浅谈纸机传动的控制方式

浅谈纸机传动的控制方式
收藏此信息打印该信息添加：李方园来源：未知
1 引言
目前，国际上先进的造纸机都朝高效率、低消耗方向发展，这是市场竞争的需要。

而目前有很多正在运行的造纸机在这方面则处于劣势，有必要进行技术改造进行升级;而对于造纸机械的厂家也必须迎头赶上，从设计的源头进行性能提升。

传动作为造纸机的核心部分，其发展要求是提高车速和自动化程度。

现在运行中的一些国产造纸机，最快的只有500~600m/min，而国外造纸机运行速度已达1600~1800m/min，某些甚至超过2000m/min，差距甚大。

车速越快效率则越高。

同时目前国产造纸机多为人工控制，其自动控制程度也不高，而国外大型造纸机的自动化程度相当高，随着纸机的高速化和大型化，靠人工控制已是很难的事。

本文将从数字化网络的造纸机传动、可控张力和转矩的复卷机传动、专用收卷的变频传动三个不同的方面来阐述纸机传动的控制方式和发展趋势。

2 数字化网络的造纸机传动控制系统
目前的造纸机上，对于传动的控制基本上有两种:
(1) 模拟控制;
(2) 数字控制。

模拟控制的传动控制系统结构简单、容易操作，对用户技术方面的要求不高，速度精度可以满足用户的需求，且稳定可靠，同时具有速度统调、微调满足生产工艺的要求，并可以根据负载结构的变化，灵活的改变控制方式，它还有良好的显示界面，操作者能够实
施控制设备运行状况。

但它只能适用低速纸机，且不易实现管控一体化。

数字控制的传动控制系统，可以广泛应用于线路较长、分部传动数量较多的中大型高速纸机。

如图1所示，它利用通讯方式实现系统的全数字控制，抗干扰能力强、信号衰减差，分辨率高，可实现高精度控制，同时可以根据纸机工艺要求及负载情况控制更灵活。

图1 数字化网络的传动控制系统
无论是二级控制系统或者三级控制系统，全数字技术的运用不但大幅度提高了纸机车速，而且减轻了工人劳动强度和减少了维修时间。

使产量和经济效益大幅度提高。

全数字分部传动技术是模拟量控制技术和总轴传动系统无法比拟的。

在目前传动数字化网络中，profibus始终是最受欢迎的。

profibus-dp现场总线特别适用于需要快速响应和数据交换量不大的现场，是一种开放式现场总线系统，并已标准化。

profib us-dp现场总线有以下特点:经过双绞线或光缆的进行数据传输，能进行自动化系统的柔性和模块化设计、节省接线费用、最多125个节点;最大为12mbps、响应时间短、传输距离可达23.8km、通过各种专用集成电路(asic)和接口模板、简化设备的连接, profibus-dp是“全
集成自动化”的系统总线、世界上著名的可编程序控制器销售商普遍认识到作为现场层标准接口的profibus-dp的优点。

基于以上原因在纸机的电气控制上也大量采用profibus-dp现场总线。

目前国内实现数字化网络的传动系统主要有西安宝德自动化的wb-pdd-a系统、杭州华章电气的hz-ac3000系统、上海造纸电控所的sied纸机电气二级或三级控制系统等。

wb-pdd-a造纸机控制系统是针对2640/320低定量涂布造纸机设计开发的，电气传动系统采用国际标准工业现场总线profibus，以1.5mbps的通讯速率将西门子最新型s7-400plc、6ra24全数字直流传动装置、op37智能操作单元等构成现场局域网实现造纸系统的张力、速度、负荷分配等各种参数的设定及控制，可对纸机中的任何一台传动装置进行启动、停止、爬行、点动、松弛和张力控制。

系统环境为中文win95界面，应用软件采用西门子wincc
组态软件。

系统可对每一个传动控制点的过程参数、故障状态进行实时显示、监视、存储及打印，并提供历史趋势图及完成工艺参数的在线修改与保存。

hz-ac3000造纸系统采用的是基于微处理器的速度环、转矩环和张力环三环自动调整控制原理，在程序设定中可以自由调整加减速时间及最大/最小速度值。

速度闭环控制、负荷分配控制、转矩/张力控制和松弛等构成了一个开放式的树状速度链，它是整个传动控制系统的核心，各种控制方式在这里得到了和谐的统一。

对于湿部传动控制，为了保证纸张的复合效果，决定网部的驱网辊采用速度闭环控制;同一网上的传动点之间、相互接触的压榨辊之间采用负荷分配。

而对于干部传动控制，由于干部的纸张已经建立了张力，所以，干部的控制以张力为目标。

对张力容易发生变化的区域内的传动点采用转矩/张力控制，而对张力不容
易发生变化的区域内的传动点则采用速度闭环控制。

hz-ac3000控制网络还提供了系统联锁(安全联锁、工艺联锁、起动联锁、停机联锁、断纸联锁、故障联锁等)和系统保护(相序监测、缺相监测、欠压监测、过压监测、瞬间过流保护、长时过流保护、编码器信号丢失报警和保护、超频、超速报警和保护、接地故障报警、通讯故障报警等)。

由于在纸机传动控制系统中采用了通讯网络技术，纸机各传动分部的数据和系统联锁信息能通过通讯网络直接传送到信息层网络，即以太网。

而以太网采用公开的通讯协议(ethernet ip)，因此能将数据传送给其它系统(如mcs、dcs和qcs系统)。

sied造纸系统包括三部分:
(1) 工业pc机并预装先进的工控软件作为上位机，用于过程、生产流程、机械和设备的可视化操作。

通过mpi(多点接口)与plc主站通讯。

(2) plc主站采用先进的高性能plc系统配置，并提供标准工具及软件对硬件进行配置、参数设置、编程、操作、诊断。

通过profibus-dp接口连接到现场级profibus-dp网络上，以12 mbit/s的通讯速度与下一级hmi人机界面或传动控制装置通讯。

(3) hmi人机界面或传动控制装置通过profibus-dp接口连接到现场profibus-dp网络上。

h mi人机界面或传动控制装置完成对现场数据的采集，并通过现场级profibus-dp 网络交换数据和接受plc主站指令并向plc主站发送数据。

3 可控张力和转矩的复卷机传动控制系统
复卷机的机械结构决定了电气传动系统的控制方案。

复卷机电气传动控制就是根据纸张通过不同的机械部件，运用不同的控制方法，既保证纸张的质量，又保证复卷机可靠、稳定、连续地高速运行;操作方法科学、简便、直观，同时又为生产和设备管理提供有效的途径。

图2所示为双底辊高速复卷机的外观图和控制原理，其传动部分包括退纸架电机m0、前底辊m1和后底辊m2。

因为复卷机的运行速度取决于前底辊m1的线速度，同时，前底辊的线速度稳定与否还直接影响张力的稳定性。

复卷机传动系统对于前底辊m1采用了速度闭环控制，控制精度一般控制在万分之五和千分之一。

为保证复卷机正常稳定运行，必须控制纸幅张力f。

退纸架m0通过工作在发电机状态，其产生的制动转矩t(t)和纸幅张力f(t)及放纸卷半径r(t)之间满足:
t(t)= f(t)×r(t)
其中，r(t)可利用光电编码器测得的前底辊和退纸架电机速度计算得到。

复卷机的传动控制特点:
(1) 前后底辊m1和m2的力矩差控制，以保证纸卷内外松紧一致性。

(2) 退纸实现自动张力控制和转矩控制，通过配置张力传感器能够有效地保证张力闭环自动控制。

为保证成纸卷的质量，需要控制前后底辊m1和m2的力矩剪刀差(如图2右所示)。

底辊电机m1和m2是控制复卷机的两个支承辊，在高速复卷机的设计中，两底辊通常是肩并肩的，并且有不同的直径(m1直径较大)和定位高度。

随着复卷的进行，纸卷直径上升，其重量也上升，纸卷的重量慢慢从m2移至m1上。

在纸卷直径增大的过程中，两底辊受力的调整叫“负荷分配”，其分配量可由电机电流强度大小(或转矩大小)来控制。

在分配过程控制中通常采用线性一致的原则，即m1的转矩控制值线性上升、m2的转矩控制值线性下降，但两者的总和保持为恒定，因此就形成了类似开口剪刀的转矩控制图形，故又被称为“剪刀差”控制方式。

图2 复卷机外观和控制原理示意图
在退纸架电机的运行状态中，提供足够的制动力矩是主要问题。

一般情况下，制动力矩有三种情况:
(1) 运行中的转矩;
(2) 紧急停止时的转矩;
(3) 正常停车时的转矩。

运行中的转矩控制必须保证纸幅的任何一点都能有恒定的张力，因为转矩＝张力×纸卷半径，因此随着半径的逐步减少转矩值也随之减少，同时最大的转矩值应该是在满卷时出现。

紧急停车时的转卷控制一般出现在纸幅断裂或者安全开关被触发时，这时必须要有足够的制动转矩以保证快速停车。

在纸幅断裂时，转矩控制要考虑的因素为纸卷的惯量和速度n，其转矩
t＝gd2×n/(308×t)
转矩t的单位为磅·英尺;
时间t为紧停时间或者需要最快的时间(s)。

既然满卷时的惯量为最大值，因此通常都将该值作为最恶劣的情况下纸幅断裂时的数值，当时的速度n可以通过对线速度v的计算获得，紧停时间t则一般取2s。

正常停车时的转矩控制必须保证纸卷在既定的时间内转速为0，同时在停车过程中保持任何一点都是恒定的张力，这时其转矩
t＝trun+gd2×n/(308×t)
转矩trun为正常运行时的转矩;
时间t为停车时间。

显然假如按照2s的停车时间进行停车其所需的转矩比纸幅断裂时还要大，因为它还必须克服额外的纸幅张力。

但通常停车的时间都控制在8~10s左右。

4 专用收放卷的变频传动控制系统
在纸和纸板工业生产中, 通常都需要进行卷取控制，以生产符合要求的卷材, 如超级压光机、复卷机、机外涂布机、分切机等。

目前成熟的收卷主要是采用力矩电机、直流电机或者张力控制器进行收卷, 而很少用到非常普及的交流变频器。

经典的收卷都是采用张力闭环，它是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成p id闭环，然后调整变频器的输出频率命令(速度模式)或输出转矩指令(转矩模式)。

此方案可以适用于高精度的张力收卷场合，但对于要求并不严格、又要求性价比高的收卷来说，本文提出了比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、pid控制器，而只需要简单的变频器加plc控制即可。

图3 中心收卷示意图
图3为中心收卷基本示意图，采用开环的张力控制来实现收卷。

在这种控制方式下，实际张力还是必须要知道的，无非它是通过变频器内部的检测和计算来获取的，从而省去张力检测装置，降低了系统的成本和难度。

由设定的张力和卷筒的卷径可以计算出变频器的转矩指令，其公式如下:
t=(f×d)/(2×i)
其中: t为变频器的输出转矩指令; f为张力设定指令;d为卷筒的卷径; i为机械传动比。

在实际的使用中，卷取控制通常都需要材料张力随着卷径增大而相应降低，以防止损伤卷轴和提高产品的卷取质量，这样的控制就叫“锥度控制”。

张力锥度为:
f=f0×[1-k(1-d0 / d)]
其中: f为实际输出张力; f0为张力设定指令; k为张力锥度系数; d为卷筒实时卷径; d0为空心卷筒卷径。

综合以上二公式可以得出t是d的一次函数t=f(d)。

在转矩控制中已经看出，转矩是直接跟卷径有关，并且是卷径的一次函数，因此卷径的计算是比较重要的。

最简单的当然是直接测量，但实际中我们都会考虑采用间接计算法，以减少成本。

通常计算卷径有两种方法:线速度计算和厚度积分。

前者是利用线速度除以电机角速度就是卷径的相对比例，方法比较简单，但必须注意当线速度运行在低速时由于卷材的线速度和电机的运行频率都比较低，所以导致误差比较大，因此通常要采用弥补的方法(比方设定一个最低线速度下限值)。

后者按卷筒的旋转圈数进行卷径累积，必须注意的是一定要准确知道纸张的厚度，在换品种时必须输入厚度系数。

矢量控制的变频器是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和
准确控制，可以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。

就目前的技术而言，具有收卷和放卷控制的变频器已经在纸机传动的很多设备进行了广泛的应用，并以简单的配置和灵活的应用获得了用户的好评。

5 结束语
传动的高效率运行将突破纸机生产的技术瓶颈，无论是数字化网络的纸机传动，还是可控转矩和张力的复卷机传动，以及专用的收放卷变频系统都将有力地促进纸机效能的提高。

随着传动技术和变频器的发展，纸机的控制方式不仅可以获得快速实现，更能体现柔性驱动。

参考文献
[1] 杜金城. 电气变频调速设计技术[m]. 北京:中国电力出版社,2001.
[2] 复卷机培训手册[z]. 宁波中华纸业有限公司,1996.
[3] td3300张力控制专用变频器[z]. 艾默生网络能源有限公司,2002.
作者简介
李方园(1973-) 男电气自动化工程师1995年毕业于浙大电机系工业电气自动化专业，主要从事轻工机械行业的电气传动和fa系统设计。

目前已在国内主要专业期刊发表论文50多篇。