1 引言
目前，國(guó)際上先進(jìn)的造紙機(jī)都朝高效率、低消耗方向發(fā)展，這是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前有很多正在運(yùn)行的造紙機(jī)在這方面則處于劣勢(shì)，有必要進(jìn)行技術(shù)改造進(jìn)行升級(jí);而對(duì)于造紙機(jī)械的廠家也必須迎頭趕上，從設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行性能提升。
傳動(dòng)作為造紙機(jī)的核心部分，其發(fā)展要求是提高車 速和自動(dòng)化程度。現(xiàn)在運(yùn)行中的一些國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)，最快 的只有500~600m/min，而國(guó)外造紙機(jī)運(yùn)行速度已達(dá)1600~1800m/min，某些甚至超過2000m/min，差距甚大。車速越快效率則越高。同時(shí)目前國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)多為人工控制，其自動(dòng)控制程度也不高，而國(guó)外大型造紙機(jī)的自動(dòng)化程度相當(dāng)高，隨著紙機(jī)的高速化和大型化，靠人工控制已是很難的事。
本文將從數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的造紙機(jī)傳動(dòng)、可控張力和轉(zhuǎn)矩的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)、專用收卷的變頻傳動(dòng)三個(gè)不同的方面來闡述紙機(jī)傳動(dòng)的控制方式和發(fā)展趨勢(shì)。
2 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)
目前的造紙機(jī)上，對(duì)于傳動(dòng)的控制基本上有兩種:
(1) 模擬控制;
(2) 數(shù)字控制。模擬控制的傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作，對(duì)用戶技術(shù)方面的要求不高，速度精度可以滿足用戶的需求，且穩(wěn)定可靠，同時(shí)具有速度統(tǒng)調(diào)、微調(diào)滿足生產(chǎn)工藝的要求，并可以根據(jù)負(fù)載結(jié)構(gòu)的變化，靈活的改變控制方式，它還有良好的顯示界面，操作者能夠?qū)嵤┛刂圃O(shè)備運(yùn)行狀況。但它只能適用低速紙機(jī)，且不易實(shí)現(xiàn)管控一體化。
數(shù)字控制的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于線路較長(zhǎng)、分部傳動(dòng)數(shù)量較多的中大型高速紙機(jī)。如圖1所示，它利用通訊方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)衰減差，分辨率高，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時(shí)可以根據(jù)紙機(jī)工藝要求及負(fù)載情況控制更靈活。
圖1 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)
無論是二級(jí)控制系統(tǒng)或者三級(jí)控制系統(tǒng)，全數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用不但大幅度提高了紙機(jī)車速，而且減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和減少了維修時(shí)間。使產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高。全數(shù)字分部傳動(dòng)技術(shù)是模擬量控制技術(shù)和總軸傳動(dòng)系統(tǒng)無法比擬的。
在目前傳動(dòng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，profibus始終是最受歡迎的。profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線特別適用于需要快速響應(yīng)和數(shù)據(jù)交換量不大的現(xiàn)場(chǎng)，是一種開放式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，并已標(biāo)準(zhǔn)化。profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線有以下特點(diǎn):經(jīng)過雙絞線或光纜的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的柔性和模塊化設(shè)計(jì)、節(jié)省接線費(fèi)用、最多125個(gè)節(jié)點(diǎn);最大為12mbps、響應(yīng)時(shí)間短、傳輸距離可達(dá)23.8km、通過各種專用集成電路(asic)和接口模板、簡(jiǎn)化設(shè)備的連接, profibus-dp是“全集成自動(dòng)化”的系統(tǒng)總線、世界上著名的可編程序控制器銷售商普遍認(rèn)識(shí)到作為現(xiàn)場(chǎng)層標(biāo)準(zhǔn)接口的profibus-dp的優(yōu)點(diǎn)?；谝陨显蛟诩垯C(jī)的電氣控制上也大量采用profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線。
目前國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要有西安寶德自動(dòng)化的wb-pdd-a系統(tǒng)、杭州華章電氣的hz-ac3000系統(tǒng)、上海造紙電控所的sied紙機(jī)電氣二級(jí)或三級(jí)控制系統(tǒng)等。
wb-pdd-a造紙機(jī)控制系統(tǒng)是針對(duì)2640/320低定量涂布造紙機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線profibus，以1.5mbps的通訊速率將西門子最新型s7-400plc、6ra24全數(shù)字直流傳動(dòng)裝置、op37智能操作單元等構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)造紙系統(tǒng)的張力、速度、負(fù)荷分配等各種參數(shù)的設(shè)定及控制，可對(duì)紙機(jī)中的任何一臺(tái)傳動(dòng)裝置進(jìn)行啟動(dòng)、停止、爬行、點(diǎn)動(dòng)、松弛和張力控制。系統(tǒng)環(huán)境為中文win95界面，應(yīng)用軟件采用西門子wincc組態(tài)軟件。系統(tǒng)可對(duì)每一個(gè)傳動(dòng)控制點(diǎn)的過程參數(shù)、故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)視、存儲(chǔ)及打印，并提供歷史趨勢(shì)圖及完成工藝參數(shù)的在線修改與保存。
hz-ac3000造紙系統(tǒng)采用的是基于微處理器的速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)和張力環(huán)三環(huán)自動(dòng)調(diào)整控制原理，在程序設(shè)定中可以自由調(diào)整加減速時(shí)間及最大/最小速度值。速度閉環(huán)控制、負(fù)荷分配控制、轉(zhuǎn)矩/張力控制和松弛等構(gòu)成了一個(gè)開放式的樹狀速度鏈，它是整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，各種控制方式在這里得到了和諧的統(tǒng)一。對(duì)于濕部傳動(dòng)控制，為了保證紙張的復(fù)合效果，決定網(wǎng)部的驅(qū)網(wǎng)輥采用速度閉環(huán)控制;同一網(wǎng)上的傳動(dòng)點(diǎn)之間、相互接觸的壓榨輥之間采用負(fù)荷分配。而對(duì)于干部傳動(dòng)控制，由于干部的紙張已經(jīng)建立了張力，所以，干部的控制以張力為目標(biāo)。對(duì)張力容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動(dòng)點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩/張力控制，而對(duì)張力不容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動(dòng)點(diǎn)則采用速度閉環(huán)控制。hz-ac3000控制網(wǎng)絡(luò)還提供了系統(tǒng)聯(lián)鎖(安全聯(lián)鎖、工藝聯(lián)鎖、起動(dòng)聯(lián)鎖、停機(jī)聯(lián)鎖、斷紙聯(lián)鎖、故障聯(lián)鎖等)和系統(tǒng)保護(hù)(相序監(jiān)測(cè)、缺相監(jiān)測(cè)、欠壓監(jiān)測(cè)、過壓監(jiān)測(cè)、瞬間過流保護(hù)、長(zhǎng)時(shí)過流保護(hù)、編碼器信號(hào)丟失報(bào)警和保護(hù)、超頻、超速報(bào)警和保護(hù)、接地故障報(bào)警、通訊故障報(bào)警等)。由于在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中采用了通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，紙機(jī)各傳動(dòng)分部的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)聯(lián)鎖信息能通過通訊網(wǎng)絡(luò)直接傳送到信息層網(wǎng)絡(luò)，即以太網(wǎng)。而以太網(wǎng)采用公開的通訊協(xié)議(ethernet ip)，因此能將數(shù)據(jù)傳送給其它系統(tǒng)(如mcs、dcs和qcs系統(tǒng))。
sied造紙系統(tǒng)包括三部分:
(1) 工業(yè)pc機(jī)并預(yù)裝先進(jìn)的工控軟件作為上位機(jī)，用于過程、生產(chǎn)流程、機(jī)械和設(shè)備的可視化操作。通過mpi(多點(diǎn)接口)與plc主站通訊。
(2) plc主站采用先進(jìn)的高性能plc系統(tǒng)配置，并提供標(biāo)準(zhǔn)工具及軟件對(duì)硬件進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置、編程、操作、診斷。通過profibus-dp接口連接到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)profibus-dp網(wǎng)絡(luò)上，以12mbit/s的通訊速度與下一級(jí)hmi人機(jī)界面或傳動(dòng)控制裝置通訊。
(3) hmi人機(jī)界面或傳動(dòng)控制裝置通過profibus-dp接口連接到現(xiàn)場(chǎng)profibus-dp網(wǎng)絡(luò)上。hmi人機(jī)界面或傳動(dòng)控制裝置完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并通過現(xiàn)場(chǎng)級(jí) profibus-dp 網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)和接受 plc主站指令并向plc主站發(fā)送數(shù)據(jù)。
3 可控張力和轉(zhuǎn)矩的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)
復(fù)卷機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方案。復(fù)卷機(jī)電氣傳動(dòng)控制就是根據(jù)紙張通過不同的機(jī)械部件，運(yùn)用不同的控制方法，既保證紙張的質(zhì)量，又保證復(fù)卷機(jī)可靠、穩(wěn)定、連續(xù)地高速運(yùn)行;操作方法科學(xué)、簡(jiǎn)便、直觀，同時(shí)又為生產(chǎn)和設(shè)備管理提供有效的途徑。
圖2所示為雙底輥高速?gòu)?fù)卷機(jī)的外觀圖和控制原理，其傳動(dòng)部分包括退紙架電機(jī)m0、前底輥m1和后底輥m2。因?yàn)閺?fù)卷機(jī)的運(yùn)行速度取決于前底輥m1的線速度，同時(shí)，前底輥的線速度穩(wěn)定與否還直接影響張力的穩(wěn)定性。復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于前底輥m1采用了速度閉環(huán)控制，控制精度一般控制在萬分之五和千分之一。為保證復(fù)卷機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行，必須控制紙幅張力f。退紙架m0通過工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩t(t)和紙幅張力f(t)及放紙卷半徑r(t)之間滿足:
t(t)= f(t)×r(t)
其中，r(t)可利用光電編碼器測(cè)得的前底輥和退紙架電機(jī)速度計(jì)算得到。
復(fù)卷機(jī)的傳動(dòng)控制特點(diǎn):
(1) 前后底輥m1和m2的力矩差控制，以保證紙卷內(nèi)外松緊一致性。
(2) 退紙實(shí)現(xiàn)自動(dòng)張力控制和轉(zhuǎn)矩控制，通過配置張力傳感器能夠有效地保證張力閉環(huán)自動(dòng)控制。
為保證成紙卷的質(zhì)量，需要控制前后底輥m1和m2的力矩剪刀差(如圖2右所示)。底輥電機(jī)m1和m2是控制復(fù)卷機(jī)的兩個(gè)支承輥，在高速?gòu)?fù)卷機(jī)的設(shè)計(jì)中，兩底輥通常是肩并肩的，并且有不同的直徑(m1直徑較大)和定位高度。隨著復(fù)卷的進(jìn)行，紙卷直徑上升，其重量也上升，紙卷的重量慢慢從m2移至m1上。在紙卷直徑增大的過程中，兩底輥受力的調(diào)整叫“負(fù)荷分配”，其分配量可由電機(jī)電流強(qiáng)度大小(或轉(zhuǎn)矩大小)來控制。在分配過程控制中通常采用線性一致的原則，即m1的轉(zhuǎn)矩控制值線性上升、m2的轉(zhuǎn)矩控制值線性下降，但兩者的總和保持為恒定，因此就形成了類似開口剪刀的轉(zhuǎn)矩控制圖形，故又被稱為“剪刀差”控制方式。
圖2 復(fù)卷機(jī)外觀和控制原理示意圖
在退紙架電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)中，提供足夠的制動(dòng)力矩是主要問題。一般情況下，制動(dòng)力矩有三種情況:
(1) 運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩;
(2) 緊急停止時(shí)的轉(zhuǎn)矩;
(3) 正常停車時(shí)的轉(zhuǎn)矩。
運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩控制必須保證紙幅的任何一點(diǎn)都能有恒定的張力，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩＝張力×紙卷半徑，因此隨著半徑的逐步減少轉(zhuǎn)矩值也隨之減少，同時(shí)最大的轉(zhuǎn)矩值應(yīng)該是在滿卷時(shí)出現(xiàn)。
緊急停車時(shí)的轉(zhuǎn)卷控制一般出現(xiàn)在紙幅斷裂或者安全開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，這時(shí)必須要有足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以保證快速停車。在紙幅斷裂時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制要考慮的因素為紙卷的慣量和速度n，其轉(zhuǎn)矩
t＝gd2×n/(308×t)
轉(zhuǎn)矩t的單位為磅·英尺;
時(shí)間t為緊停時(shí)間或者需要最快的時(shí)間(s)。
既然滿卷時(shí)的慣量為最大值，因此通常都將該值作為最惡劣的情況下紙幅斷裂時(shí)的數(shù)值，當(dāng)時(shí)的速度n可以通過對(duì)線速度v的計(jì)算獲得，緊停時(shí)間t則一般取2s。
正常停車時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制必須保證紙卷在既定的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速為0，同時(shí)在停車過程中保持任何一點(diǎn)都是恒定的張力，這時(shí)其轉(zhuǎn)矩
t＝trun+gd2×n/(308×t)
轉(zhuǎn)矩trun為正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩;
時(shí)間t為停車時(shí)間。
顯然假如按照2s的停車時(shí)間進(jìn)行停車其所需的轉(zhuǎn)矩比紙幅斷裂時(shí)還要大，因?yàn)樗€必須克服額外的紙幅張力。但通常停車的時(shí)間都控制在8~10s左右。
4 專用收放卷的變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)
在紙和紙板工業(yè)生產(chǎn)中, 通常都需要進(jìn)行卷取控制，以生產(chǎn)符合要求的卷材, 如超級(jí)壓光機(jī)、復(fù)卷機(jī)、機(jī)外涂布機(jī)、分切機(jī)等。目前成熟的收卷主要是采用力矩電機(jī)、直流電機(jī)或者張力控制器進(jìn)行收卷, 而很少用到非常普及的交流變頻器。
經(jīng)典的收卷都是采用張力閉環(huán)，它是通過張力檢測(cè)裝置反饋張力信號(hào)與張力的設(shè)定值構(gòu)成pid閉環(huán)，然后調(diào)整變頻器的輸出頻率命令(速度模式)或輸出轉(zhuǎn)矩指令(轉(zhuǎn)矩模式)。此方案可以適用于高精度的張力收卷場(chǎng)合，但對(duì)于要求并不嚴(yán)格、又要求性價(jià)比高的收卷來說，本文提出了比較實(shí)用的矢量變頻器限轉(zhuǎn)矩方法，可以省去張力傳感器、pid控制器，而只需要簡(jiǎn)單的變頻器加plc控制即可。
圖3 中心收卷示意圖
圖3為中心收卷基本示意圖，采用開環(huán)的張力控制來實(shí)現(xiàn)收卷。在這種控制方式下，實(shí)際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內(nèi)部的檢測(cè)和計(jì)算來獲取的，從而省去張力檢測(cè)裝置，降低了系統(tǒng)的成本和難度。
由設(shè)定的張力和卷筒的卷徑可以計(jì)算出變頻器的轉(zhuǎn)矩指令，其公式如下:
t=(f×d)/(2×i)
其中: t為變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩指令; f為張力設(shè)定指令;d為卷筒的卷徑; i為機(jī)械傳動(dòng)比。
在實(shí)際的使用中，卷取控制通常都需要材料張力隨著卷徑增大而相應(yīng)降低，以防止損傷卷軸和提高產(chǎn)品的卷取質(zhì)量，這樣的控制就叫“錐度控制”。
張力錐度為:
f=f0×[1-k(1-d0 / d)]
其中: f為實(shí)際輸出張力; f0為張力設(shè)定指令; k為張力錐度系數(shù); d為卷筒實(shí)時(shí)卷徑; d0為空心卷筒卷徑。
綜合以上二公式可以得出t是d的一次函數(shù)t=f(d)。
在轉(zhuǎn)矩控制中已經(jīng)看出，轉(zhuǎn)矩是直接跟卷徑有關(guān)，并且是卷徑的一次函數(shù)，因此卷徑的計(jì)算是比較重要的。最簡(jiǎn)單的當(dāng)然是直接測(cè)量，但實(shí)際中我們都會(huì)考慮采用間接計(jì)算法，以減少成本。
通常計(jì)算卷徑有兩種方法:線速度計(jì)算和厚度積分。前者是利用線速度除以電機(jī)角速度就是卷徑的相對(duì)比例，方法比較簡(jiǎn)單，但必須注意當(dāng)線速度運(yùn)行在低速時(shí)由于卷材的線速度和電機(jī)的運(yùn)行頻率都比較低，所以導(dǎo)致誤差比較大，因此通常要采用彌補(bǔ)的方法(比方設(shè)定一個(gè)最低線速度下限值)。后者按卷筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累積，必須注意的是一定要準(zhǔn)確知道紙張的厚度，在換品種時(shí)必須輸入厚度系數(shù)。
矢量控制的變頻器是通過對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，可以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。
就目前的技術(shù)而言，具有收卷和放卷控制的變頻器已經(jīng)在紙機(jī)傳動(dòng)的很多設(shè)備進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，并以簡(jiǎn)單的配置和靈活的應(yīng)用獲得了用戶的好評(píng)。
5 結(jié)束語
傳動(dòng)的高效率運(yùn)行將突破紙機(jī)生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，無論是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的紙機(jī)傳動(dòng)，還是可控轉(zhuǎn)矩和張力的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)，以及專用的收放卷變頻系統(tǒng)都將有力地促進(jìn)紙機(jī)效能的提高。隨著傳動(dòng)技術(shù)和變頻器的發(fā)展，紙機(jī)的控制方式不僅可以獲得快速實(shí)現(xiàn)，更能體現(xiàn)柔性驅(qū)動(dòng)。
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作者簡(jiǎn)介
李方園(1973-) 男 電氣自動(dòng)化工程師 1995年畢業(yè)于浙大電機(jī)系工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，主要從事輕工機(jī)械行業(yè)的電氣傳動(dòng)和fa系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前已在國(guó)內(nèi)主要專業(yè)期刊發(fā)表論文50多篇。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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