负载转矩因轧 辊所受后面与前面的张力差增大而增大，而电磁转 矩有减小的趋势，故转速升不上去；同理，有跑慢倾 向的因负载变轻也慢不下来，最终维持线速度一致， 这样使电机间保持良好的同步。各单元的线速度应 设定成前面的比后面的依次稍大一些，以实现物料 加工所要求的张力调节。这种方法适合于几个单元 的功能和结构相似，每个单元各有1 台电机和l 台 变频器驱动并要求有较大加工张力的情况。 1 2 3 大小电机变频调速法 1 个单元用大小不同的2 台电机变频调速驱 动，功率大的电机足以将该单元驱动，其变频器工作

17、 在速度模式，决定该单元的速度大小刊、功率电机则 可以提供一定的辅助驱动转矩，其变频器工作在转 矩模式，用来调节张力，不设松紧架和张力传感器， 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 8 纺织学报第2 8 卷 同样能很好地同步并且可以调节张力，这种方法适 用于功率较大且对张力控制要求较高的场合。 令式( 1 ) 中矗，= 1 ，则有 I ， K = ，= o ，l ，2 ，m ( 2 ) 设轧辊的直径为d ( m ) ，电机的转速为n ( r ，r

18、 n i n ) ，则有y ，= 7 c d ，n 。和E = 丌喀凡f ，代入式( 2 ) 得 一= 弓n 1 ，_ = 0 ，l ，2 ，m ( 3 ) d 刁2 最，= o l ，2 ，m ( 4 ) 式中n ，为主令电机转速，由加工要求的车速确定， 即n ，= K ，7 c d ，从动电机的转速按式( 3 ) 计算；z ，为 转速系数。磁极对数为P i 的交流电机定子交流电 的频率应为 z ：鬲，_ ：o ，1 ，2 ，m ( 5 ) J J 一6 0 ( 1 一s i ) J u 1 厶 、J7 式中s ，为电机转差率，在正常电动状态，对同步电 机其值为0 ，对异步电机其值很小，接近

19、于0 。将式 ( 3 ) 和式( 4 ) 代入式( 5 ) 得 z ：丽群毛，卜0 1 2 ，m ( 6 ) J 一6 0 7 c d i ( 1 一s ，) J u 1 厶 “ 、u 7 式中K i = 1 ，知，称为对基速y ，( I I l ，I I l i n ) 即车速的传 动速比。将车速和各个单元电机磁极对数、转差率、 轧辊直径及传动速比数据存入电脑，各变频器的主 频率给定值按式( 6 ) 计算确定，这种控制算法非常简 单，很容易实现。另外，现代智能型变频器采用数字 控制，其运行参数一经设定就能自动保持，实际上无 需计算机的过多干预，所以除了在系统调试、开机起 动和改变生产工艺及车

20、速时对计算机控制的实时性 因特网 P CB R S 2 3 P CC R S 2 3 ： 要求稍高以外，在正常运行时对计算机控制的实时 性要求不高，计算机主要是对各单元运行参数加以 监视。系统一经开机投入正常运行，即使上位P c 和现场P C 及网络出现故障也不会对设备运行和生 产造成影响。需要注意的是，对于退卷机和绕卷机， 因其直径是随时变化的，故为了及时调节其转速，对 这2 个特殊单元应保留松紧架或张力传感器同步装 置，通过变频器的辅助频率输入端进行反馈调节控 制其电机的转速。对其它单元则去掉松紧架或张力 传感器，电机转速由计算机通过控制总线设定其变 频器的转速( 频率) 实现同步。 2

21、系统的总体方案设计 对于如图1 所示的要求同步的多单元拖动电机 都采用交流变频调速，将这些变频器分成1 组，由工 控机或普通P c 机( 现场工作站) 通过R S 一4 8 5 总线通 信设定各变频器的运行参数进行控制。进一步地可 将企业各变频器组由其现场P c 机和上位P c 机一 起再组成以太局域网，甚至还可以接人因特网。上 位P C 机采用双机热备，更增强了系统的可靠性，全 部P c 都安装网络版M C G s 工控组态软件，这样由计 算机和变频器群组通过网络组成集散控制系统即 D c s ，如图2 所示。通过上位机和工作站可以对每 台变频器的运行参数进行读取或改写，如设置变频 器的启、

22、停、正反转，运行频率，控制模式等参数，同 时也能对电动机的运行情况，如定子电流、电压、频 率等参数进行监视、显示、存储和打印。 在工业现场，R s 4 8 5 是应用较多的一种控制总 妄赢0 茹| I 妄撼变频器变频器l l 变频器 A 组R S - 4 8 5 总线 凋网匪变频器变频器l l 变频器 B 组R S - 4 8 5 总线 妄熹I I 编| 1 妄爆变频器变频器l l 变频器 C 组R S 4 8 5 总线 终端电阻 终端电阻 终端电阻 图2 纺织印染机械多电机群变频调速D c s F i g 2 D C so fm l | l t i - d d v es y n c h r

23、o n o u ss y s t e mo fv a r i a b l e 脯q u e n c ya d j u s t i n gs p e e df o rw e a V i n ga n dd y e i n gm a c h i n e 线通信方式。R s 一4 8 5 的驱动器在总线上可带3 2 个 接收器，在波特率为1 0 0k b i t s 时，通信距离可达到 12 0 0m ；通信距离为1 5m 时，波特率可达l OM b i t s 。 所有变频器都采用支持R s 4 8 5 总线通信方式的智 能型变频器。每组的P c 通过A D A M 4 5 2 0R S 一2 3

24、 2 ， R S 4 8 5 转换器与该组的所有变频器( 带R S 一4 8 5 总线 接口) 相连接组成R S 一4 8 5 总线控制网，如图2 中的 A 组所示。P c 及每台变频器被赋予各自的地址码 竺 蕊 篇母弭 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期潘湘高等：纺织印染机械多电机群变频调速同步D c s 。“9 用以识别身份，这样P c 便能通过R S 4 8 5 通信线对 挂在上面的所有变频器( 最多3 1 台) 进行控制操作。 P C

25、 与变频器之间采用主从方式进行多机通信，网上 的每一次通信都由主机控制完成。 上位机与现场工作站之间的通信采用T C 彤I P 协 议；P C 与变频器之间的通信可利用厂家提供的变频 器或控制变频器的P L C D S P 的设备通信驱动程序 ( 协议) ，由M C G S 通信设备组态功能实现通信。 在动态数据库定义各个参数的动态变量，将需要进 行通信的设备通过动态变量建立“通道”连接，所有 数据通信都是通过动态数据库实现，由M c G s 自动 完成的。这里定义的主要动态变量有基速，A 、B 、c 3 组各个单元轧辊直径，传动速比，线速度，电机的 磁极对数，变频器的给定频率，负载电流，转矩

26、等。 3 系统监控及操作管理人机界面 系统控制软件用M c G s 组态软件编程实现，系 统按优先级来管理多个任务进程，如数据处理、控制 算法、自动故障诊断、报警和保护以及串口通信、工 艺动画显示、趋势曲线、数据存盘和打印等任务，通 过每个任务的时间片轮回，宏观上实现多个进程的 并行处理。上位P c 和现场P c 主机操作采用人机 交互界面，丰富、友好、直观的人机界面使得整个 D c s 的操作管理变得非常灵活和方便。 以L 型练漂联合机同步系统的改造为例，该机 整机分A 、B 、c3 个部分( 大单元) ，共使用了2 8 台传 动电机，其中A 单元1 0 台，B 单元7 台，C 单元1 l

27、台。整个联合机属2 级同步，A 为主令单元，B 和c 为从动单元，调速范围为3 5 1 4 0 耐I n i n ，3 个单元既 可联合运行也可单独运行。3 个大单元之间及每个 大单元的各台电机之间的同步调速由原来的三辊式 松紧架和旋转变压器构成的直流调速同步系统改造 为交流变频调速同步系统。系统的监控由M c G s 工 控组态软件完成。 图3 为基于M c G s 的整机工艺流程监控动画窗 口，可直观地监控3 个大单元及退卷机和绕卷机的 运行速度。整机控制可设置为手动或自动，当设置 为自动时，只有“A 单元控制”可由鼠标操作，其它的 都自动向A 单元“看齐”；当设置为手动时，则都可 以由鼠

28、标操作。如果哪个部分出现异常或故障，则 其电机旁边的报警灯及总报警灯闪亮。点击该窗口 中的各个文字框热区或电机图标热区，当然也可以 通过主控窗口的菜单操作，可以方便地进入各个部 分监控的子窗口，再点击子窗口中各台电机就可以 再进入该电机变频器参数设置及监控窗。 图3 基于M c G s 的整机工艺流程监控动画窗 F i g 3 M a n a g e m e n ta n dc o n t r o la I l i m a t i o n 诵n d o wo ft e c h n i c sp D o c e d u r eo fw h o l em a c h i n eb a s e do

29、 nM C G S 单台电机变频器主要参数设置及监控窗如图4 所示，当开关设置为自动时，只能由滑杆输入器或输 入框输入轧辊直径和传动速比系数，当开关设置为 手动时则可以直接设置该电机速度和开关机。一般 只有在调试或处理故障时才设置为手动，正常运行 应设为自动。 系统还设有3 个大单元的“运行主要参数集中 设置及监控窗”和每个大单元的“运行主要参数集中 设置及监控窗”，其特点是集中、方便和准确，各个参 数的设置和监视就如同填表和看表一样，非常直 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove

30、the watermark 1 2 0 纺织学报第2 8 卷 图4 单台电机变频器参数设置及监控窗 F i g 4 w i n d o wo fm a I I a g e m e n t ds e 砸n gp 啪m e t e ro f s i n d ev a d a b l ef r e q u e n c yc o n v e r t e r 观。集中监控窗示意图如图5 所示，点击打印按钮 就可将数据表打印出来。将监控数据和正常运行数 据进行比较，可很容易发现各个单元的异常情况，判 断是否有故障或发生故障的隐患，为及时排除故障 及隐患提供可靠的信息，还可以进行自动故障诊断 和自动保护，避

31、免设备事故造成的损失。还有实时 运行参数监控曲线窗和历史监控曲线窗等许多人机 界面，在此不再详细讨论。 4结论 本文将现代P C 机、网络和变频器应用于传统 的多电机直流同步调速系统。实践证明，变频调速 同步法是成功有效的。智能型变频器大大降低了对 计算机控制的实时性要求，将普通P c 机装上工控 组态软件并和变频器联网就组成了多电机群变频调 F i g 5 W i n d o wo fc e n t m lm a n a g e m e n ta n ds e t t i n gm a i np m m e n t e r so fm o t o ra n dv a r i a b l ef

32、 b q u e n c yc o n v e n e ro p e r a t i o n 速同步D c s ，大大简化了系统结构，降低了设备成 械工业出版社，2 0 0 3 本，极大地提高了系统的可靠性和控制管理水平，减 2j 成玲，何勇印染机蟛多电机同步控制系统 J 纺织 竺二零詈竺苎竺苎登；! ! I 三鼍琶皇絮曼要苎掌冀嚣裂嬲机械多电气传动同步控制 和设备运行的经济效益；注意尽量使企业变频器群 一。嘉磊嘉菥五藉聂；猫j ：j ；：兹4 i ：5 ；。：二! 一“。 组D c s 融入整个企业的计算机管理网。该成果有 4 于海生微型计算机控制技术 M 3 版北京：清华大 很大的推广应用价值。心皿学出版社，1 9 9 9 参考文献： 计 J 湖南文理学院学报：自然科学版，2 0 0 5 ( 4 ) ： 1 陈伯时电力拖动自动控制系统fM 2 版E 海：机 6 2 6 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark