1 引言
目前，國際上先進的造紙機都朝高效率、低消耗方向發(fā)展，這是市場競爭的需要。而目前有很多正在運行的造紙機在這方面則處于劣勢，有必要進行技術(shù)改造進行升級;而對于造紙機械的廠家也必須迎頭趕上，從設(shè)計的源頭進行性能提升。

傳動作為造紙機的核心部分，其發(fā)展要求是提高車 速和自動化程度?，F(xiàn)在運行中的一些國產(chǎn)造紙機，最快 的只有500~600m/min，而國外造紙機運行速度已達1600~1800m/min，某些甚至超過2000m/min，差距甚大。車速越快效率則越高。同時目前國產(chǎn)造紙機多為人工控制，其自動控制程度也不高，而國外大型造紙機的自動化程度相當(dāng)高，隨著紙機的高速化和大型化，靠人工控制已是很難的事。

本文將從數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的造紙機傳動、可控張力和轉(zhuǎn)矩的復(fù)卷機傳動、專用收卷的變頻傳動三個不同的方面來闡述紙機傳動的控制方式和發(fā)展趨勢。

2 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的造紙機傳動控制系統(tǒng)
目前的造紙機上，對于傳動的控制基本上有兩種:
(1) 模擬控制;
(2) 數(shù)字控制。模擬控制的傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易操作，對用戶技術(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)備運行狀況。但它只能適用低速紙機，且不易實現(xiàn)管控一體化。
數(shù)字控制的傳動控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于線路較長、分部傳動數(shù)量較多的中大型高速紙機。如圖1所示，它利用通訊方式實現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，抗干擾能力強、信號衰減差，分辨率高，可實現(xiàn)高精度控制，同時可以根據(jù)紙機工藝要求及負(fù)載情況控制更靈活。

圖1 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳動控制系統(tǒng)

無論是二級控制系統(tǒng)或者三級控制系統(tǒng)，全數(shù)字技術(shù)的運用不但大幅度提高了紙機車速，而且減輕了工人勞動強度和減少了維修時間。使產(chǎn)量和經(jīng)濟效益大幅度提高。全數(shù)字分部傳動技術(shù)是模擬量控制技術(shù)和總軸傳動系統(tǒng)無法比擬的。

在目前傳動數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，profibus始終是最受歡迎的。profibus-dp現(xiàn)場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，是一種開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并已標(biāo)準(zhǔn)化。profibus-dp現(xiàn)場總線有以下特點:經(jīng)過雙絞線或光纜的進行數(shù)據(jù)傳輸，能進行自動化系統(tǒng)的柔性和模塊化設(shè)計、節(jié)省接線費用、最多125個節(jié)點;最大為12mbps、響應(yīng)時間短、傳輸距離可達23.8km、通過各種專用集成電路(asic)和接口模板、簡化設(shè)備的連接, profibus-dp是“全集成自動化”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)識到作為現(xiàn)場層標(biāo)準(zhǔn)接口的profibus-dp的優(yōu)點?；谝陨显蛟诩垯C的電氣控制上也大量采用profibus-dp現(xiàn)場總線。

目前國內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳動系統(tǒng)主要有西安寶德自動化的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紙機電氣二級或三級控制系統(tǒng)等。

wb-pdd-a造紙機控制系統(tǒng)是針對2640/320低定量涂布造紙機設(shè)計開發(fā)的，電氣傳動系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線profibus，以1.5mbps的通訊速率將西門子最新型s7-400plc、6ra24全數(shù)字直流傳動裝置、op37智能操作單元等構(gòu)成現(xiàn)場局域網(wǎng)實現(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，可對紙機中的任何一臺傳動裝置進行啟動、停止、爬行、點動、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)可對每一個傳動控制點的過程參數(shù)、故障狀態(tài)進行實時顯示、監(jiān)視、存儲及打印，并提供歷史趨勢圖及完成工藝參數(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)成了一個開放式的樹狀速度鏈，它是整個傳動控制系統(tǒng)的核心，各種控制方式在這里得到了和諧的統(tǒng)一。對于濕部傳動控制，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)上的傳動點之間、相互接觸的壓榨輥之間采用負(fù)荷分配。而對于干部傳動控制，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)。對張力容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動點采用轉(zhuǎn)矩/張力控制，而對張力不容易發(fā)生變化的區(qū)域內(nèi)的傳動點則采用速度閉環(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、起動聯(lián)鎖、停機聯(lián)鎖、斷紙聯(lián)鎖、故障聯(lián)鎖等)和系統(tǒng)保護(相序監(jiān)測、缺相監(jiān)測、欠壓監(jiān)測、過壓監(jiān)測、瞬間過流保護、長時過流保護、編碼器信號丟失報警和保護、超頻、超速報警和保護、接地故障報警、通訊故障報警等)。由于在紙機傳動控制系統(tǒng)中采用了通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，紙機各傳動分部的數(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機并預(yù)裝先進的工控軟件作為上位機，用于過程、生產(chǎn)流程、機械和設(shè)備的可視化操作。通過mpi(多點接口)與plc主站通訊。
(2) plc主站采用先進的高性能plc系統(tǒng)配置，并提供標(biāo)準(zhǔn)工具及軟件對硬件進行配置、參數(shù)設(shè)置、編程、操作、診斷。通過profibus-dp接口連接到現(xiàn)場級profibus-dp網(wǎng)絡(luò)上，以12mbit/s的通訊速度與下一級hmi人機界面或傳動控制裝置通訊。
(3) hmi人機界面或傳動控制裝置通過profibus-dp接口連接到現(xiàn)場profibus-dp網(wǎng)絡(luò)上。hmi人機界面或傳動控制裝置完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，并通過現(xiàn)場級 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)卷機傳動控制系統(tǒng)
復(fù)卷機的機械結(jié)構(gòu)決定了電氣傳動系統(tǒng)的控制方案。復(fù)卷機電氣傳動控制就是根據(jù)紙張通過不同的機械部件，運用不同的控制方法，既保證紙張的質(zhì)量，又保證復(fù)卷機可靠、穩(wěn)定、連續(xù)地高速運行;操作方法科學(xué)、簡便、直觀，同時又為生產(chǎn)和設(shè)備管理提供有效的途徑。

圖2所示為雙底輥高速復(fù)卷機的外觀圖和控制原理，其傳動部分包括退紙架電機m0、前底輥m1和后底輥m2。因為復(fù)卷機的運行速度取決于前底輥m1的線速度，同時，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)卷機傳動系統(tǒng)對于前底輥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)卷機正常穩(wěn)定運行，必須控制紙幅張力f。退紙架m0通過工作在發(fā)電機狀態(tài)，其產(chǎn)生的制動轉(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得的前底輥和退紙架電機速度計算得到。

復(fù)卷機的傳動控制特點:
(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) 退紙實現(xiàn)自動張力控制和轉(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m1和m2是控制復(fù)卷機的兩個支承輥，在高速復(fù)卷機的設(shè)計中，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”，其分配量可由電機電流強度大小(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)卷機外觀和控制原理示意圖

在退紙架電機的運行狀態(tài)中，提供足夠的制動力矩是主要問題。一般情況下，制動力矩有三種情況:
(1) 運行中的轉(zhuǎn)矩;
(2) 緊急停止時的轉(zhuǎn)矩;
(3) 正常停車時的轉(zhuǎn)矩。

運行中的轉(zhuǎn)矩控制必須保證紙幅的任何一點都能有恒定的張力，因為轉(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，同時最大的轉(zhuǎn)矩值應(yīng)該是在滿卷時出現(xiàn)。

緊急停車時的轉(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，這時必須要有足夠的制動轉(zhuǎn)矩以保證快速停車。在紙幅斷裂時，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;
時間t為緊停時間或者需要最快的時間(s)。

既然滿卷時的慣量為最大值，因此通常都將該值作為最惡劣的情況下紙幅斷裂時的數(shù)值，當(dāng)時的速度n可以通過對線速度v的計算獲得，緊停時間t則一般取2s。

正常停車時的轉(zhuǎn)矩控制必須保證紙卷在既定的時間內(nèi)轉(zhuǎn)速為0，同時在停車過程中保持任何一點都是恒定的張力，這時其轉(zhuǎn)矩
t＝trun+gd2×n/(308×t)
轉(zhuǎn)矩trun為正常運行時的轉(zhuǎn)矩;
時間t為停車時間。

顯然假如按照2s的停車時間進行停車其所需的轉(zhuǎn)矩比紙幅斷裂時還要大，因為它還必須克服額外的紙幅張力。但通常停車的時間都控制在8~10s左右。

4 專用收放卷的變頻傳動控制系統(tǒng)
在紙和紙板工業(yè)生產(chǎn)中, 通常都需要進行卷取控制，以生產(chǎn)符合要求的卷材, 如超級壓光機、復(fù)卷機、機外涂布機、分切機等。目前成熟的收卷主要是采用力矩電機、直流電機或者張力控制器進行收卷, 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)，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設(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合，但對于要求并不嚴(yán)格、又要求性價比高的收卷來說，本文提出了比較實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)的張力控制來實現(xiàn)收卷。在這種控制方式下，實際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內(nèi)部的檢測和計算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，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為機械傳動比。

在實際的使用中，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為卷筒實時卷徑; 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)，因此卷徑的計算是比較重要的。最簡單的當(dāng)然是直接測量，但實際中我們都會考慮采用間接計算法，以減少成本。

通常計算卷徑有兩種方法:線速度計算和厚度積分。前者是利用線速度除以電機角速度就是卷徑的相對比例，方法比較簡單，但必須注意當(dāng)線速度運行在低速時由于卷材的線速度和電機的運行頻率都比較低，所以導(dǎo)致誤差比較大，因此通常要采用彌補的方法(比方設(shè)定一個最低線速度下限值)。后者按卷筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進行卷徑累積，必須注意的是一定要準(zhǔn)確知道紙張的厚度，在換品種時必須輸入厚度系數(shù)。

矢量控制的變頻器是通過對電機磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實現(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行寬范圍的調(diào)速運行。

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)在紙機傳動的很多設(shè)備進行了廣泛的應(yīng)用，并以簡單的配置和靈活的應(yīng)用獲得了用戶的好評。

5 結(jié)束語
傳動的高效率運行將突破紙機生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，無論是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的紙機傳動，還是可控轉(zhuǎn)矩和張力的復(fù)卷機傳動，以及專用的收放卷變頻系統(tǒng)都將有力地促進紙機效能的提高。隨著傳動技術(shù)和變頻器的發(fā)展，紙機的控制方式不僅可以獲得快速實現(xiàn)，更能體現(xiàn)柔性驅(qū)動。

參考文獻
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作者簡介
李方園(1973-) 男 電氣自動化工程師 1995年畢業(yè)于浙大電機系工業(yè)電氣自動化專業(yè)，主要從事輕工機械行業(yè)的電氣傳動和fa系統(tǒng)設(shè)計。目前已在國內(nèi)主要專業(yè)期刊發(fā)表論文50多篇。