基于變頻控制器的高頻搖振器控制系統的設計與實現

馬匯海 張君燕，* 孟彥京 胡 斌 柴德喜

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021;2.山東明源智能裝備科技有限公司，山東棗莊，277100;3.陜西科達電氣有限公司，陜西咸陽，712000)

高頻搖振器是一種利用外界驅動力使機械設備高頻振動以達到某種工藝要求的設備，其在造紙行業得到越來越多的應用［1］。造紙過程中高頻搖振器通過搖振連桿連接紙機胸輥，帶動網案使其在軸向上產生高頻率往復振動，有效地加強了纖維的橫向分布，減少漿料絮聚，對紙張勻度和強度有明顯的改善作用［2-3］。

原國產搖振器依靠旋轉偏心機構產生網部搖振驅動力，由于沖擊載荷各傳動機構容易受損，為提高搖振器的搖振頻率，減少設備磨損故障，提高紙機運轉率，工藝上希望搖振器對其基礎的沖擊力越小越好。2003年由德國Voith公司研制出的一種無沖擊高頻搖振器在牡丹江恒豐紙業投入運行［4］，滿足了實際需求;現經國內制造公司改造設計已廣泛用于造紙行業。改造后網部搖振系統采用兩組偏重擺輪通過控制其相位角的改變，從而實現對紙機胸輥驅動力和搖振幅度的控制，電氣設備分別使用伺服電動機與變頻器實現對振幅與振頻的調節，降低運行故障的同時穩定了振幅相位的調整［5-7］。

常見的高頻搖振器在控制系統的設計上，采用伺服控制器與伺服電動機完成對振幅的位置控制［8-9］。伺服控制器與伺服電動機雖然在位置控制精度上有優越性，但成本較高，限制了搖振器的使用范圍。若在位置精度滿足控制要求的前提下，采用變頻控制器+異步電機代替伺服驅動器+伺服電機完成對搖振器的振幅驅動與控制［10］，則在采購與維護成本上大幅度降低，從而提高設備性價比。本課題在充分分析高頻搖振器運行機理的基礎上，采用S7-1200PLC+變頻驅動的硬件結構，結合自主研發的軟件算法完成了對高頻搖振器的閉環控制功能，經實驗仿真和實際運行效果表明，該系統能滿足其控制需求，具有較高的使用價值。

1 工作原理

1.1 結構簡介

無沖擊高頻搖振器機械結構簡圖如圖1所示，正面由2個傳動同步齒輪、2個調節同步齒輪、2個張緊輪和同步帶組成。箱體內部主要裝載4個偏重塊，后部為油站、壓力儀表等監測機構。

原搖振設備的振頻由通用變頻器驅動三相異步電機控制，大小由三相異步電機轉速決定;振幅由伺服驅動器控制，大小由兩組偏重擺輪之間的相對相位角來改變［11］。設備運行時變頻器驅動三相異步主電機作為主驅動，經減速箱和同步傳動帶動整體同步齒輪順時針正轉。中間4個輪固定在箱體上，2個傳動同步齒輪后接2個偏重擺輪轉動產生振次，2個調節同步齒輪安裝在內框架上，通過伺服電動機旋轉帶動精密絲桿發生位移，使相連的內部框架與調節同步齒輪一起平穩地上下移動，從而調節后面一組偏重擺輪相位角的變化，改變搖振幅度。

圖1 無沖擊高頻搖振器機械結構簡圖

1.2 工作原理

搖振箱內部偏重擺輪結構如圖2所示，下面擺輪連接外面傳動同步齒輪為主動，上面為從動，運轉方向與初始偏重塊相位狀態如圖2所示，此時設備運作時4個偏重塊受力相互抵消，不產生軸向的力，無振幅;當需要調節振幅時，左邊一組偏重塊相對位置固定不動，調節右邊偏重塊相對位置 (稱為相位角)，兩者以相同速率轉動，則在軸向上產生沖力，角度轉動180°時振幅最大。

圖2 偏重擺輪結構圖

搖振強度計算見公式 (1)［12］。

式中，Ish為搖振強度系數;nZ為搖振頻率，次/min;A為振幅，mm;v為紙機網速，m/min。

根據實際工作得出搖振強度系數約為3000時生產的紙張質量最優，當網速為300 m/min，振頻設為300次/min時，由公式 (1)可知，振幅為10 mm最佳。

伺服電動機帶動精密絲桿使內框架發生的位移見公式 (2)。

式中，h為內框架上升位移;k為伺服電動機旋轉轉數與精密絲桿位移的傳動比例;l弧為擺輪的弧長;θ為偏心塊移動的相位角;R為擺輪半徑。

擺輪運轉時產生的向心力見公式 (3)。

式中，m為偏重塊質量;T為旋轉周期;r為擺輪質心半徑;f為旋轉頻率，即搖振頻率。

偏重塊相位角移動后產生的搖振沖力，計算見公式(4)。

振頻一定時，調節偏重塊相位角所產生的振幅計算見公式 (5)。

式中，a為振幅加速度;t為單向振動時間。

因振動一次軸向受相反沖力產生來回兩次位移，所以單向振動時間計算見公式 (6)。

式中，f為搖振頻率。

搖振器產生的沖力作用在連接桿上，使其移動發生振幅。搖振沖力的計算見公式 (7)。式中，m桿為連接桿質量。

當不計機械摩擦力時，結合公式 (2)～公式(7)，內框架上升位移計算見公式 (8)。

調節振幅時可先根據公式 (8)推導確定一個位移相近值，然后再通過實際測得振幅值閉環反饋調節重新確定位移大小。

2 系統運行過程

2.1 系統組成

搖振器由電氣控制部分、傳動部分、振幅調節部分、潤滑部分、連接部分等組成。

現將調節振幅的伺服電動機改為變頻器與三相異步電動機的組合，則電氣控制部分采用15 kW三相異步主電機調振頻、1.5 kW三相異步小電機調振幅、2臺ACS-880變頻器、供油電機潤滑、西門子S7-1200 CPU 1214C系列PLC和HMI觸摸屏監控設備運行。傳動部分由傳動同步齒輪通過兩根主傳動軸、平行軸聯軸器與后面的偏重擺輪傳動軸連接。振幅調節部分通過S7-1200 PLC閉環控制ACS-880變頻器與三相異步電動機完成。搖振箱內潤滑部分為集散多孔潤滑，主要包括齒輪與滑動軸承的潤滑、偏重輪滑道的潤滑。連接部分為與造紙機胸輥的連接，兩者需保持在同一軸度下。

2.2 運行過程

搖振器工作前，首先固定內部4個偏重擺輪的初始相位角，確定前端框架的垂直位置，找到振幅為零的點。開機運行時，先開油泵電機，為搖振箱內部噴油潤滑，當監測到潤滑油壓力滿足工作條件后，啟動振頻調節電機，經一臺ACS-880變頻器調節其轉速使內部擺輪搖振次數達到設定值，然后開啟相位調節電機，在另一變頻器驅動下電機帶動蝸輪蝸桿與前端框架向上產生一段位移，相連改變內部一組偏重擺輪的相位角度，使其軸向產生一定搖振力，振幅由此產生。停機前首先調相位電機控制振幅歸零，使偏重擺輪相位角回原位，位移回零點，偏重擺輪不再產生沖力，防止機械設備停止時磨損，再將調節振頻的主電機降速到停止，最后停油泵。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

控制系統的硬件部分以S7-1200PLC為控制中心，分別組態人機接口 (HMI)觸摸面板及SM信號模塊來完成對振頻、振幅計算和控制的主要任務，其部分接線圖如圖3所示。

控制系統通過PLC的5個數字量輸出端口控制繼電器是否得電，分別完成對調振頻主變頻器1的運行控制、調相位電機變頻器2的運行控制、變頻器2方向控制、潤滑油泵運行與相位電機制動運行的控制。該系統還通過7個數字量輸入端口分別反饋相位電機上編碼器狀態、設備急停信號、油泵狀態、相位電機制動狀態、變頻器1與變頻器2的運行狀態。

PLC采用SM1231與SM1232信號模塊分別控制2個模擬量I/O點。SM1231信號模塊0+與0－接收主變頻器輸出的速度模擬量輸入反饋，反饋檢測由主電機內部自帶的編碼器檢測其轉速后傳遞給主變頻控制器。PLC得到相應主電機轉速后，控制并調節其達到所需的振頻。1+與1－接收振幅變送器檢測的實際位移模擬量輸入反饋，控制振幅進行細調。SM1232實現對主變頻器和相位變頻器速度給定模擬量的輸出控制。模擬量的傳輸為避免信號干擾，降低測量精度，使用加屏蔽層的電纜。

主變頻器與相位變頻器采用ABB公司的ACS-880型，輸入端子為速度給定，三相輸出端子控制電機轉速，主變頻器輸出端子實現速度反饋，相位電機上的旋轉編碼器實現位置反饋，振幅實際值通過位移變送器檢測。

3.2 軟件設計

3.2.1 控制方法設計

針對系統中需要監控的關鍵對象，電氣傳動控制系統的軟件設計主要包括兩部分:振頻調節模塊和振幅調節模塊。

振頻調節模塊由PLC運動控制組態軸調用軸指令控制變頻器改變頻率，從而改變主調速電機轉速，經減速箱減速控制偏心輪轉速，再由振頻變送器反饋達到閉環調節振次的目的，系統框圖如圖4所示。振幅調節模塊由內含兩層控制模型的PLC閉環控制組態軸，首先根據振幅與相位電機位移的函數關系控制確定所需位移大小完成粗調，然后結合位移變送器檢測信號完成振幅細調。

其中振幅的控制算法具有抗積分飽和功能，在此基礎上添加位置反饋，控制變頻器調節電機確定零點，并根據編碼器實測脈沖數反饋調節使其達到位置控制精度，最后由實測振幅值再閉環調節，此串級控制使其滿足所需振幅要求，系統框圖如圖5所示。

上述控制算法還具有預控制功能，在位置控制過程中在線反饋校正，用當前過程輸出的測量位置值與前面模型計算出的設定值比較，并用其差與速度設定值一起來修正模型輸出的預估值，克服了擾動及模型失配等問題，可以代替原來的伺服電動機快速完成任務并提高控制精度，控制結構如圖6所示。

在PLC內部提高振幅位置控制精度的預控制系統模塊如圖7所示。根據振幅與內框架上升位移公式(8)計算出所需相位電動機達到的位置設定值，再確定其速度設定值，當獲得實際位置輸出后在線校正，與公式 (8)模型確定的位置設定軌跡一起經過優化計算得到最新速度預估值，從而使電動機輸出符合要求的高精度位移，得到相應的振幅值。

圖3 硬件系統接線圖

圖4 振頻控制系統框圖

圖5 振幅串級控制系統框圖

3.2.2 程序及監控畫面設計

在西門子公司提供的TIA Portal V14編程軟件基礎上進行程序設計與開發，主程序流程圖如圖8所示，該程序運行過程中調用了觸摸屏信號處理、模擬信號處理、數字信號處理、振頻與振幅調節等子程序。

圖6 位置控制器預測控制結構圖

圖7 PLC內部預控制系統模型

圖8 主程序流程圖

觸摸屏模塊實現了任務數據的給定、系統狀態的顯示與調節功能;模擬量采集模塊從外部采集各檢測量，運行數控程序，計算各個頻率、位移等所需變量值;數字量開關模塊控制油泵電機、相位電機及變頻器的運行停止;控制模塊使系統達到控制精度，在串級閉環控制系統中，振幅與編碼器的位移檢測值通過反饋分別傳遞給輸入端，反饋與輸入共同調節整個系統使振幅最終達到控制要求。

工作時當油泵運行使搖振箱內部潤滑油壓力滿足偏重擺輪工作條件后，再啟動主變頻器調振頻，振頻達到設定值后再啟動相位變頻器。同樣若要停止設備，先使相位變頻器位移回零點停止，再停主變頻器，最后停油泵電機。

HMI采用了觸摸屏設備，監控主畫面如圖9所示。圖9中畫面掌握系統工作狀態的同時還可設定變量的參數。圖9中顯示振次、振幅的白色框中為設定值，可修改，灰色框中為實際值。其余各部分設備在畫面中的數據顯示值均為實測值，方便操作員對其進行監控并執行基本任務。

圖9 監控主畫面

4 系統組態及測試結果

4.1 系統組態

在TIA Portal V14編程軟件中調用PLC控制器的兩個控制單元，創建運動工藝軸對象，將驅動器接口設置為模擬驅動器接口，分別對下面的主電機進行速度矢量控制，對調相位電機進行伺服位置控制。主電機通過PLC軟件設定振次來控制主變頻器自動調節輸出頻率，從而來完成對振次的控制。相位電機上安裝絕對值編碼器，組態模擬驅動器與編碼器耦合，選擇高速計數器HSC類型，通過對電機輸出進行實時位置檢測與調節來實現對振幅的控制，工藝對象軸組態如圖10所示，驅動器配置圖如圖11所示。

圖10 工藝對象軸組態

圖11 驅動器配置圖

4.2 測試結果分析

組態模型建立并編程后，搭建實際電控系統如圖12所示。圖12中左上為主電機變頻器，右上為調幅變頻器，最下面為1200-PLC及其附加模塊。

運行并調試整體系統，給定一位置目標，相位調節電動機跟隨轉速調節軌跡運行，當到達設定值收到停止信號后，電動機經過系統調節產生相應波動后穩定停在所需位置。圖13為PLC內部控制電機轉速圖。圖13中PLC控制驅動器使電動機預到達相應位置范圍內，發出停止信號，降低電動機轉速并調節使其上下波動，因在實際工作中對振幅調節允許產生小幅度的超調量，經過調節后使電動機的最終位移在要求時間內達到所需位置精度。

圖13 PLC內部控制電機轉速圖

經實驗調節與觀測獲得搖振器正常工作時的數據內容，其中網速為 300 m/min，振頻設定為 270次/min，由公式 (1)可知，振幅為12.35 mm時生產的紙張質量最優，故振幅設為12.5 mm。

觸摸屏上實際監控畫面顯示見圖14，實際監控中得到振頻為268次/min，振幅為12.0 mm，即振幅誤差控制在±0.5 mm，振頻精度達到±2次/min，測試結果證明該系統能穩定可靠地完成控制目標。

圖14 實際監控畫面

5 結語

為節約電氣設備成本，在實現相同控制任務的電氣系統中通過使用變頻控制器控制異步電動機完成原需伺服電機控制的位置精度，PLC內部采用控制器與組態軸改善了控制方式，提高了控制精度，通過觸摸面板方便工作人員設定所需振頻與振幅值，掌握設備的運行狀態與故障信息等，實驗證明，該系統穩定可靠。根據目前市售配件價格簡單計算可知，節約電氣設備成本約15%。本系統的實現對高頻搖振器的進一步推廣使用具有積極的促進作用，系統具有一定的推廣應用價值。