多台电机负载分配控制的应用

• 关键词： 负载分配、负载因数、负载分配控制器、矢量控制|多台电机负载分配控制的应用||孔德才、骆永萍、谢会成|济南钢铁集团总公司第三炼钢厂| 控制系统| 冶金
• 摘要：济钢第三炼钢厂引进VAI(奥钢联)的板坯连铸机中，利用负载分配控制技术实现对20台拉矫电机的控制，不仅保证了产品的质量，而且确保了电机的寿命。为了实现负载分配控制，分别采用负载控制器技术、PLC和变频器之间的PROFIBUS通讯技术、以及变频器的矢量控制技术。

［摘要］济钢第三炼钢厂引进VAI(奥钢联)的板坯连铸机中，利用负载分配控制技术实现对20台拉矫电机的控制，不仅保证了产品的质量，而且确保了电机的寿命。为了实现负载分配控制，分别采用负载控制器技术、PLC和变频器之间的PROFIBUS通讯技术、以及变频器的矢量控制技术。
［关键词］负载分配、负载因数、负载分配控制器、矢量控制


0 前言
随着生产技术和装备水平的不断提高，特别是在一些使用大型设备进行生产的过程中，利用多台电动机对同一台设备进行驱动得到了广泛的应用，此时对多台电机负载进行分配控制就显得尤为重要。
济钢第三炼钢厂引进VAI(奥钢联)的板坯连铸机中，为了实现对多达20台拉矫电机的控制，就采用了负载分配控制技术。为了保证铸坯上的拉矫力矩为一个常数，在每个电机之间提供了负载分配功能。根据所有电机上的总拉矫电流，负载分配控制器能为拉矫电机计算出一个相应的修正后的速度设定值（速度偏差），把修正后的设定值与拉矫电机的实际给定值相加，他们的和作为总的速度给定值送给相应的拉矫电机变频器，就可以通过变频器的矢量控制实现对电机的负载分配。根据所有拉矫电机的总负载，可以在HMI上通过设定每台电机的各自负载因数对每台电机的负载进行校正，负载因数可以在-100..0..+100 %之间变化，一个负的负载因数产生的力矩反作用于浇注方向，以防止铸坯下滑。这样，通过采用负载分配技术，就可使整个扇形段中的铸坯上的拉矫力矩为一个常数，确保了板坯表面承受的拉力不变，不至于在拉矫过程中因拉力不均匀造成板坯的质量出现问题；同时，通过对红坯的铸流跟踪，PLC自动修正负载因数以保证不同冷却情况下的红坯承受不同的压力，以保证红坯表面质量；所有这些都确保了铸坯的质量。另外，实现拉矫电机的负载分配控制后，可以确保每台拉矫电机不会产生过载现象，以保证电机的可靠运行，提高电机的运行寿命，减少设备故障率，从而达到提高生产效率的目的。

2 控制功能的实现
根据图1的控制原理图可知，要想实现对电机负载力矩的分配，主要控制过程可分为三部分：
l 在PLC内实现负载控制器程序的设计。
l 在PLC和变频器之间进行数据通讯，PLC从变频器中读取实际力矩，用作负载控制器的输入信号；变频器从PLC中读取速度给定值（速度设定值+负载力矩控制器输出的偏差值），用作变频器的给定信号。
l 在变频器中利用矢量控制方式对单台电动机对速度和力矩进行控制。
因此，为实现对多台电动机的负载分配控制，主要的控制过程就是对上述三个过程进行设置。济钢第三炼钢厂引进VAI(奥钢联)的板坯连铸机中，PLC采用了SIEMENS的S7—400系列的PLC作为主站，变频器采用SIEMENS书本型变频器(MASTERDRIVERS VC )作为DP从站，主站与从站之间采用PROFIBUS总线进行通讯；变频器采用编码器检测速度反馈组成速度闭环，实现矢量控制。下面对利用PLC进行负载控制器的设计和PLC与变频器的PROFIBUS通讯进行介绍，而对于变频器的矢量控制因其应用比较多，这里不作介绍。
2.1 负载控制器的设计
　　由于负载控制器的输出是作为变频器速度设定值的偏差参与控制，因此负载控制器是在PLC中通过编程来实现的。济钢第三炼钢厂板坯连铸机中，控制系统中使用了S7—400系列的SIEMENS PLC，负载控制器的程序设计是由SIEMENS的STEP7进行编程的。由图1负载分配控制原理图可知，首先将力矩设定值Fseti和从变频器中读出的力矩实际值Frefi进行比较，经过一个PID调节器的控制后输出一个修正后的速度设定值，作为电机速度设定值的一个偏差值与速度给定值相加作为总的速度给定值（VTseti）输入到变频器中，参与电机的调速过程，从而对拉矫电机实现负载分配控制和速度控制。在PLC中实现力矩的PID调节的程序流程图，如图2所示。


2.2 PLC与变频器的通讯
为了对拉矫电机进行负载分配控制，PLC中的负载控制器要随时从变频器中读取每台电机的实际力矩，同时要将总的速度给定值写入变频器对拉矫电机进行负载控制和矢量控制。因此，正确实现PLC与变频器之间的信息通讯是整个负载分配控制的关键一环。
济钢第三炼钢厂引进VAI(奥钢联)的板坯连铸机中，PLC采用了SIEMENS的S7—400系列的PLC，变频器采用SIEMENS书本型变频器(MASTERDRIVERS VC )，它们之间采用PROFIBUS总线进行通讯。PROFIBUS 是符合欧洲标准 EN 50170的一种现场总线标准，它主要采用OSI通讯协议层中的1—2层。主站与主站之间 PROFIBUS是根据令牌传递过程工作的，即在一个逻辑环中，主站成为一个确定时间窗口的令牌保持着，在这个时间窗口内，拥有令牌的主站能够与其他主站通讯。同时它使用一个较低的主--从过程，实现与从站通讯。这里采用了PROFIBUS—DP总线方式，允许在PLC和传动装置（例如，变频器）之间进行快速的数据交换。对传动装置的存取总是按照主--从方式进行的，传动装置总是从站，且每个从站本身都有明确的地址。PROFIBUS周期性传输的报文结构如图3所示：


对于传动装置可用数据区被划分成2个数据区，它们以各自的报文进行数据传送。
·过程数据区（PZD）：控制字和设定值；或状态字和实际值。
·参数区：（PKW）：用于读写参数，读出故障信息等。
根据自动化网络中传动装置的任务不同，用于PROFIBUS—DP主站到变频器通讯类型的PPO被分为5种。在这套系统中采用了PPO2型通讯报文，它的报文结构如图4所示：




3 结束语：
总之，在多台电机驱动同一设备的过程中使用负载分配控制技术，对于提高产品的质量以及减少设备的故障率方面具有极大的作用。特别是在济钢第三炼钢厂板坯连铸机的拉矫系统中采用负载分配技术后，不仅使每台拉矫电机作用在红坯上的拉力为一常数，确保了铸坯的表面质量；而且根据不同位置的铸坯内部凝固情况，使铸坯承受相应的压力，以确保了铸坯的内部质量。同时，由于实现了负载分配，避免了多台电机中某些电机由于承受负载不均匀或过载而影响其运行和寿命，这样即减少了设备故障率，提高了生产效率；又大量减少电机的消耗，节约了设备维修费用。由此可见，对多台拉矫电机使用负载分配控制技术，无论是在提高产品质量方面，还是在提高电机寿命方面，均取得了明显的经济效益。