张攀峰 孟彦京 李颀 党宏社
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陕西科技大学电气与电子工程学院 陕西咸阳 712081
摘要：介绍了纸机变频传动中负荷分配问题产生的原因及影响，同时介绍了 PLC控制负荷分配的原理、方法及应用。
关键词：PLC；负荷分配；变频传动；
中图分类号：TP2
文献标识码：B
The Application of PLC in the Control System of Load Distribution for Paper Machine Zhang, Panfeng Meng, Yanjing Li,Qi Dang, Hongshe
(College of Electrical and Electronic Engineering, Shannxi University of Science and
Technology, Xianyang China 712081)
Abstract: This paper introduced that the reason and impact of load distribution in the variable frequency drive for the paper machine. The principle, method and application of load distribution controlled by PLC are also introduced .
Keywords: PLC；Load Distribution；Variable Frequency Drive
1引言ir油墨
PLC(Programmable Logical Controller)即可编程序控制器，是微型电子计算机与常规控制元件，如继电器等互相结合形成的新型工业自动化控制装置。它是在一位机、顺序控制器和计算机控制的基础上发展起来的；把继电器控制简单易行、成本低、容易掌握等优点和计算机的功能完善、灵活方便、通用性好等特点结合起来；抛弃了传统的计算机编程语言和表达形式，而是以计算机软件技术构成人们习惯的继电器模型，进而得到以继电器电路梯形图为基础的形象编程语言和模块化软件；对于继电器、计时器、定时器和输入信号等内部资源，它可以自如地使用软件构成的逻辑功能多次进行调用。PLC不但能代替继电器控制简单的开、关顺序，而且能够控制模拟量，还具有通讯及联网功能，可形
成分布式控制系统，监测其它的控制器；并能与上位机进行通讯联系，收集生产中的数据，向各主管部门传送重要信息。自60年代末PLC产生至今，PLC控制技术已在工业控制领域占领主导地位，国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和
CAD/CAM）中跃居首位。而自八十年代中期发展起来的交流变频调速技术因其简单、可靠和维护工作量小等特性被广泛应用，并在纸机传动中应用越来越广。负荷分配是纸机传动中的一个关键问题，其控制的好坏将直接影响整个系统的正常运行甚至生产率。传统的纸机负荷分配问题多由设计好的负荷分配器来控制，由于现场的干扰较强，因而使其控制的精度受到影响。在山东成武造纸厂的两条纸机的变频传动控制中，我们用PLC和变频技术结合起来解决负荷分配问题，自应用以来，控制效果良好，大大提高了生产率，为企业创造了可观的经济效益。
2 负荷分配问题产生的原因、影响和控制要求
2.１负荷分配问题产生的原因
在传动控制过程中，如纸机、印染机或其他传动系
有自己的传动电机，经过加压同步运行，对于类似这样
的传动只有电动机速度同步并不能满足实际系统的工作
要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，否则
会出现某台电机出力大，某台电机出力小的情况。
例如山东成武造纸厂有两台纸机，主要包括网部、
真空压榨、压榨、大缸、二缸、施胶、多缸、压光和卷取九个分部，其中压榨部包括真空压榨、压榨主要对纸张进行挤压去水，烘干部包括大缸、二缸、多缸主要对纸张进行烘干，再经过施胶、压光，最后卷取成型。其中每一分部都有一台电机带动，所以共有九台电机，形成分布式传动系基金资助：
陕西省教育厅产业化培育项目（05JC05）；陕西省教育厅专项研究计划（05JK143）
统。同时纸机真空压榨和压榨，上下传动辊都有自己的传动电机，通过加压同步运行，
当线速度一样时，三台电机有可能出现一台出力大一台出力小的现象，这就产生了负荷分配问题。
2.2负荷分配问题产生的影响
负荷分配问题是纸机传动控制中的一个关键性问题，负荷分配问题如果处理不好，就会导致两种情况，第一个方面是在系统启动时，机械部分尺寸不一样，控制尺寸小的电动机因启动较快成
为“电动机”，尺寸大的电机因启动较慢而成为“发电机”，这时控制尺寸小的电动机因承担了过多的负载会过电流，从而变频器会出现过电流保护，影响纸机的正常运行，这就是我们所说的“发电状态”。第二个方面是在系统启动后到达稳态时，由于线速度不同而发生的负荷分配问题，同样会出现控制速度过快电机的因承担更多的负载而导致变频器过电流保护。这些现象都应避免和解决。
2.3负荷分配控制要求
纸机对传动系统要求快、准、稳，所以负荷分配控制也要求快速、稳定和无震荡，所以负荷分配设计时应根据工艺传动要求和工艺操作要求进行合理设计。在设计时，负荷分配和速度链既独立又相互关联，所以在设计时应注意两者的衔接问题。
3 总体设计、变频器和PLC的选型
3.1总体设计
按照企业和设计要求纸机各分部电机的起动、停车和紧急
停车可以仍用接触器—继电器控制，以节省PLC的Ｉ/Ｏ点
氨基酸螯合物数。如图２所示。
3.２变频器的选型
在本次设计中选用日本三菱公司的FR-A540型变频器，该
变频器可以通过控制端子RH、RM和RL选择多段速度，用
STF、STR设置正反转起动，有标准模拟量输入、输出信号，
同时带有RS232通讯口，自身带有变频器异常时的输出端
信道估计子，有过压、过电流保护。在控制过程中，通过PLC与变频器
的控制端子相连来改变输出频率，从而改变电机的转速。
3.３ PLC的选型
各分部的增速、减速、微增和微减各与一个按钮相连作为
控制输入信号进入PLC，所以九个分部共需36个输入信号和
36个输出信号；另外考虑到纸机的负荷分配控制时要用到模
拟量输入，根据Ｉ/Ｏ点数够用和经济原则，故选用OMRON
CQM1型PLC即可完全满足要求。该PLC是日本立石公司生产，采用模块结构，有CPU模块、输入模块、输出模块，A/D转换模块，所用的模块通过专用的导板连接成一个整体。使用模块化结构的最大好处就是可以根据输入、输出的点数进行灵活地配置。该PLC采用了比较先进的微处理
器，尺寸紧奏，可用于一般的控制系统，其特点是处理速度快，抗干扰能力强。其中每个输入模块的输入点数是16，输出点数是8；PLC把所需的模块通过导板连成一个整体以后，CPU会自动的给每个模块分配一个通道号，其中输入通道从000开始，输出通道从100开始。由于CPU模块上
也带有16点的输入，故输入点的编址为00000~00015，由于该系统总的输入点数为36个，因此需另外增加两个输入模块，地址为00100~00115，00200~00215。输出模块需5个，分别编址为10000~10007，10100~10107，10200~10207，10300~10307，10400~10407。各分部的加速、减速、微增和微减均分配了对应的地址。
4速度链和负荷分配控制的设计
4.1速度链的设计
按照纸机的特点和控制要求，对负荷分配进行设计必须结合速度链的设计。由于纸机各分部传送着生产过程中的纸张，所以各分部间要求达到线速度的比例协调，即相邻两个分部间的线速度比值应该保
持恒定，而该比值是由生产工艺决定性的。高精度地、可靠地、保持这个比例系数是保证产品质量，保证生产正常运行的一个重要条件。任何原因(如负载扰动，环境温度变化，电网电压的波动或系统参数变化等)破坏这种比例协调，就会造成断纸或降纸产品质量。分部传动造纸机的速度比例协调功能应在改变车速或在停机后重新开车时继续保持，而毋须重新调节。其次这种比例协调应具有微调功能，以调节相邻两分部间的速差，避免纸张在传送过程中的松驰和过紧现象。速度微调应该灵敏、可靠，不应在调节中有时显的滞后现象，以免操作工人反复调节。这种由主令速度给定值，分配给各分部速度给定值的装置称为速度链。现行的速度链依控制量分有模拟式和数字
式两种。在本次设计中，我们采用由PLC 构成的数字量控制，在控制时将前一级各分部的速度的增速、减速、微增和微减的输入按比例地分配到后一级各分部的速度的增速、减速、微增和微减控制中即可(本文不作重点介绍)。
4.2解决负荷分配问题的原理[1] [2]
在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同，即δ=P i / P ie 相同（P i 为I 电机所承担的负载功
率，P ie 为该电机的额定功率）[3]。而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各分部的速度。所以一般采用速度链主链与子链相结合的设计方法。如图3所示。
负荷分配控制中一般选取一台电机作为本组主电机，连
接在速度链主链上，其它电机作为子电机，形成子链控制结构。下面以三点负荷分配为例进行说明，如图2
所示：编号为0和4
配以1
为主，2、3作为1P 2e 、P 3e 为三台电机的额定功率，P e +P 2e +P 3e 。P 为实际总负载功率，P 1 、P 2 、P 3率，则P= P 1 +P 2 +P 3。系统工作要求P 1=P* P 1e / P e ，P 2P e ，P 3=P* P 3e / P e 。负荷分配的目的就是使P 1 、P 2 、P 3要求。 以电机定子电流代替电机功率。即 其中： I L i ——第Ⅰ台电机出力电流;
I e i ——第Ⅰ台电机额定电流;
I L ——负载总电流;
负荷分配就是依据电机电流，利用上述原理对控制的各台电机进行调节，使电机电流百分比一样，即各电机转矩电流和额定电流比值应相等，这样完成负荷分配的自动控制。
4.3负荷分配的控制
4.3.1使用负荷分配控制器
传统的负荷分配控制一般采用基于单片机的模拟式负荷分配控制器来完成，这时负荷分配控制器采样电机的输出电流，同时检测变频器或直流调速装置的直流电压，再根据上文的负荷分配原理进行计算调节，完成负荷分配控制。其中检测直流电压用于判断电机的运行状态，即判断是发电还是电动状态，以便于判断采集的电机电流是电动电流还是制动电流。这种控制方法的输出可以是数字量也可以
是模拟量，其中数字量的加、减速信号可以连接到速度链控制回路；模拟量的输出可以作为变频器的附加给定。从而依据算法和所编制的单片机程序来完成负荷分配控制。
由于现场干扰较多，对采集负荷分配电机电流的影响较大，所以在很大程度上影响了控制精度，从而也影响了整个纸机的稳定性。
4.3.２使用PLC 进行负荷分配控制
在本次设计中，为了提高系统的精度，我们选用PLC 进行负荷分配控制。压榨部的真空压榨和压榨两部分要进行负荷分配，当整个系统起动时，为了避免出现负荷分配问题，在编程时我们加了如下的程序。
∑==N
i ei L
全方位接触ei Li I I I I 1* 图 3
其中00204、00205分别为真压、压榨起动信号，00210为两分部的单动/联动信号，00207、00208真压、压榨从变频器上取得的发电状态信号，00211爬行运行状态信号，00212频率到达信号，当真压和压榨启动时00204、00205闭合，无论单动还是联动00210都闭合，在电机爬行运行时00211闭合，当压榨是发电状态时00208闭合，从而当爬行时只要压榨是发电状态就控制PLC的内部继电器01604，在将01604的信号并入主程序压榨的加速控制中，从而控制压榨加速，使压榨部电机加速不在处于发电状态，使系统平稳。使系统完成启动过程中的负荷分配。同理，若是压榨拖动真压则通过控制01605控制压榨的减速。从而解决了起动过程中的负荷问题。
当系统完成起动过程而处于稳定状态时，为了避免出现负荷分配问题，设计时先从控制压榨和真空压榨的两台变频器上取出电流，将此电流通过CQM1的A/D转换器转换，再从A/D转换器的输出端004(真压)、005(压榨)引出分别存入CQM1的寄存器D0021和 D0022中，再将此两数字量转化成BCD码(因为CQM1中的数以BCD的码进行运算)重新放入寄存器D0021和 D0022中。在控制中需将真压或压榨的电流其中之一设为参照量进行比较，我们根据电机的特点设真压电流的15%为参照量，并将此值的15%放入寄存器D0030中，将真压和压榨电机的电流信号(分别存入在D0021和
D0022中)的差值存入D0023中，由于造纸机前后各部允许有一定的速度差，为了避免频繁进行速度调
节而导致速度不稳定，所以如果D0023中的值在D0030值范围之内则不进行调节。若大于或小于D0030值的范围，将调节压榨的电动机的速度，避免使其一出现过电流情况。在设计时加了一个间隔定时中断程序，来定时间隔扫描控制两电机变频器上的电流信号，根据检测的结果判断是否调用解决负荷分配的子程序(SBN0000)，再将由子程序所得的结果并入前面的主程序实现衔接即可。 程序流程图如下图所示：
图4程序流程图
5总结
(1) 本文作者的创新点是采用PLC来控制纸机的速度链和负荷分配控制，在进行负荷分配控制时，通过PLC的A/D模块读取负荷分配电机的电流，然后将电流值经过BCD码转换，利用程序来判断是否进行和如何进行负荷分配，和常用的采用模拟控制器来解决负荷分配的方法相比较，很大
程度的减小了干扰，大大增加了系统的可靠性。该系统自投入运行以来，一直运行可靠，为该企业取得了良好的经济效益。
(2) 负荷分配是纸机变频传动中很普遍的现象，有时会出现两台以上的电动机拖动同一负载，即多电机负荷分配。同样可用上述解决负荷分配的原理并结合PLC控制来进行程序设计。对于印染
机或其他传动系统中遇到的类似纸机中的负荷分配问题也可以采用上述的控制方法。
(3) PLC能够适应高温度、高粉尘、有冲击和连续振动的工作条件，不受恶劣环境的影响，这些是普通
微机不能承受的。对于中间继电器较多、电控线路复杂和定时装置要求非常精确的控制系统，使用PLC的优越性就更多。随着我国微电子技术的迅速发展， PLC将会在矿山、造纸和粮库旧电气设备的改造和新型设备的自动控制中得到日益广泛的应用，并且发挥越来越大的作用。
（4）导师审完此稿后认为用PLC来完成纸机的速度链和负荷分配控制，技术先进，是现行纸机传动控制的趋势，该篇文章立意新颖，创新性强，对PLC在纸机传动控制中应用的推广有一定的
参考价值。
参 考 文 献
[1] 葛保华西门子6SE70变频器在纸机控制系统中的应用．微计算机信息，(2005)07-1：导电碳油
126~127．
[2] 孟彦京造纸机变频传动原理与设计．陕西人民出版社出版，2002：116～121．
[3] 陈伯时电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社,1992：51～76．
作者简介：
张攀峰，男，1975年生，讲师，在职研究生，主要研究方向电力电子及电力传动。
Email: zhangpanfeng@sust.edu
孟彦京（1956-），男，教授，研究生导师，研究方向为电力电子传动及其应用。
Author Introduction:
Zhang, Panfeng, male, born in 1975,Main research interests include electricity transmission. Email: zhangpanfeng@sust.edu
Meng, Yanjing, male, born in 1956,Professor, Main research interests include electricity technology and application.
