前言 　　因為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有重量輕，體積小，使用維護簡單方便的顯著優(yōu)點，并具有和直流調(diào)速相近的良好動靜態(tài)特性[1]，所以已開始取代直流調(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)已開始在造紙、紡織、印染等行業(yè)大量使用。在風機、空調(diào)上大量采用變頻器，節(jié)能達40%[2]。紡織機械設(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)量都上了一個新臺階[2]。在紡織或印染聯(lián)合機將紡織物連續(xù)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(tǒng)能“同步”地協(xié)調(diào)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(guān)鍵問題。如果將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機控制技術(shù)和變頻技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于多電機同步控制之中，則可充分發(fā)揮它們的巨大優(yōu)勢，提高多電機同步系統(tǒng)的控制管理水平和設(shè)備運行的經(jīng)濟效率。 　　1 多電機同步拖動系統(tǒng) 　　一種典型的連續(xù)加工機械多單元電機同步拖動系統(tǒng)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(xù)加工過程中，根據(jù)工藝的不同要求，各單元的線速度（V）要按（1）式關(guān)系保持“同步”協(xié)調(diào)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(guān)系。在造紙和紡織、印染行業(yè)采用多電機同步調(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(zhuǎn)變壓器，自整角機等同步裝置調(diào)節(jié)電機的轉(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，即其動態(tài)品質(zhì)依賴于良好的控制參數(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。 　　這種負載轉(zhuǎn)矩屬恒轉(zhuǎn)矩負載性質(zhì)，并且在正常運行過程中一般都保持不變，雖然生產(chǎn)工藝要求調(diào)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(wǎng)電壓波動對同步系統(tǒng)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(jù)此，我們研究了基于網(wǎng)絡(luò)，由計算機控制變頻器實現(xiàn)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(tǒng)總體方案設(shè)計 　　系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖2所示，其中RS-232/RS-485轉(zhuǎn)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(diào)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(xiàn)場工作站）通過RS-485總線通訊設(shè)定各變頻器的運行參數(shù)實現(xiàn)同步控制。上位PC機和IPC分別安裝網(wǎng)絡(luò)版MCGS工控組態(tài)軟件，這樣由計算機和變頻器群組通過網(wǎng)絡(luò)組成集散控制系統(tǒng)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(shù)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(shù)，進行監(jiān)視、顯示、存儲和打印等。 　　3 新型多電機同步系統(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，有些原來很難完成的工作，現(xiàn)在借助于變頻器可以很容易地實現(xiàn)。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(zhuǎn)矩模式，可以檢測和輸出電機的轉(zhuǎn)速、線速度、電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等信號。借助于這些功能，可以設(shè)計出一些變頻調(diào)速同步方法。 （1）變頻器永磁同步電機群調(diào)法。如果幾個單元的功能和結(jié)構(gòu)相似，每個單元要求驅(qū)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(qū)動，那么這些電機的轉(zhuǎn)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(yīng)略有差別，前面的比后面的依次稍微大一點點。 　?。?）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(qū)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(shè)計拖動系統(tǒng)的軟機械特性實現(xiàn)同步。假設(shè)某臺電機轉(zhuǎn)速上升，則其負載轉(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)速又會降低。那么，轉(zhuǎn)速有上升傾向的電機因負載加重而使轉(zhuǎn)速升不起來；同理，轉(zhuǎn)速有下降傾向的電機因負載變輕使轉(zhuǎn)速也降不下去，結(jié)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(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。 　 （3）大小電機變頻調(diào)速法。一個單元用功率大小不同的兩臺電機變頻調(diào)速驅(qū)動，功率大的電機足以驅(qū)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(zhuǎn)矩模式，可以提供一定的輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，用來調(diào)節(jié)張力的大小。 　　設(shè)加工車速為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為基速即主令電機轉(zhuǎn)速，由加工要求的車速確定，即n1=V/（πd1），從動電機的轉(zhuǎn)速按（3）式設(shè)定，pj為對基速的轉(zhuǎn)速系數(shù)，其值按（4）式計算。不用松緊架或張力傳感器，各臺電機的轉(zhuǎn)速由計算機通過RS-485控制總線分別設(shè)定其變頻器的轉(zhuǎn)速（頻率）實現(xiàn)同步。 　　4 系統(tǒng)控制及與變頻器之間的通信實現(xiàn) 　　系統(tǒng)控制軟件用MCGS組態(tài)軟件編程實現(xiàn)，系統(tǒng)按優(yōu)先級來管理多個任務(wù)進程，通過每個任務(wù)的時間片輪回，宏觀上實現(xiàn)多個進程的并行處理，如串口通訊、數(shù)據(jù)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(xiàn)場工作站之間采用TCP/IP通訊協(xié)議，由MCGS通訊設(shè)備組態(tài)功能實現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)方法。 該變頻器設(shè)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(zhuǎn)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(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。 　　在計算機與變頻器通訊前，需用面板控制器對關(guān)鍵的運行控制參數(shù)進行通訊條件設(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。 　?。?） 表1變頻器運行控制參數(shù)通訊條件設(shè)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(shù)據(jù)+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(shè)為1一31；指令代碼：對應(yīng)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(fā)送讀取命令時，格式中無數(shù)據(jù)這一項。 　?。?） 應(yīng)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(fā)出寫數(shù)據(jù)命令，則應(yīng)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(fā)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(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(shù)據(jù)結(jié)束的控制符，若發(fā)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(xiàn)中，可以用Windows的API函數(shù)來編寫通信程序[6]，也就是分別用CreateFile（），ReadFile（）和WriteFile（）函數(shù)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(shè)備組態(tài)功能來實現(xiàn)[8]，則無需編寫復(fù)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(shè)備通信驅(qū)動程序進行通訊。 　　5 結(jié)論 　　第一，傳統(tǒng)設(shè)備多單元電機直流傳動同步系統(tǒng)逐漸暴露出很多的缺點，應(yīng)盡量挖掘現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡(luò)和變頻器潛在的巨大能力用于取代傳統(tǒng)的多電機直流調(diào)速同步系統(tǒng)，并組成DCS；第二，實踐證明，由計算機控制實現(xiàn)的多電機變頻調(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)用價值。