造纸机械的张力控制系统研究

造纸机械的张力控制系统研究

摘要：造纸机械多电机变频传动控制系统中，张力控制是一大研究热点。本文采用张力检测装置，采集张力值，经plc接收和判定，组成直接张力控制系统，保持张力恒定。在matlab软件环境下，采用simulink工具箱，对张力控制进行了模拟，分析仿真运行结果，验证了控制方案的可行性。

abstract： in the paper machine of multi-motor frequency conversion control system， tension control is a hot research topic. this paper uses the tension detection device，acquisition tension values， receives and judgement by the plc，constitute direct tension control system， maintain a constant tension. by the environment of matlab software，using simulink toolbox， simulation of tension control system， analysis of simulation results， verify the feasibility of control schem.

关键词：造纸机械；变频；张力控制；matlab

key words： paper machine；frequency；tension control；matlab

中图分类号：th6 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）11-0014-02

0 引言

造纸业是国民经济中的重要产业。我国传统的造纸设备大多采用

大功率scr直流调速控制系统，不但可靠性低，而且维修工作量大、能耗高。相反，自八十年代中期发展起来的交流变频调速技术因其简单、可靠和维护工作量小等特性被广泛应用，并在纸机传动中应用越来越广。

造纸机的主要控制要求有：线速度同步、速度链功能、负荷分配功能、张力控制，此外，还有其他控制要求，譬如爬行、紧纸、急停等。其中，张力控制是当前造纸机控制系统的一大研究热点。由于纸张经过网部的真空吸水、压榨和多组烘缸干燥后，所含水分已经很少，基本上已经达到了成纸的干度，纸页的伸缩率已经很小，张力变化对纸页的影响力突显出来，张力太大，易引起断纸；张力太低，纸页产生飘动，易引起褶皱。因此，为提高生产效率和纸张质量，必须对张力进行检测并引入张力控制策略，使纸页维持在一定的张力范围内。

1 造纸机工艺流程概述

造纸机按照纸张成形过程可依次分为网部、压榨、前干燥、施胶机、后干燥、压光机、卷纸机等部分，如图1所示。其工艺为流浆箱输出的纸浆在网部脱水成型，在压榨部进行压缩从而使纸层均匀并能进一步脱水，接着经过前干燥（一般由几个群缸组成）进行烘干，之后进入施胶部对纸张施胶，施胶纸张必须再次进入后干燥烘干处理，然后利用压光机使纸张平滑，最后通过卷纸机形成纸卷。行车将纸卷吊至复卷机，对纸张切边并分割，以满足顾客需要。

2 张力控制理论分析

张力控制一般分为直接张力控制和间接张力控制。直接张力控制通过张力传感器的检测张力数据进而调节两分部之间的速差，使纸幅张力达到期望值，该控制方法效果好、精度高，但是，安装纸幅张力传感器成本较高，不适用于低速、小型造纸机等场合。间接张力控制指将传动点的机械特性变软一些，利用电气调节补偿纸页的张力。但在高速纸机中，纸机传动控制系统必须有很高的控制精度和稳定性才能保证纸机正常的生产运行，所以，在高速纸机生产中常采用直接张力控制的方式。

2.1 张力检测原理如图2所示，将张力传感器安装在纸幅导纸辊的支持轴承下方，只检测水平方向的张力。当纸幅通过导纸辊时，纸幅的张力分解成垂直方向的力fv和水平方向的力fh。

设纸张总张力为f，导纸辊和轴承的重力为g，纸幅的夹角为？琢、？茁，则有：fh=f（cos？茁-cos？琢）fv=f（sin？琢-sin？茁）+g（1）

？琢、？茁角可以测得，纸幅的张力值f根据张力传感器的值可以计算出来，为提高检测精度，通常在导纸辊两端各安放一个张力传感器，测量值经处理器处理后所得平均值送plc。

2.2 直接张力控制的实现基于plc的张力控制原理如图3所示。首先按式（2）计算输出速度给定值（即频率给定值），张力检测反馈的张力值与张力给定值相比较后，调整速度给定（即速度附加给定），从而调节矢量控制变频器的输出频率。此控制模式要求变频器的具有较好的pid调节性能，并且频率给定值计算要准确，以

保证系统稳定运行。

f=■（2）

式中：d——辊子直径（m）；

f——变频器频率给定（hz）；

v——纸机工作车速（m/min）；

p——电机的磁极对数；

i——传动点的总机械传动比。

3 张力控制matlab仿真

张力控制过程如图4所示。当张力实测值与张力给定值不相等时，则给速度链给定值一个附加速度，以防止纸幅过松或过紧，甚至断纸。

已知期望张力值为65n。pid参数kp=1.5，ki=0.3，kd=0.6。仿真结果如图5所示，由图可知，初始时纸张张力为64.3n，运行25s 后到达稳定值65n。仿真实验表明，系统完全满足张力控制要求。

4 总结

系统利用张力检测装置，采集张力值，经plc接收和判定，调整两传动点的速差，进而保持张力恒定。在matlab软件环境下，采用simulink工具箱，对张力控制进行了模拟，分析仿真运行结果，验证了控制方案的可行性。

参考文献：

[1]李方园.造纸机张力系统的综合控制[j].自动化与仪表，2000（04）.

[2]肖中俊，孟彦京，刘玉.张力控制在纸机传动控制系统中的研究[j].微计算机信息，2005，21（04）.

[3]陈景文，孟彦京，王红艳.张力控制在纸机传动中的应用[j].中国造纸，2007，26（04）.