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前言
因?yàn)榻涣髯冾l調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有重量輕，體積小，使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便的顯著優(yōu)點(diǎn)，并具有和直流調(diào)速相近的良好動(dòng)靜態(tài)特性，所以已開(kāi)始取代直流調(diào)速系統(tǒng)。
隨著集成電路、功率器件制造技術(shù)的成熟和成本的不斷下降，變頻調(diào)速技術(shù)已開(kāi)始在造紙、紡織、印染等行業(yè)大量使用。在風(fēng)機(jī)、空調(diào)上大量采用變頻器，節(jié)能達(dá)40%。紡織機(jī)械設(shè)備上應(yīng)用變頻調(diào)速以后，提高了設(shè)備的轉(zhuǎn)速和調(diào)速精度，使產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量都上了一個(gè)新臺(tái)階。在紡織或印染聯(lián)合機(jī)將紡織物連續(xù)加工的運(yùn)行過(guò)程中，各加工單元的主動(dòng)輥分別由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，由于要求各單元進(jìn)出物料的速度一致，所以要求多單元電氣傳動(dòng)系統(tǒng)能“同步”地協(xié)調(diào)運(yùn)行。這種要求很普遍，如造紙過(guò)程，多級(jí)輸送帶等，這是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。如果將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于多電機(jī)同步控制之中，則可充分發(fā)揮它們的巨大優(yōu)勢(shì)，提高多電機(jī)同步系統(tǒng)的控制管理水平和設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效率。
1 多電機(jī)同步拖動(dòng)系統(tǒng)
一種典型的連續(xù)加工機(jī)械多單元電機(jī)同步拖動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，其中M1為主令單元電機(jī)，其它的為從動(dòng)單元電機(jī)，在物料的連續(xù)加工過(guò)程中，根據(jù)工藝的不同要求，各單元的線(xiàn)速度（V）要按（1）式關(guān)系保持“同步”協(xié)調(diào)運(yùn)行。
前兩類(lèi)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(guān)系。在造紙和紡織、印染行業(yè)采用多電機(jī)同步調(diào)速方案的設(shè)備非常之多，傳統(tǒng)設(shè)備采用笨重的直流電動(dòng)機(jī)加變速箱傳動(dòng)，如圖1所示，各單元之間采用擺式或輥式松緊架[3>，旋轉(zhuǎn)變壓器，自整角機(jī)等同步裝置調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，或者采用張力傳感器構(gòu)成恒張力控制系統(tǒng)。雖然這些方法可以實(shí)現(xiàn)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(huán)控制系統(tǒng)的固有特性所決定的，即其動(dòng)態(tài)品質(zhì)依賴(lài)于良好的控制參數(shù)配合，而其穩(wěn)態(tài)控制精度則取決于給定裝置和檢測(cè)反饋裝置的精度和穩(wěn)定度。但是，這些模擬裝置經(jīng)常受到電位器接觸不良，元件參數(shù)變值，放大器溫度漂移，線(xiàn)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(zhì)量的傳感器和控制器則因所需要的數(shù)量太多而使設(shè)備成本大大增加。
這種負(fù)載轉(zhuǎn)矩屬恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載性質(zhì)，并且在正常運(yùn)行過(guò)程中一般都保持不變，雖然生產(chǎn)工藝要求調(diào)速，但是對(duì)速度的精度要求并不高，主要是對(duì)同步控制的要求高，另外由于主要擾動(dòng)即電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)同步系統(tǒng)來(lái)說(shuō)屬于共模擾動(dòng)，對(duì)同步不會(huì)有多大的影響，況且變頻器具有很強(qiáng)的抗電源電壓波動(dòng)的能力。據(jù)此，我們研究了基于網(wǎng)絡(luò)，由計(jì)算機(jī)控制變頻器實(shí)現(xiàn)的，不用松緊架或張力等傳感器的新型多電機(jī)同步控制方案。
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，其中RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器如圖3所示。對(duì)于要求同步的那些多單元拖動(dòng)電機(jī)都采用交流變頻調(diào)速，并且將這些智能型變頻器分成一個(gè)組（最多31臺(tái)），由工控制機(jī)IPC（現(xiàn)場(chǎng)工作站）通過(guò)RS-485總線(xiàn)通訊設(shè)定各變頻器的運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)同步控制。上位PC機(jī)和IPC分別安裝網(wǎng)絡(luò)版MCGS工控組態(tài)軟件，這樣由計(jì)算機(jī)和變頻器群組通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組成集散控制系統(tǒng)即DCS。通過(guò)上位機(jī)和工作站可以對(duì)每一臺(tái)變頻器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行讀取，改寫(xiě)和顯示，同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，如定子電流、電壓、頻率等參數(shù)，進(jìn)行監(jiān)視、顯示、存儲(chǔ)和打印等。
3 新型多電機(jī)同步系統(tǒng)的同步原理與方法
由于變頻技術(shù)的成熟和變頻器功能的逐步完善，有些原來(lái)很難完成的工作，現(xiàn)在借助于變頻器可以很容易地實(shí)現(xiàn)。例如，無(wú)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(zhuǎn)矩模式，可以檢測(cè)和輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速、線(xiàn)速度、電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等信號(hào)。借助于這些功能，可以設(shè)計(jì)出一些變頻調(diào)速同步方法。
（1）變頻器永磁同步電機(jī)群調(diào)法。如果幾個(gè)單元的功能和結(jié)構(gòu)相似，每個(gè)單元要求驅(qū)動(dòng)的功率不大、相距也不太遠(yuǎn)，則可以考慮每個(gè)單元各用一臺(tái)永磁同步電機(jī)拖動(dòng)，共用一臺(tái)變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)，那么這些電機(jī)的轉(zhuǎn)速都相等。如果各主動(dòng)輥的直徑都完全相等則能?chē)?yán)格同步；如果需要保證一定的加工張力則直徑應(yīng)略有差別，前面的比后面的依次稍微大一點(diǎn)點(diǎn)。
?。?）變頻器電流負(fù)反饋軟機(jī)械特性法。對(duì)于每個(gè)單元各有一臺(tái)異步電機(jī)和一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，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(fù)反饋來(lái)設(shè)計(jì)拖動(dòng)系統(tǒng)的軟機(jī)械特性實(shí)現(xiàn)同步。假設(shè)某臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，則其負(fù)載轉(zhuǎn)矩因后面與前面加工料的張力差增大而增大，而電磁轉(zhuǎn)矩卻減小，轉(zhuǎn)速又會(huì)降低。那么，轉(zhuǎn)速有上升傾向的電機(jī)因負(fù)載加重而使轉(zhuǎn)速升不起來(lái)；同理，轉(zhuǎn)速有下降傾向的電機(jī)因負(fù)載變輕使轉(zhuǎn)速也降不下去，結(jié)果使各軋輥線(xiàn)速度都保持一致，這樣就使電機(jī)間保持良好的同步。注意，各單元的線(xiàn)速度一般應(yīng)設(shè)定得前面的比后面的依次稍大一些，以此調(diào)節(jié)物料加工所要求的張力大小。
?。?）大小電機(jī)變頻調(diào)速法。一個(gè)單元用功率大小不同的兩臺(tái)電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，功率大的電機(jī)足以驅(qū)動(dòng)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(jī)其變頻器工作在轉(zhuǎn)矩模式，可以提供一定的輔助驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用來(lái)調(diào)節(jié)張力的大小。
設(shè)加工車(chē)速為V，由（1）式有
即
Vj= kj V，j =0、1、2…m （2）
設(shè)軋輥的直徑為d，電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速，由加工要求的車(chē)速確定，即n1=V/（πd1），從動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速按（3）式設(shè)定，pj為對(duì)基速的轉(zhuǎn)速系數(shù)，其值按（4）式計(jì)算。不用松緊架或張力傳感器，各臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485控制總線(xiàn)分別設(shè)定其變頻器的轉(zhuǎn)速（頻率）實(shí)現(xiàn)同步。
4 系統(tǒng)控制及與變頻器之間的通信實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)控制軟件用MCGS組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)按優(yōu)先級(jí)來(lái)管理多個(gè)任務(wù)進(jìn)程，通過(guò)每個(gè)任務(wù)的時(shí)間片輪回，宏觀(guān)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程的并行處理，如串口通訊、數(shù)據(jù)存盤(pán)及處理、控制算法、工藝動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線(xiàn)、報(bào)警畫(huà)面和打印等。上位PC和IPC主機(jī)操作采用一系列友好直觀(guān)的人機(jī)交互界面，使得對(duì)整個(gè)DCS的操作管理變得非常的靈活和方便。
上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)工作站之間采用TCP/IP通訊協(xié)議，由MCGS通訊設(shè)備組態(tài)功能實(shí)現(xiàn)通訊。IPC與變頻器之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信，網(wǎng)上的每一次通信都由主機(jī)控制完成，由地址碼確定和識(shí)別各臺(tái)變頻器。下面以三菱公司的FR-E500型變頻器為例闡明計(jì)算機(jī)與變頻器之間通訊的實(shí)現(xiàn)方法。
該變頻器設(shè)有PU接口，通過(guò)它可進(jìn)行面板控制或電腦串行RS-485通信。PU口實(shí)際上是一個(gè)水晶頭插槽，當(dāng)裝上控制面板操作時(shí)，用到了所有的8個(gè)金屬引腳；當(dāng)通過(guò)RS-485總線(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信時(shí)，只要使用其中的RDA，RDB，SDA，SDB，SG5個(gè)引腳。該型號(hào)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(zhuǎn)換頭提供的T/R+，T/R-，GND三個(gè)引腳，通過(guò)將RDA，SDA線(xiàn)對(duì)連接至T/R+，RDB，SDB線(xiàn)對(duì)連接至T/R-，變頻器上的GND連接轉(zhuǎn)換頭的GND，這樣就完成了電器規(guī)格的全雙工串行RS-485到半雙工串型RS-485的轉(zhuǎn)換。
在計(jì)算機(jī)與變頻器通訊前，需用面板控制器對(duì)關(guān)鍵的運(yùn)行控制參數(shù)進(jìn)行通訊條件設(shè)定，設(shè)定值如表1所示。FR-E500型變頻器的通訊幀格式分為兩大類(lèi)。
?。?） 表1變頻器運(yùn)行控制參數(shù)通訊條件設(shè)定
接收幀即計(jì)算機(jī)傳送給變 頻器的指令格式為：ENQ+地址碼+指令代碼+等待時(shí)間+數(shù)據(jù)+總校驗(yàn)和+回車(chē)換行符；其中，ENQ為表示命令開(kāi)始的控制符；地址碼可為0一31，這里設(shè)為1一31；指令代碼：對(duì)應(yīng)對(duì)變頻器各種操作的命令代碼，如讀出頻率為6F。注意，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送讀取命令時(shí)，格式中無(wú)數(shù)據(jù)這一項(xiàng)。
（2） 應(yīng)答幀即變頻器反饋給計(jì)算機(jī)的指令格式為：①若上位機(jī)向變頻器發(fā)出寫(xiě)數(shù)據(jù)命令，則應(yīng)答幀格式為：ACK+地址碼+回車(chē)換行符；其中，ACK為表示變頻器被成功寫(xiě)入的控制符，若發(fā)生錯(cuò)誤，控制符為NAK，并返回錯(cuò)誤代碼；②若上位機(jī)向變頻器發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，則應(yīng)答幀格式為：STX+地址碼+讀出數(shù)據(jù)+ETX+總校驗(yàn)和+回車(chē)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(shù)據(jù)結(jié)束的控制符，若發(fā)生錯(cuò)誤，控制符為NAK，并返回錯(cuò)誤代碼。注意，不同型號(hào)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(hào)。
在IPC的串口通訊實(shí)現(xiàn)中，可以用Windows的API函數(shù)來(lái)編寫(xiě)通信程序[6>，也就是分別用CreateFile（），ReadFile（）和WriteFile（）函數(shù)來(lái)對(duì)一個(gè)串口分別進(jìn)行打開(kāi)，讀和寫(xiě)的操作；也可以用MFC類(lèi)庫(kù)或ActiveX控件方式來(lái)對(duì)串口進(jìn)行操作 [7>；如果用MCGS的設(shè)備組態(tài)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)[8>，則無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的通信程序，可利用廠(chǎng)家提供的變頻器或控制變頻器的PLC/DSP的設(shè)備通信驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通訊。
5 結(jié)論
第一，傳統(tǒng)設(shè)備多單元電機(jī)直流傳動(dòng)同步系統(tǒng)逐漸暴露出很多的缺點(diǎn)，應(yīng)盡量挖掘現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和變頻器潛在的巨大能力用于取代傳統(tǒng)的多電機(jī)直流調(diào)速同步系統(tǒng)，并組成DCS；第二，實(shí)踐證明，由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的多電機(jī)變頻調(diào)速新型同步系統(tǒng)是成功有效的；第三、這種新型同步系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，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(yīng)用價(jià)值。 | 
