• 關鍵詞： 負載分配、負載因數、負載分配控制器、矢量控制|多臺電機負載分配控制的應用||孔德才、駱永萍、謝會成|濟南鋼鐵集團總公司第三煉鋼廠| 控制系統| 冶金
• 摘要：濟鋼第三煉鋼廠引進VAI(奧鋼聯)的板坯連鑄機中，利用負載分配控制技術實現對20臺拉矯電機的控制，不僅保證了產品的質量，而且確保了電機的壽命。為了實現負載分配控制，分別采用負載控制器技術、PLC和變頻器之間的PROFIBUS通訊技術、以及變頻器的矢量控制技術。

［摘要］濟鋼第三煉鋼廠引進VAI(奧鋼聯)的板坯連鑄機中，利用負載分配控制技術實現對20臺拉矯電機的控制，不僅保證了產品的質量，而且確保了電機的壽命。為了實現負載分配控制，分別采用負載控制器技術、PLC和變頻器之間的PROFIBUS通訊技術、以及變頻器的矢量控制技術。
［關鍵詞］負載分配、負載因數、負載分配控制器、矢量控制


0 前言
隨著生產技術和裝備水平的不斷提高，特別是在一些使用大型設備進行生產的過程中，利用多臺電動機對同一臺設備進行驅動得到了廣泛的應用，此時對多臺電機負載進行分配控制就顯得尤為重要。
濟鋼第三煉鋼廠引進VAI(奧鋼聯)的板坯連鑄機中，為了實現對多達20臺拉矯電機的控制，就采用了負載分配控制技術。為了保證鑄坯上的拉矯力矩為一個常數，在每個電機之間提供了負載分配功能。根據所有電機上的總拉矯電流，負載分配控制器能為拉矯電機計算出一個相應的修正后的速度設定值（速度偏差），把修正后的設定值與拉矯電機的實際給定值相加，他們的和作為總的速度給定值送給相應的拉矯電機變頻器，就可以通過變頻器的矢量控制實現對電機的負載分配。根據所有拉矯電機的總負載，可以在HMI上通過設定每臺電機的各自負載因數對每臺電機的負載進行校正，負載因數可以在-100..0..+100 %之間變化，一個負的負載因數產生的力矩反作用于澆注方向，以防止鑄坯下滑。這樣，通過采用負載分配技術，就可使整個扇形段中的鑄坯上的拉矯力矩為一個常數，確保了板坯表面承受的拉力不變，不至于在拉矯過程中因拉力不均勻造成板坯的質量出現問題；同時，通過對紅坯的鑄流跟蹤，PLC自動修正負載因數以保證不同冷卻情況下的紅坯承受不同的壓力，以保證紅坯表面質量；所有這些都確保了鑄坯的質量。另外，實現拉矯電機的負載分配控制后，可以確保每臺拉矯電機不會產生過載現象，以保證電機的可靠運行，提高電機的運行壽命，減少設備故障率，從而達到提高生產效率的目的。

2 控制功能的實現
根據圖1的控制原理圖可知，要想實現對電機負載力矩的分配，主要控制過程可分為三部分：
l 在PLC內實現負載控制器程序的設計。
l 在PLC和變頻器之間進行數據通訊，PLC從變頻器中讀取實際力矩，用作負載控制器的輸入信號；變頻器從PLC中讀取速度給定值（速度設定值+負載力矩控制器輸出的偏差值），用作變頻器的給定信號。
l 在變頻器中利用矢量控制方式對單臺電動機對速度和力矩進行控制。
因此，為實現對多臺電動機的負載分配控制，主要的控制過程就是對上述三個過程進行設置。濟鋼第三煉鋼廠引進VAI(奧鋼聯)的板坯連鑄機中，PLC采用了SIEMENS的S7—400系列的PLC作為主站，變頻器采用SIEMENS書本型變頻器(MASTERDRIVERS VC )作為DP從站，主站與從站之間采用PROFIBUS總線進行通訊；變頻器采用編碼器檢測速度反饋組成速度閉環，實現矢量控制。下面對利用PLC進行負載控制器的設計和PLC與變頻器的PROFIBUS通訊進行介紹，而對于變頻器的矢量控制因其應用比較多，這里不作介紹。
2.1 負載控制器的設計
　　由于負載控制器的輸出是作為變頻器速度設定值的偏差參與控制，因此負載控制器是在PLC中通過編程來實現的。濟鋼第三煉鋼廠板坯連鑄機中，控制系統中使用了S7—400系列的SIEMENS PLC，負載控制器的程序設計是由SIEMENS的STEP7進行編程的。由圖1負載分配控制原理圖可知，首先將力矩設定值Fseti和從變頻器中讀出的力矩實際值Frefi進行比較，經過一個PID調節器的控制后輸出一個修正后的速度設定值，作為電機速度設定值的一個偏差值與速度給定值相加作為總的速度給定值（VTseti）輸入到變頻器中，參與電機的調速過程，從而對拉矯電機實現負載分配控制和速度控制。在PLC中實現力矩的PID調節的程序流程圖，如圖2所示。


2.2 PLC與變頻器的通訊
為了對拉矯電機進行負載分配控制，PLC中的負載控制器要隨時從變頻器中讀取每臺電機的實際力矩，同時要將總的速度給定值寫入變頻器對拉矯電機進行負載控制和矢量控制。因此，正確實現PLC與變頻器之間的信息通訊是整個負載分配控制的關鍵一環。
濟鋼第三煉鋼廠引進VAI(奧鋼聯)的板坯連鑄機中，PLC采用了SIEMENS的S7—400系列的PLC，變頻器采用SIEMENS書本型變頻器(MASTERDRIVERS VC )，它們之間采用PROFIBUS總線進行通訊。PROFIBUS 是符合歐洲標準 EN 50170的一種現場總線標準，它主要采用OSI通訊協議層中的1—2層。主站與主站之間 PROFIBUS是根據令牌傳遞過程工作的，即在一個邏輯環中，主站成為一個確定時間窗口的令牌保持著，在這個時間窗口內，擁有令牌的主站能夠與其他主站通訊。同時它使用一個較低的主--從過程，實現與從站通訊。這里采用了PROFIBUS—DP總線方式，允許在PLC和傳動裝置（例如，變頻器）之間進行快速的數據交換。對傳動裝置的存取總是按照主--從方式進行的，傳動裝置總是從站，且每個從站本身都有明確的地址。PROFIBUS周期性傳輸的報文結構如圖3所示：


對于傳動裝置可用數據區被劃分成2個數據區，它們以各自的報文進行數據傳送。
·過程數據區（PZD）：控制字和設定值；或狀態字和實際值。
·參數區：（PKW）：用于讀寫參數，讀出故障信息等。
根據自動化網絡中傳動裝置的任務不同，用于PROFIBUS—DP主站到變頻器通訊類型的PPO被分為5種。在這套系統中采用了PPO2型通訊報文，它的報文結構如圖4所示：




3 結束語：
總之，在多臺電機驅動同一設備的過程中使用負載分配控制技術，對于提高產品的質量以及減少設備的故障率方面具有極大的作用。特別是在濟鋼第三煉鋼廠板坯連鑄機的拉矯系統中采用負載分配技術后，不僅使每臺拉矯電機作用在紅坯上的拉力為一常數，確保了鑄坯的表面質量；而且根據不同位置的鑄坯內部凝固情況，使鑄坯承受相應的壓力，以確保了鑄坯的內部質量。同時，由于實現了負載分配，避免了多臺電機中某些電機由于承受負載不均勻或過載而影響其運行和壽命，這樣即減少了設備故障率，提高了生產效率；又大量減少電機的消耗，節約了設備維修費用。由此可見，對多臺拉矯電機使用負載分配控制技術，無論是在提高產品質量方面，還是在提高電機壽命方面，均取得了明顯的經濟效益。