計算機在新型多電機同步系統中的應用

前言

　　因為交流變頻調速系統與直流調速系統相比，具有重量輕，體積小，使用維護簡單方便的顯著優點，并具有和直流調速相近的良好動靜態特性[1]，所以已開始取代直流調速系統。

隨著集成電路、功率器件制造技術的成熟和成本的不斷下降，變頻調速技術已開始在造紙、紡織、印染等行業大量使用。在風機、空調上大量采用變頻器，節能達40%[2]。紡織機械設備上應用變頻調速以后，提高了設備的轉速和調速精度，使產品的產量、質量都上了一個新臺階[2]。在紡織或印染聯合機將紡織物連續加工的運行過程中，各加工單元的主動輥分別由一臺電動機拖動，由于要求各單元進出物料的速度一致，所以要求多單元電氣傳動系統能“同步”地協調運行。這種要求很普遍，如造紙過程，多級輸送帶等，這是需要解決的關鍵問題。如果將網絡技術、計算機控制技術和變頻技術相結合，應用于多電機同步控制之中，則可充分發揮它們的巨大優勢，提高多電機同步系統的控制管理水平和設備運行的經濟效率。

　　1 多電機同步拖動系統

　　一種典型的連續加工機械多單元電機同步拖動系統如圖1所示，其中M1為主令單元電機，其它的為從動單元電機，在物料的連續加工過程中，根據工藝的不同要求，各單元的線速度（V）要按（1）式關系保持“同步”協調運行。


前兩類加工控制要求最為普遍，在加工中要求保持各單元之間加工物料的張力恒定或者保持 的關系。在造紙和紡織、印染行業采用多電機同步調速方案的設備非常之多，傳統設備采用笨重的直流電動機加變速箱傳動，如圖1所示，各單元之間采用擺式或輥式松緊架[3]，旋轉變壓器，自整角機等同步裝置調節電機的轉速，或者采用張力傳感器構成恒張力控制系統。雖然這些方法可以實現同步控制，但精度較低，可靠性較差[4]。究其原因，這是由反饋閉環控制系統的固有特性所決定的，即其動態品質依賴于良好的控制參數配合，而其穩態控制精度則取決于給定裝置和檢測反饋裝置的精度和穩定度。但是，這些模擬裝置經常受到電位器接觸不良，元件參數變值，放大器溫度漂移，線路漏電和各種電磁輻射等許多因素的干擾。如果采用高精度、高質量的傳感器和控制器則因所需要的數量太多而使設備成本大大增加。

　　這種負載轉矩屬恒轉矩負載性質，并且在正常運行過程中一般都保持不變，雖然生產工藝要求調速，但是對速度的精度要求并不高，主要是對同步控制的要求高，另外由于主要擾動即電網電壓波動對同步系統來說屬于共模擾動，對同步不會有多大的影響，況且變頻器具有很強的抗電源電壓波動的能力。據此，我們研究了基于網絡，由計算機控制變頻器實現的，不用松緊架或張力等傳感器的新型多電機同步控制方案。

　　2 系統總體方案設計

　　系統的總體設計方案如圖2所示，其中RS-232/RS-485轉換器如圖3所示。對于要求同步的那些多單元拖動電機都采用交流變頻調速，并且將這些智能型變頻器分成一個組（最多31臺），由工控制機IPC（現場工作站）通過RS-485總線通訊設定各變頻器的運行參數實現同步控制。上位PC機和IPC分別安裝網絡版MCGS工控組態軟件，這樣由計算機和變頻器群組通過網絡組成集散控制系統即DCS。通過上位機和工作站可以對每一臺變頻器的運行參數進行讀取，改寫和顯示，同時對電動機的運行情況，如定子電流、電壓、頻率等參數，進行監視、顯示、存儲和打印等。


　　3 新型多電機同步系統的同步原理與方法

　　由于變頻技術的成熟和變頻器功能的逐步完善，有些原來很難完成的工作，現在借助于變頻器可以很容易地實現。例如，無速度傳感器矢量控制變頻器既可以工作在速度模式，也可以工作在轉矩模式，可以檢測和輸出電機的轉速、線速度、電壓、電流和轉矩等信號。借助于這些功能，可以設計出一些變頻調速同步方法。

（1）變頻器永磁同步電機群調法。如果幾個單元的功能和結構相似，每個單元要求驅動的功率不大、相距也不太遠，則可以考慮每個單元各用一臺永磁同步電機拖動，共用一臺變頻器來驅動，那么這些電機的轉速都相等。如果各主動輥的直徑都完全相等則能嚴格同步；如果需要保證一定的加工張力則直徑應略有差別，前面的比后面的依次稍微大一點點。

　　（2）變頻器電流負反饋軟機械特性法。對于每個單元各有一臺異步電機和一臺變頻器驅動，并且要求有一定加工張力的情況，可以引入矢量控制變頻器的電流輸出負反饋來設計拖動系統的軟機械特性實現同步。假設某臺電機轉速上升，則其負載轉矩因后面與前面加工料的張力差增大而增大，而電磁轉矩卻減小，轉速又會降低。那么，轉速有上升傾向的電機因負載加重而使轉速升不起來；同理，轉速有下降傾向的電機因負載變輕使轉速也降不下去，結果使各軋輥線速度都保持一致，這樣就使電機間保持良好的同步。注意，各單元的線速度一般應設定得前面的比后面的依次稍大一些，以此調節物料加工所要求的張力大小。

　 （3）大小電機變頻調速法。一個單元用功率大小不同的兩臺電機變頻調速驅動，功率大的電機足以驅動該單元，決定該單元的速度大小，其變頻器工作在速度模式；功率小的電機其變頻器工作在轉矩模式，可以提供一定的輔助驅動轉矩，用來調節張力的大小。

　　設加工車速為V，由（1）式有
　　即
　　Vj= kj V，j =0、1、2…m （2）
　　設軋輥的直徑為d，電機的轉速為n，則有V=V1=πd1n1和 Vj=πdjnj，代入（2）式并整理得
　　nj = pjn1， j =0、1、2…m （3）
　　pj =kjd1/dj， j =0、1、2…m （4）
　　n1為基速即主令電機轉速，由加工要求的車速確定，即n1=V/（πd1），從動電機的轉速按（3）式設定，pj為對基速的轉速系數，其值按（4）式計算。不用松緊架或張力傳感器，各臺電機的轉速由計算機通過RS-485控制總線分別設定其變頻器的轉速（頻率）實現同步。

　　4 系統控制及與變頻器之間的通信實現

　　系統控制軟件用MCGS組態軟件編程實現，系統按優先級來管理多個任務進程，通過每個任務的時間片輪回，宏觀上實現多個進程的并行處理，如串口通訊、數據存盤及處理、控制算法、工藝動畫顯示、趨勢曲線、報警畫面和打印等。上位PC和IPC主機操作采用一系列友好直觀的人機交互界面，使得對整個DCS的操作管理變得非常的靈活和方便。

　　上位機與現場工作站之間采用TCP/IP通訊協議，由MCGS通訊設備組態功能實現通訊。IPC與變頻器之間通過RS-485總線采用主從方式進行多機通信，網上的每一次通信都由主機控制完成，由地址碼確定和識別各臺變頻器。下面以三菱公司的FR-E500型變頻器為例闡明計算機與變頻器之間通訊的實現方法。
該變頻器設有PU接口，通過它可進行面板控制或電腦串行RS-485通信。PU口實際上是一個水晶頭插槽，當裝上控制面板操作時，用到了所有的8個金屬引腳；當通過RS-485總線與計算機通信時，只要使用其中的RDA，RDB，SDA，SDB，SG5個引腳。該型號變頻器提供了全雙工RS-485通信，而通常所使用的都是半雙工型RS-485接口，所以用RS-232/RS-485轉換頭提供的T/R+，T/R-，GND三個引腳，通過將RDA，SDA線對連接至T/R+，RDB，SDB線對連接至T/R-，變頻器上的GND連接轉換頭的GND，這樣就完成了電器規格的全雙工串行RS-485到半雙工串型RS-485的轉換。

　　在計算機與變頻器通訊前，需用面板控制器對關鍵的運行控制參數進行通訊條件設定，設定值如表1所示。FR-E500型變頻器的通訊幀格式分為兩大類。

　　（1） 表1變頻器運行控制參數通訊條件設定

接收幀即計算機傳送給變 頻器的指令格式為：ENQ+地址碼+指令代碼+等待時間+數據+總校驗和+回車換行符；其中，ENQ為表示命令開始的控制符；地址碼可為0一31，這里設為1一31；指令代碼：對應對變頻器各種操作的命令代碼，如讀出頻率為6F。注意，當計算機發送讀取命令時，格式中無數據這一項。

　　（2） 應答幀即變頻器反饋給計算機的指令格式為：①若上位機向變頻器發出寫數據命令，則應答幀格式為：ACK+地址碼+回車換行符；其中，ACK為表示變頻器被成功寫入的控制符，若發生錯誤，控制符為NAK，并返回錯誤代碼；②若上位機向變頻器發出讀數據命令，則應答幀格式為：STX+地址碼+讀出數據+ETX+總校驗和+回車換行符；其中，STX為表示變頻器成功讀出的控制符，ETX為表示數據結束的控制符，若發生錯誤，控制符為NAK，并返回錯誤代碼。注意，不同型號的變頻器其通訊幀格式往往不同，故最好盡量選用相同的型號。

　　在IPC的串口通訊實現中，可以用Windows的API函數來編寫通信程序[6]，也就是分別用CreateFile（），ReadFile（）和WriteFile（）函數來對一個串口分別進行打開，讀和寫的操作；也可以用MFC類庫或ActiveX控件方式來對串口進行操作 [7]；如果用MCGS的設備組態功能來實現[8]，則無需編寫復雜的通信程序，可利用廠家提供的變頻器或控制變頻器的PLC/DSP的設備通信驅動程序進行通訊。

　　5 結論

　　第一，傳統設備多單元電機直流傳動同步系統逐漸暴露出很多的缺點，應盡量挖掘現代計算機、網絡和變頻器潛在的巨大能力用于取代傳統的多電機直流調速同步系統，并組成DCS；第二，實踐證明，由計算機控制實現的多電機變頻調速新型同步系統是成功有效的；第三、這種新型同步系統大大簡化了結構，降低了成本，極大地提高了可靠性和控制管理水平，有很大的推廣應用價值。