（控制理论与控制工程专业论文）复卷机恒张力与负荷分配控制设计及应用.pdf

摘要 针对漯河银鸽造纸集团9 0 年代初从德国引进的复卷机技术改造 项目，原系统采用西门子早期的直流控制系统，张力和负荷分配等 几个重要参数均采用模拟回路调节，系统抗干扰和信息集成能力较 差，由于元件老化，控制精度低，故障较多，运行车速只能达到 6 0 0 m m i n ，无法与高速纸机的生产能力相匹配。 改造采用p l c 为控制器，变频器为执行器，o p 操作面板为操作 站的全数字现场总线控制方法解决存在的上述问题。基于这种设想， 为了减少投资，基本保持系统原有的机械部分和液压部分，把原来 的直流传动改造成交流传动；采用p r o f i b u s d p 总线和远程i 0 代替原 系统大量的i o 布线；采用o p 2 7 0 人机界面代替机械按钮和模拟仪表。 针对复卷过程中卷径变化以及加减速时对张力的影响，提出直接张 力和问接张力相结合的复合张力控制、卷径实时计算等方法，用直 接张力控制精度；在特定的动态过程中，加入一些动态转矩补偿算 法，用间接张力提高系统的抗扰动能力，以满足复卷时恒张力控制 要求。对于前后底辊电机的控制，在分析了负荷分配产生的原因后， 提出一种主从控制方法，不仅使两台电机保持同步，而且使后底辊 电机很好地跟随前底辊电机转矩的变化，达到负荷分配控制的目的。 将现场总线应用于复卷机中，组建p r o f i b u s d p 网，设计主从站 之间的通信，最后，完成控制系统程序设计和监控画面的功能设计。 改造后，复卷机的运行车速达到1 2 0 0 m m i n ，实际运行结果表明，该 控制系统具有精度高、运行稳定可靠、监控能力强、操作简便等特 点，能够满足高速复卷机的控制要求。 关键词：复卷机现场总线变频控制恒张力负荷分配 a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e ri sa i m e d 砒t h er e w i n d e rt e c h n i q u er e b u i l d i n g t h er e w i n d e rw a s i n t r o d u c e df r o mg e r m a n yb yl u o h ey i n g ep a p e rm a k i n gg r o u pi n9 0 s t h eo l d s y s t e mu s e st h e d i r e c tc u r r e n tc o n t r o ls y s t e m e a r l yu s e db ys i e m e n s ，s e v e r a l i m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha st e n s i o na n dl o a dd i s t r i b u t ea r ea d j u s t e db ya n a l o g u e l o o p ，t h es y s t e mi sw e a k a tr e s i s t i n gd i s t u r b a n c ea n d i n t e g r a t i n gi n f o r m a t i o n ，t h e r ea r e m a n yf a u l t sb e c a u s eo ft h ea g i n ge l e m e n t sa n dl o wc o n t r o lp r e c i s i o n ，b e s i d e s ，t h e v e l o c i t yc a nr e a c ho n l y6 0 0 m m i n ，w h i c hi su n a b l et om a t c ht h ep r o d u c i n ga b i l i t yo f t h eh i g h v e l o c i t yp a p e rm a c h i n e i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，w ec h o o s ep l ca sc o n t r o l l e r , t r a n s d u c e ra s e x e c u t e r , o po p e r a t i n gp a n e la so p e r a t i n gs t a t i o n a n da l lt h ef i e l d b u sc o n t r o lm e t h o d b e i n gd i g i t a l a c c o r d i n gt ot h i si d e a ，a n df u rt h es a k eo fd e c r e a s i n gi n v e s t m e n t ，w e m a i n t a i nt h eo l dm e c h a n i cp a r ta n dh y d r a u l i cp r e s s u r ep a r t ，c h a n g i n gt h ed i r e c t c u r r e n td r i v i n gi n t oa l t e r n a t i n gc u r r e n td r i v i n g ；a d o p tp r o f i b u s d pb u sa n d l o n g r a n g e i oi n s t e a do ft h ev a s ti ol i n ed i s p o s a lo fo l ds y s t e m ；i n t r o d u c eo p 2 7 0m r n m a c h i n e i n t e r f a c et or e p l a c em e c h a n i cb u t t o na n da n a l o g u ea p p a r a t u s b e c a u s eo f t h ei n f l u e n c e o nt e n s i o nb yw i n d i n gr a d i u sv a r y i n ga n da c c e l e r a t e d e c e l e r a t ed u r i n gr e w i n d i n g ，w e p r o p o s ea m e 血o dt h a tc o m b i n e st h ed i r e c ta n di n d i r e c tt e n s i o n si n t oac o m p o u n d t e n s i o nc o n t r o l ，a n dar e a l - t i m ew i n d i n gr a d i u sc o m p u t a t i o nm e t h o d ，i nw h i c ht h e d i r e c tt e n s i o ni su s e dt oc o n t r o lp r e c i s i o n ；i nag i v e nd y n a m i cp r o c e s s ，w ea d ds o m e d y n a m i ct o r q u ec o m p e n s a t i o na r i t h m e t i c u s i n gi n d i r e c tt e n s i o nt oi n c r e a s et h e a n t i d i s t u r b a n c eo ft h es y s t e m ，s oa st oa c h i e v ec o n s t a n tt e n s i o nc o n t r 0 1 f o rt h e c o n t r o lo ft h ed o u b l e d r u mm a c h i n e ，w ei n t r o d u c eap r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec o n t r o l m e t h o da f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o nt h a tp r o d u c e sl o a dd i s t r i b u t i o n ，t h i sm e t h o dc a l ln o t o n l yk e e pt w om a c h i n e si n - p h a s e ，b u tm a k et h eb a c k - d r u mm a c h i n em o v ef o l l o w i n g t h ef r o n t d r u mm a c h i n e s ot h a ti tc o n t r o l st h el o a dd i s t r i b u t i o n w ei n t r o d u c ef l e l d b u si n t or c w i n d e r , s e tu pap r o f l b u s d p n e t , d e s i g n i n g c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t es t a t i o n s ，a n df i n a l l y ，c o m p l e t e c o n t r o l s y s t e m sp r o g r a mp r o j e c ta n df u n c t i o nd e s i g no fm o n i t o rm e n u a f t e r r e b u i l d i n g ，t h eo p e r a t i n gv e l o c i t ya c h i e v e sa t12 0 0 r n m i n ，a n di ti ss h o w e dt h a tt h i s c o n t r o ls y s t e mh a sah i g hp r e c i s i o n ，r u n ss t e a d i l ya n dt r u s t i l y , i se a s yt or u na n d m o n i t o r , a n ds oo n ，i ts a t i s f i e st h ec o n t r o ld e m a n do f t h eh i g h - v e l o c i t yr e w i n d e r k e yw o r d s ：r e w i n d e r ；f i e l d b u s ；v a r y i n g f r e q u e n c yc o n t r o l ；c o n s t a n tt e n s i o n ； l o a dd i s t r i b u t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究： 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文= 中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我1 同：j = 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在融文中 作了明确的巍明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弃托薄 签字同期： 2 伽丁年f 月2 zh 学位论文版权使用授权二1 = 5 本学位论文作者完全了解墨凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查测和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 裔艳薛 导师签名 签字n 期：2 。呵年，月2 2f i 签字期：小j 月移网 第一章绪论 第一章绪论 1 1 复卷机结构与工作原理 复卷机是将造纸机所生产的原纸卷，经过定宽分切、整理，再 复卷成为具有一定宽度、长度和紧度要求的卷筒纸或其他类型的纸， 以满足印刷及包装工业的需要。复卷机性能的好坏将影响到整个纸 机生产线的产量。 复卷机的型式较多，根据所卷纸的性质不同，复卷机可分为有 轴复卷机和无轴复卷机：根据传动方式不同可以分为单电机传动和 双电机传动。在本课题中我们改造的是一台双底辊下引纸复卷机， 每个底辊都有各自的电机驱动。 1 结构 复卷机一般由放卷辊( 又称退纸辊) 、引导辊、纵切机构、压纸 辊、卷取底辊( 包括前底辊和后底辊) 等构成，如图1 1 所示。 图1 - 1 复卷机结构示意图 双底辊复卷机 2 1 的特征是有两根被传动的滚筒来取代并支撑卷 取中的卷筒，通常有一根带或不带传动的压纸辊压在卷取中的卷筒 顶部。卷取辊是卷取的主要结构( 又分别称为前、后底辊) ，一般 情况下前底辊的表面比较粗糙，后底辊的表面相对光滑，它们通过 第一章绪 论 减速箱与电机联在一起。压纸辊又叫负荷辊，其作用是产生一个向 下的压力，其压力是自身的重量与负荷辊提升力之差。放卷辊由退 纸架、放卷辊联轴器、放卷辊夹紧机构、放卷电机组成。纵切刀一 般有数把并排在同一个轴上，主要用于切掉纸边、根据需要把一定 幅宽的薄板纸切成所需要的宽度。张力辊上置有两个张力传感器， 用于接受纸幅张力。 2 工作原理 纸幅从退纸辊引出( 此课题采用下引纸方式) ，经导纸辊通过 纵切机构，从前后底辊之间由底部绕上，而后卷在纸芯上( 如图1 1 ) 。 纵切机构前后各有1 支撑辊，前后支撑辊装有张力传感器，用于测量 纸幅张力。纸芯上方的压纸辊确保纸卷的硬度。复卷机的各组成部 分都由独立的电动机传动，其工作原理为1 3 1 ：从造纸机上取下的原纸 卷放在放卷辊上，放卷辊上的制动器保持纸幅有一定的张力，并在 断头时使纸卷快速制动。纸幅通过引导辊到达纵切装置，几把纵切 圆刀将纸分裁成所需的宽度，然后送到卷取辊进行复卷，达到规定 长度后即停下来再换上新的纸芯墓复上述过程。复卷机的主要结构 参数是能处理的纸幅宽度和最高车速，其次是退纸和卷纸的最大直 径、切纸方法和长度型式。 由复卷机的工作原理可以看出，卷取辊的电机带动相应的卷取 辊，使纸卷绕纸芯转动，纸卷的直径逐渐增大，同时纸卷的轴心随 直径的增大逐渐向上移动，压纸辊也随之向上移动，并逐渐减小压 力。放卷电机主要提供一个反向的力矩，在纸面上产生张力，保持 纸幅的平整，放卷电机的速度控制是一个逐渐升速的过程，但纸幅 的线速度保持不变。 1 2 复卷机控制国内外研究现状 复卷机是一种重要的造纸生产机械，通常安装在紧接造纸机的 后面，其车速应为纸机速度的2 3 倍，一般为15 0 0 1 8 0 0 m m i n ，最 高达3 0 0 0 m m i n 以上，引纸时，要以最高车速的1 ：1 0 0 运行。为保证在 复卷过程中不断纸和松纸，必须保证纸幅的张力恒定 为保证成品 纸内紧外松的品质，必须对前后底辊电机进行负荷分配。因此，复 卷机对电气传动系统的主要性能要求是线速度长期稳定，速度可调 且调速范围宽，具有快速响应的特点。 2 第一章绪 论 早期复卷机1 4 】的控制以直流传动为主，采用分立元件或模拟调节 器组成直流调速系统实现上述控制功能。由于模拟信号的传输需要 一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高了计算机速度和精度的开 销，信号传输的抗干扰能力较差，在生产过程中经常出现断纸和起 皱现象。于是在2 0 世纪8 0 年代中后期，模拟调节器被数字式调节器 所取代，出现了复卷机直流数字控制系统。这种控制系统比模拟系 统更稳定、可靠和宜于维护，更宜于与工厂的计算机接口。进入上 世纪9 0 年代中期，国内造纸工业所有新投入的复卷机大都采用国外 生产的全数字直流调速装置，比较有名的是西门子的6 r a 7 0 系列和欧 陆传动公司的5 9 0 系列直流调速装置。 由于直流电机换向器及电刷的原因，在稳定条件下，复卷机的 设计车速只能达到18 0 0 r n m i n ，数字式调节器的精确度仍限于最高速 度的o 。0 8 左右，满足不了高速纸机( 复卷机的车速应为纸机车速的 2 3 倍) 的配套要求。在2 0 世纪8 0 年代早期，欧洲和日本开发了交 流变频调速装置。这项技术在8 0 年代中期被成功地引入美国，并使 用于复卷机。交流传动的最大优点是交流电机结构简单，运行可靠， 它比直流电机所需的维护和维修要少得多。 交流传动最早在欧洲、日本的纸厂迅速获得成功，大多数主要 传动制造商现在均可为纸厂提供交流传动装置，国内纸厂大部分使 用a b b 、西门予等公司的成套复卷机交流传动系统。例如西门子公司 6 s e 7 0 系列调速装置，其调速性能己全面达到甚至超出了直流调速性 能而成为传动的首选方案。国内复卷机交流传动大约始于2 0 世纪9 0 年代中后期，由于厂家对复卷机的交流传动系统了解和研究不太深 入，很少有较成熟的成套设备推向市场。 目前，在国内造纸行业中复卷机的传动控制系统正在逐步由全 数字直流传动控制系统向交流变频传动控制系统发展1 5 】。随着复卷机 生产工艺和车速的不断提高，对复卷机生产过程进行实时控制和监 测的要求也越来越高，为了减少复卷机生产现场与控制室之间的大 量布线，提高信号的传输速度和质量，现场总线和人机界面开始于 9 0 年代末应用于复卷机【6 】。现场总线是一种全数字、双向通信的新型 控制系统。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比， 它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时， 由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减 少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，现场控制 菇一章绪论 设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的 设备运行信息和诊断维护信息送入人机界面，用户可以监控所有设 备的运行状况，查询故障原因，并可以根据复卷机工艺的不同要求， 设定和修改工艺参数( 例如张力) 。正因如此，把现场总线技术和h m i 技术应用于复卷机已经成为复卷机自动控制的发展趋势。随着变频 器、h m i 技术和现场总线技术在复卷机应用中的不断推广以及计算机 技术和通信技术的结合，复卷机的设计车速可以达到3 0 0 0 m m i n ，工 作车速25 0 0 m m i n ，复卷机中的许多人工操作实现了自动化，手工操 作大量减少，其自动化程度和控制精度、控制速度和系统的稳定性 将提高到一个新的水平。 1 3 原控制系统的局限性 本课题是针对漯河银鸽造纸集团的复卷机模拟直流传动系统进 行的改造，原复卷机控制系统主要存在以下缺点和局限性： ( 1 ) 原复卷机控制系统是德国西门子公司的直流传动控制系统， 由于采用直流电机拖动，模拟调节器调速，器件参数易漂移，造成 复卷机的可靠性和精度不高，并影响复卷质量和效率，最高车速只 有6 0 0 m m i n 左右，很难满足与之配套的高速纸机的生产要求。 ( 2 ) 原系统采用机械按钮和仪表操作、监控生产过程，信息集成 能力不强，许多生产过程的工艺参数无法取得，加大了工人操作的 劳动强度和人工参与生产的时间，影响了复卷机的设备利用率和自 动化程度。 ( 3 ) 原系统是集中式系统，在控制室和现场之间分布有大量的 i o 电缆，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 ( 4 ) 由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报 警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、 修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。 1 4 本课题研究意义和内容 由于变频技术和计算机网络技术在工控领域中的应用和发展， 建立基于现场总线的交流传动控制系统成为解决上述缺点和局限性 的有效途径。以p l c 为控制单元，变频器为执行单元、o p 操作面板 的有效途径。以p l c 为控制单元，变频器为执行单元、o p 操作面板 第一章绪论 为操作单元组成全数字现场总线复卷机交流传动控制系统。基于这 种设想，为了减少投资，基本保持系统原有的机械部分和液压部分， 把原来的直流传动系统改造成交流传动系统，更换电磁阀及一些磨 损的机械零件；采用p r o f i b u s d p 总线和远程i o 代替原系统大量的i o 布线；采用o p 2 7 0 人机界面代替机械按钮和模拟仪表，并保持一部分 机械按钮，使工人既可以在o p 2 7 0 上操作，也可以在操作台按钮上操 作，互为补充，增加了操作的灵活性。系统设计方案如图1 - 2 所示。 操作台 图1 - 2 复卷机控制系统设计方案 1 研究意义 本课题的意义就在于将先进的现场总线技术和变频技术应用到 传统的造纸行业的控制领域中来，使复卷机控制系统具有很强的实 用性和相当长时间内的先进性。 首先，采用新型的p r o f i b u s 现场总线代替原系统的大量i o 布线， 有效避免了信号所受的干扰；采用o p 操作面板代替原系统的模拟二 次仪表和开关按钮。将控制系统分为监控级( 操作员面板) 和现场 控制级( 下位机) 两级。通过该系统，操作员可通过o p 面板及时了解复 卷机的各种运行状态，分析故障原因，并及时根据现场情况在o p 面 板上作出相应的调整和控制。新控制系统采用变频控制技术，摒弃 复卷机原系统的直流传动控制模式，变频技术的应用提高了系统的 车速和控制精度，改造后的车速达到1 2 0 0 m m i n ( 线速度) ，为原系 统的两倍，在最高车速的情况下，转速误差不超过20 o o 。友好的人机 界面系统能有效地监控复卷机的整个生产工艺过程，实现了对关键 生产参数的有效控制，保证安全平稳生产，提高经济效益，减轻工 人的劳动强度。 其次，新控制系统的实现方案具有普遍性，对一般的数据采集 第一章绪 论 系统进行软硬件的设计改造，都可以将原有系统接入现场总线，复 卷机张力和负荷分配控制的设计对造纸行业和卷烟行业的设备改造 具有一定的借鉴意义。 2 主要研究内容 ( 1 ) 在对复卷机工作原理和生产工艺进行了解的基础上，确定复 卷机交流传动配置方案和公共直流母线供电方式。 ( 2 ) 针对复卷过程中卷径变化对张力的影响以及加减速时易出 现断纸和松纸的现象，提出赢接张力和间接张力相结合的复合张力 控制方法，设计卷径实时计算和动态转矩补偿程序，对张力扰动进 行有效修正，保证复卷过程中张力恒定。 ( 3 ) 完成压纸辊压力控制的软硬件设计。 ( 4 ) 在详细分析前后底辊电机负荷分配产生的原因后，确定两电 机的主从控制方案，设计负荷分配控制系统。 ( 5 ) 组建p r o f i b u s - d p 网络系统，设计p l c 与变频器、o p 操作面板 之间的通信。 ( 6 ) 采用s t e p 7 设计复卷机控制系统的软件，利用p r o t o o l 编制 整个监控系统画面。 6 第二章复卷工艺与控制方式 第二章复卷工艺与控制方式 2 1 复卷工艺过程控制要求 复卷过程包括退纸、纸幅控制、纸幅分离及纸卷结构控制，其 中纸卷结构控制最重要，因为它直接关系到产品的运行稳定性。纸 卷结构控制( 即紧度控制) 有三个原则：第一，纸卷在纸芯处要卷 得硬些，因为它是支承纸卷其余纸重的基础。如纸芯处太松，则退 卷时会出现喇叭形。第二，纸卷在收卷时应卷得软些，否则外层易 损伤。第三，纸卷从纸芯处的紧到终卷时的松，硬度必须均匀变化。 若中间有突变，纸卷端面将呈现星形的缺陷。 为了保证纸卷在运输或保存过程中不变形、不崩裂，优良的成 品纸卷应具有足够的硬度且内紧外松，径向硬度分布均匀，因此， 紧度是复卷机的主要工艺参数之一。影响纸卷紧度的因素很多，其 中最主要的因素是纸幅张力( t e n s i o n ) 、压区应力( n i pl o a d ) 和转 矩( t o r q u e ) ，简称t n t ，其余绝大多数都直接或间接影响这三个因 素并最终影响纸卷结构。纸卷的紧度主要决定于： ( 1 ) 卷纸时有适当的线压力，并能随着纸卷直径增大而适当调 整。 ( 2 ) 前后底辊有适当的转矩差或速度差。 ( 3 ) 纸幅张力对纸卷质量也有影响，因此要保持纸幅张力恒定。 一台完善的复卷机必须具有以下工艺要求： ( 1 ) 复卷过程必须进行张力控制、压纸辊压力控制和前后底辊 转矩负荷分配控制。 ( 2 ) 复卷机的引纸车速通常是4 0 9 0 m m i n ，工作车速的调节 范围一般是1 ：3 1 ：5 。在工作车速范围内车速的波动值应不超过正负 0 3 。从引纸车速升高到工作车速的过程要求等加速上升，以免动 态张力波动太大造成纸卷松软不一致。在断头或停机时要求均匀减 速。在加速过程中，其平均加速度通常为0 2 3 0 3 7 m s 2 ，加速时间 为2 0 4 0 秒；而在制动过程中，减速度为o 4 2 o 7 5 m s 2 ，制动时间 为4 0 秒左右。因此要求在整个复卷机工作过程中车速在4 0 m m i n 1 2 0 0 m m i n 之间平滑调节。 ( 3 ) 当纸断头或停机时，放卷辊应自动停车。运行时放卷辊再 第二章复卷工艺与控制方式 生制动能量反馈电网。 ( 4 ) 各传动点之间实行整组控制，工艺互锁，满足整组各传动 点同步运行、爬行、引纸、退纸等工艺要求。 ( 5 ) 稳速精度要求高，静态精度0 1 ，动态精度0 5 。 2 2 控制方式 2 2 1 纸幅张力控制 纸幅张力控制【7 】是保证纸卷形态至关重要的因素之一，纸幅张力 最重要的作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向 偏移。在复卷过程中，纸的张力大小主要由纸种来决定，通常为o 3 2 公斤厘米( 约为0 3 2 千牛米) 。正确地选用纸的张力能在一定程 度上改善纸卷的质量，减少断头，保持复卷机工作稳定。因此，复 卷机的传动应自动保持张力稳定，并能根据生产需要进行调节。调 节范围通常为1 ：4 ，张力最大波动值不应超过正负1 0 。 在复卷过程中，纸幅张力随着位置和时间的变化而变化，然而 纸幅张力的调节受其它因素的限制很大。如纸幅张力太低，纸幅将 松垮或在卷取辊上打滑；如太高，则残余应力过大，甚至爆卷或损 伤纸芯。因此，要得到很好的纸卷，就要求相应复卷设备具有良好 的纸幅张力控制系统，以控制张力于设定值范围内。 纸幅张力控制有多种方法【8 】，主要为电气控制。电气控制又分为 直接张力控制和间接张力控制两种。直接张力控制是用张力传感器 直接测量纸幅的张力，构成张力闭环控制达到调节纸幅张力的目的。 直接张力控制方式精度高，需要安装张力传感器，投资较高；间接 张力控制即控制放卷辊电动机的制动功率，使之恒定；对于要求高 精度张力控制及高生产率的复卷机系统，用间接张力控制在升速及 降速期间要进行动态转矩的补偿，以获得较高的张力控制精度。间 接张力控制方式不如直接张力控制方式精度高，投资较低。两种张 力控制方式根据不同使用场合选用。不管采用哪种控制方式，放卷 辊在正常工作时，总是长期处于制动状态，以建立复卷时的纸幅张 力，引纸时放卷辊工作在电动状态，工作运行时自动切换到张力控 制状态，故要配以四象限运行系统。 2 2 2 压区压力控制 8 第二章复卷工艺与控制方式 压区压力是卷取纸卷与卷取辊间沿其中心线方向的平均线压 力。当纸幅进入压区后，会以略小的半径卷取，然后向外膨胀到大 一点的自由半径，从而增加了纸卷的紧度或卷取应力。压区压力主 要来自于纸卷本身的重量和外加压纸辊的负荷，由于复卷过程中纸 卷本身的重量是不断增加的，所以产生的压区压力在整个复卷过程 中变化太大，无法实现均匀的纸卷紧度，解决的方法是由外加载压 力即压纸辊压力来补偿。压纸辊的压力对卷纸硬度有较大的影响， 其作用是保持纸卷与底辊问压区的压力稳定，防止在初卷时因卷纸 轴太轻而打滑以及在复卷后期因压力太大而卷得太紧。 复卷机在卷取过程中成品纸卷的直径不断增大，成品纸卷的重 量也在不断增大，成品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说 若压纸辊施加的压力恒定的话，成品纸卷与两底辊的接触点的压力 也在变化，为此如果期望最佳的纸卷形态的话，就必须逐步减小压 纸辊的压力负荷来补偿上述两项因素的影响，才能获得成品纸卷与 两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。因此，复卷机压纸辊线压 力的控制过程为：当纸卷的重量小于压纸辊重量时，应将压纸辊的 重量全部作用在纸卷上，使纸卷与支承辊间产生足够的摩擦力而不 致于在开始复卷时打滑；当纸卷的重量大于压纸辊的重量以后，应 该逐步减小压纸辊对纸卷的压力，不使由于作用在支承辊上的压力 过大而增加支承辊负荷与纸卷紧度。 在老式复卷机上，压力调整控制机构是采用机械的悬称装置。 在新式复卷机上，纸卷和底辊间的压力控制 9 】是通过控制压纸辊液压 缸或气压缸的压力来达到。随着纸卷直径逐步增大，逐步减少压纸 辊液压缸或气压缸压力，从而获得均匀压力。 2 2 3 前后底辊转矩差控制 因为压纸辊的压力以及前、后底辊之间的转矩差对纸卷硬度有 着更大程度的影晌，所以在足够的压区压力和恒定的后拉力下，纸 幅在前底辊压区处的张力将取决于两底辊之间的转矩差大小，即两 底辊之间的转矩差大小将直接影响到纸卷硬度。 为了使成品纸卷达到内紧外松的硬度要求，始卷时前辊电机的 转矩大于后辊电机的转矩，即前辊表面线速度要比后辊大一点，随 着纸卷直径的增大，前底辊转矩逐渐减小，后底辊转矩逐渐增大， 即两台电机的转矩差渐渐变小，当直径达到6 0 0 r a m 左右时，两辊转矩 9 笙三童塞堂三茎兰丝型查茎一 基本相等，此后后辊转矩略大于前辊，使纸卷卷得松一些，以削弱 因纸卷重量增大而使纸卷过紧的趋势1 们，其转矩控制曲线如图2 - 1 所 示。 x 一 韶 图2 - 1 卷取辊转矩控制曲线 前、后底辊转矩差是如何影响纸卷硬度的呢? 对于双底辊复卷机而言，前后底辊分别由两台电动机驱动，如 图2 2 所示，当不计成品纸卷自重及压纸辊压力作用于底辊的转矩影 响时，即只考虑两底辊拖动功率与后拉力功率相平衡： p = 鼻+ p 2 ( 2 1 ) 式中：p 一后拉力功率，p = v f ； 只一前底辊拖动功率，e = v 鼻； p 2 一后底辊拖动功率，已= v xf 2 ； 矿一纸幅线速度； f 一纸幅总张力( 即纸幅后拉力) ； f 一前底辊压区4 处作用于纸卷表面的驱动力； 只一后底辊压区b 处作用于纸卷表面的驱动力。 由于足够的压区压力p 的存在，忽略成品纸卷与两底辊间的打滑 现象，即各辊表面线速度相等，所以： f = 鼻+ 五 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 表明纸幅总张力f 与前底辊压区a 处作用于纸卷表面的 驱动力e 、后底辊压区b 处作用于纸卷表面的驱动力f 2 之和相平衡。 前底辊压区a 处作用于纸卷驱动力只将直接影响纸卷硬度，且纸卷硬 度与只的大小成正比。而后底辊压区b 处作用于纸卷表面的驱动力 则在纸幅卷人纸卷之前就抵 消了纸幅后拉力的一部分，所 以后底辊压区b 处作用于纸 卷表面的驱动力e 越大纸卷 卷的越松。纸卷是在压纸辊与 前、后底辊之间进行卷取的， 如前所述在压区压力足够大， 后拉力恒定不变的条件下，成f j 品纸卷硬度是由前底辊所承 担转矩大小决定的。希望纸卷 卷紧些，则通过负荷分配使前 底辊承担较大的转矩，如果期 压纸辐 图2 - 2 前唐底辊受力示意图 望更好的纸卷形态，则通过负荷分配使得随卷径增大逐渐减小前底 辊转矩，增大后底辊转矩，从而得到内紧外松的成品纸卷。 对许多纸种来说，仅仅有适当的压纸辊压区压力控制，还不能 生产出质量良好的纸卷。同样，适当的转矩差控制，也不能单独地 完全达到目标。只有将上述三种控制功能适当配合，才能共同对纸 卷形态产生影响，从而得到最佳的纸卷结构。双底辊复卷机适用于 成品纸卷直径不超过8 0 0 m m 的情况，当成品纸卷直径超过1 0 0 0 m m 时， 即便是全部运用了上述3 种功能，由于成品纸卷自重的影响，也难以 达到理想程度，往往使卷成的纸卷紧度过大。 通过以上对纸卷结构控制的分析【l “，可以得到以下结论： ( 1 ) 张力控制的主要作用是展平纸幅，当然对纸卷硬度也有影 响，不过通过压纸辊压力控制和底辊转矩差控制可以获得更好的效 果，所以纸幅张力不是影响纸卷硬度的主要因素。 ( 2 ) 压纸辊压力控制的作用一是产生足够的压区压力，纸辊与 底辊间产生足够的摩擦力，使得运行中容易实现底辊间的负荷分配， 二是压纸辊压力的大小也影响纸卷硬度。 ( 3 ) 前、后底辊问的负荷分配的作用一是影响纸卷硬度，二是 可实现纸卷内紧外松控制。如期望提高纸卷硬度，既可以采用增大 后拉力来实现，也可以加大压纸辊压力来实现，还可以提高底辊转 矩差来实现，这需要根据纸种和纸张横幅定量分布情况而定。 第三章恒张力及负荷分配控制设计 第三章恒张力及负荷分配控制设计 3 1 交流传动控制系统组成 复卷机的传动系统可以分为2 个部分，其一是卷取部分，另一个 是放卷部分。放卷部分有l 台放卷电机，收卷部分有2 台卷取电机， 这两组电机依靠纸幅张力联系在一起，如图3 1 所示，具体说，放卷 电机的作用是提供一个反向力矩，在放卷的过程中拉紧纸。把卷取 部分看为一个整体，则卷取电机用来克服放卷电机所提供的反向力 矩，拉平纸幅并卷取纸卷。复卷机传动系统的这三台电机分别由三 台逆变器控制。逆变器挂在p r o f i b u s d p 总线上，现场的传感器信号 和各种控制信号接到临近远程i 0 上，并通过p r o f i b u s d p 总线与控制 器p l c 交换信息【”】。 9 | | | 主狲f 放卷电机i后底辊电机ii 前底轭电机 暖蜀臣蜀臣目 9 翮却 # 躅l 厂j 上一止 嘲熙晶搦搦 e t 2 0 0 m 艟i 鞫i ! ! ：! 些l 盔酗到霹翻4 1 s e 7 0 1 重蔓：器ii g s e t o 逆变器ll6 s e 7 0 逆变器 图3 1 复卷机交流传动结构图 复卷机的主要传动设备及其配套设备： ( 1 ) 一台2 2 0 k w 、4 极交流调速电机，用于控制放卷辊。 ( 2 ) 两台9 0 k w 、4 极交流调速电机，分别用于控制前后底辊。 ( 3 ) 压纸辊的液压控制系统，用于控制压纸辊。 ( 4 ) 3 台矢量逆变器用来控制放卷辊和前后底辊。 第三章恒张力及负荷分配控制设计 ( 5 ) 5 台0 4 5 k w 交流电机，用于控制数台纵切刀( 按产品要求 配置台数，一台纵切机构配置一台电机，最多6 台，图中未画出) 。 ( 6 ) 导纸辊电机、风机电机3 台、抱闸电机2 台、吸边电机和放 纸架位移电机等( 图中未画出) 。 3 2 交流传动系统供电方式设计 复卷机传动系统属于多电机传动，放卷电机和前后底辊电机在 复卷过程中，有时处于电动状态，有时处于发电制动状态。制动时， 回馈能量将导致中间回路的储能电容器电压上升，最终导致变频器 “制动过电压保护”动作，故障停机，影响系统运行。 鉴于以上原因，纸机变频传动网络发展的同时，在配置结构上 公共直流母线式结构也是一种发展趋势。公共直流母线【1 3 】系统是解 决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间电动状态和 发电状态之问的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在 不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给， 又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。 1 变频器主回路配置 为了适应不同场合的使用，西门子6 s e 7 0 系列变频器【1 4 】有两种形 式：接到三相交流电网上的变频器：接到直流母线的逆变器， 采用整流单元或整流回馈单元向直流母线供电。 根据复卷机传动系统的特点，变频器主电路选用西门子整流回 馈单元+ 3 台逆变器构成，如图3 2 所示。整流回馈单元【”1 由两个反 并联、6 脉动晶闸管桥组成且能在两个方向上有电能流动，即能够将 电能送回电网( 四象限工作) 。发电工作桥通过一台自耦变压器和电网 相连接。它用于为西门子6 s e 7 0 逆变器提供直流电压整流，回馈单元 把交流转换为电压稳定的直流电。即使在逆变器能量回馈到电网时， 该电压在规定范围内仍保持恒定。 复卷机交流传动调速系统主回路由进线主开关、快熔、接触器、 进线电抗器、自藕变压器、一个整流回馈单元和三台逆变器组成。 在正常工作时放卷机的逆变器处于整流工作状态，即能量由电动机 回馈到直流母线上，而其他逆变器则均处于逆变工作状态，将直流 母线上的电能输送到对应的电机中 16 1 。这样通过直流母线实现了逆 变器之间以及逆变器和整流器之间的能量交换；将处于整流状态的 第三章恒张力及负荷分配控制设计 逆变器发出的电能通过直流母线输送到其他处于逆变状态的逆变器 中，若逆变器逆变所需的总能量大于逆变器整流发出来的总能量时， 可通过整流器从电网补充电能；反之，利用可逆整流器将电能回馈 给电网。这样将原本需通过能耗制动器消耗的电能用于驱动其他电 机或回馈到电网，大幅度地节省了电能。 图3 - 2 复卷机公共直流母线供电方式 为使整流回馈单元投入工作，需要在端子x 9 ：1 和x 9 ：2 之问外加 d c 2 4 v 电源，其电流需求量同装置规格有关。为使整流回馈单元在 电气上同电网隔离，需要装设一台主开关或功率隔离开关。主接触 器能够在工作时将装置投入或退出电网且在故障时保护所连接的装 置。按标准，主接触器由装置电子板控制。整流，回馈单元的网侧至 少需要相对阻抗压降5 。这可通过电感为4 的网侧进线电抗器来实 现。此外，按标准v d e 0 1 6 0 整流回馈单元通过一台进线电抗器实现 同电网隔离和限制其对电网的反作用，这样既可避免电网谐波对调 速系统的影响，也可减少整流装置产生的高次谐波对电网的影响。 回馈桥用自耦变压器有以下优点：即使在发电状态工作时，在所 有电机转速下均可达到电机的最大转矩。在小电网和电网电压有 扰动时，有一个较好的适用性。 第三章恒张力及负荷分配控制设计 逆变器为交流变频调速系统的核心装置，在本次设计中全部选 用矢量控制型6 s e 7 0 逆变器。每套逆变器装置均用脉冲编码器测量电 机转速，构成闭环速度控制系统。每台逆变嚣与电机之间均配有输 出电抗器，以防止逆变器输出电压的d v d t 太大对交流电机产生不良 影响。在通常情况下，整流回馈单元的容量比所供电的电机或逆变 器的线交流电机容量之和要小。这也是使用公共直流母线的一个很 主要的优点。设计者应根据全线电机或逆变器的负荷分配率、同时 率及电动、发电状态电机的功率等使用情况选用适当的整流回馈单 元容量。设计所选设备型号如下： ( 1 ) 整流回馈单元 装置型号：6 s e 7 0 3 6 1 e e 8 5 1 a a 0 主要指标：额定输入电压为3 a c 3 8 0 v 4 6 0 v ，电流5 2 6 a ；中间 回路电压5 1 0 v 6 2 0 v 。 ( 2 ) 逆变器。在这里逆变器的选型一般要比电机有一定的裕量， 一般要考虑1 0 的裕量。逆变器选型结果如下： d c 电压功率型号 退纸辊： 5 1 0 v 6 5 0 v2 5 0 k w 6 s e 7 0 3 5 1 t j 6 0 前底辊： 5 l o v 6 5 0 v1 1 0 k w6 s e 7 0 3 2 1 e g 6 0 后底辊： 5 1 0 9 6 5 0 v 1 1 0 k w 6 s e 7 0 3 2 1 e g f i 0 2 公共直流母线的优点 ( 1 ) 复卷机传动变频调速系统是由一个整流回馈单元+ 三台逆 变器来分别驱动三台电动机以代替系统内的多台单个变频器，它与 传统的一个系统使用多台单个变频器的方案相比，省去了大量的制 动单元、制动电阻等外围设备，具有投资省、电路结构紧凑、设备 占地面积和维护量小等优点，提高了设备的整体控制水平。 ( 2 ) 系统内的三台传动电动机无论是工作在电动状态或是工作 在发电制动状态，其再生制动能量经直流母线侧逆变桥回馈至电网， 有效抑制了过流和过压故障的发生；其独特的公共直流母线供电方 式可使系统内处于发电状态的电动机再生制动能量经公共直流母线 提供给处于电动状态的电动机，具有明显的节能效果1 1 “。 3 3 放卷恒张力控制设计 3 3 1 放卷张力控制分析 第三章恒张力及负荷分配控制设计 1 放卷传动控制要求 复卷机在卷取的过程中，放卷辊的卷径和转动惯量不断减小， 为时变参数。为了保证纸张在卷取过程中平稳工作，必须要求纸幅 的张力和线速度恒定。因此，对于放卷系统而言，进行张力控制是 核心技术，也是变频调速的难点。 放卷辊的张力控制主要有以下要求： ( 1 ) 放卷辊在正常运行中，两底辊由纸幅拉着放卷辊纸卷向前 运行，要保持纸幅有一定的退卷张力，放卷辊电机必须工作在发电 制动状态。 ( 2 ) 放卷棍在退卷过程中，纸辊直径一直在减小，要保持张力 不变，放卷辊电机的制动转矩应随着减小。 ( 3 ) 复卷机在加减速过程中，由于机械惯量的存在，为保证张 力控制精度，需对放卷辊电机转矩进行动态补偿，补偿量的大小与 加减速度变化量、当前卷径有关，也为时变参数。 2 放卷电机稳态运行分析 如图3 - 3 所示为放卷传动结构图。当放卷辊正常工作时，控制放 卷辊的电动机一般处于发电制动状态，其运动方程1 8 1 为： 巧= r + 兀+ ，辈 ( 3 - 1 ) l 巧2 r + r o + 殇态 ( 3 - 2 ) 式中：咒一纸幅张力产生的转矩： r 一电动机的电磁转矩； 瓦一电动机及传动机构的空载转矩； 码态一电动机的动态转矩。 忽略空载转矩r o ，电动机稳速状态下，态= 0 ，( 3 一1 ) 式变为： 礓= t ( 3 - 3 ) 根据矢量变频原理知d 9 1 ，矢量控制是基于直流电动机的等效模 型原理，交流电机的转矩电流和励磁电流实现了很好的解藕控制， 对转矩电流的控制可以象对直流电机那样操作。因此，交流电动机 采用矢量控制后，可以用下式分析，在工程中使用这种模型具有足 够的精度。 t = c t 彤d ( 3 - 4 ) 式中：c ，一电动机机电常数 d 一主磁通 1 6 第三章恒张力及负荷分配控制设计