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基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 摘要 造纸工业的发展直接关系整个国民经济的发展，在现代社会对各类纸张 的消费水平在某种程度上标志着一个国家的文明程度。随着国民经济的发展 和人民生活水平的提高，人们对各类纸的消费需求越来越大，进而对纸机的 自动化控制要求也越来越高。据此，本文结合纸机的生产工艺及其工作过程 分析了纸机对其电气传动控制系统的设计要求，并按照对控制系统的要求分 析研究了各分部的控制原理得出相应的控制方案。 本文首先介绍分析了现场总线技术的应用和工作过程，依据现场总线的 特点及p r o f i b u s d p 主从站具有实现复杂控制系统通信的功能，采用 s f c l 4 “d r dd a t 和s f c l 5 “d p w rd a t 来访问相应控制模块中的输入 输出数据，实现了纸机电气传动数据的高速传输，提高了整个控制网络的数 据传输率及整个控制系统的可靠性和抗干扰性。 本文其次对p l c 和编码器等相关硬件进行了选型的配置及设计；为了满 足纸机具有较宽调速范围和较高的频率分辨率的要求，依据所需配置硬件特 性选择了a c s 8 0 0 变频器，适应了纸机生产不同品种、不同定量的纸张的需 雨 j co 本文然后对整个软件系统的程序采用模块化结构的思想设计各种功能 模块及子程序结构，通过p l c 与o p 2 7 操作面板的连接显示整机的运行状 态参数，从而使整机故障的诊断及连锁信号可以实时的通信显示，易于现场 技术人员的的实时操作，更进一步保证了控制系统的稳定性，提高了抗干扰 能力。在采用二叉树数据结构算法的基础上设计了速度链和负荷分配的控制 结构，解决了纸机加速、减速、爬行、运行及负荷分配均匀等问题，满足了 纸机正常生产与检修时的需要。 本文最后采用国内外较成熟的总体设计结构，即三级控制网络，变频器 与电机等相关的控制设备构成第一控制级，通过p r o f i b u s d p 与整个控制系 统的核心单元也就是第二控制级p l c 进行数据的通信，p l c 不仅可以通过 p r o f i b u s d p 与现场的操作面板进行数据通信以达到实时控制的作用，而且 又能通过高速的工业以太网与第三控制级即上位机管理操作控制室进行连 接，最后设计了基于现场总线的纸机电气传动控制系统，该控制系统的设计 解决了纸机整体复杂的控制系统难以控制的问题。 所设计的系统经过在实际生产中的投入运行，纸机的车速得到了进一步 的提高，满足了纸机对控制系统的各项要求，且具有较高的稳定性和可靠性， 提高了企业的生产效率及效益，促进了造纸工业自动化技术的发展水平，所 以该系统的设计与研究的成果具有在工业应用中大力推广的价值。 关键词：现场总线，变频器，速度链，负荷分配，张力控制 d e s i g no ne l e c t r i cd r i v ec o n t r o ls y s t e m o fp a p e rm a c h i n eb a s e do nf i e l d b u s a b s t r a c t t h ep a p e ri n d u s t r yi sc l o s e l yl i n k e dw i t hn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d s o c i a lc i v i l i z a t i o n t h e p a p e r a n d p a p e r b o a r dc o n s u m p t i o n l e v e li sa m e a s u r e m e n to fo n eo ft h ei m p o r t a n ts y m b o lo ft h ed e g r e eo fm o d e m i z a t i o na n d c i v i l i z a t i o no fac o u n t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h e i m p r o v eo fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，p e o p l e sc o n s u m p t i o nd e m a n df o rv a r i o u s t y p e so fp a p e ri si n c r e a s i n g ，t h u st h em a c h i n ea u t o m a t i o nc o n t r o lr e q u i r e m e n t s h a v eb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e rc o m b i n e dt h ep a p e r m a c h i n e p r o d u c t i o np r o c e s s a n di t s w o r k i n gp r o c e s s ，a n a l y z e dd e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h em a c h i n et oi t se l e c t r i ct r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m a n di n a c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n a l y s i sa n d s t u d yo ft h e v a r i o u ss e g m e n t so ft h ec o n t r o lp r i n c i p l et od r a wt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l p r o g r a m f i r a t l y t h et h e s i si n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h e a p p l i c a t i o no ff i e l d b u s t e c h n o l o g ya n di t sw o r kp r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i e l d b u s a n dt h em a s t e r s l a v eo fp r o f i b u s 。d ph a st h ef u n c t i o no f c o m p l e xc o n t r o ls y s t e m c o m m u n i c a t i o n ，u s e ds f c l 4 d i t dd a t a n ds f c l5 d p w rd a t t oa c c e s s t h e i n p u t o u t p u t d a t ai nt h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l m o d u l e ，a c h i e v e d t h e h i g h s p e e dd a t at r a n s m is s i o no fm a c h i n ee l e c t r i cd r i v e ，i m p r o v e dt h ed a t a t r a n s f e rr a t eo ft h ee n t i r ec o n t r o ln e t w o r ka n dr e l i a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so ft h e w h o l ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l yt h et h e s i sc a r r i e do u to nt h es e l e c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o na n d d e s i g nf o rp l ca n de n c o d e ra n do t h e rr e l a t e dh a r d w a r e t h et h e s i si no r d e rt o m e e tt h em a c h i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t so faw i d es p e e dr a n g ea n dah i g h e r f r e q u e n c yr e s o l u t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e h a r d w a r ef e a t u r e so ft h ed e s i r e d c o n f i g u r a t i o nt os e l e c tt h ea c s 8 0 0i n v e r t e r , i ta d a p t e dt od i f f e r e n tv a r i e t i e sa n d d i f f e r e n tq u a n t i t a t i v en e e do ft h ep a p e rm a c h i n e p r o d u c t i o n t h e nt h ew h o l es o f t w a r es y s t e mp r o g r a mu s e dt h ei d e ao ft h em o d u l a r i l l s t r u c t u r et od e s i g nt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e sa n ds u b r o u t i n es t r u c t u r e ， t h r o u g ht h ec o n n e c t i o no ft h ep l cw i t h0 p 2 7o p e r a t o rp a n e lt od i s p l a yt h e m a c h i n er u n n i n gp a r a m e t e r s ，s ot h a tt h em a c h i n ef a u l td i a g n o s i sa n dl i n k a g e s i g n a l c o u l dc o m m u n i c a t i o nd i s p l a yi nr e a lt i m e ，i te a s yt o o p e r a t e f o r w o r k e r , a n de n s u r e d t h e s t a b i l i t y o ft h ec o n t r o ls y s t e mf u r t h e r , i m p r o v e d a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y t h ec o n t r o ls t r u c t u r eo fl o a dd i s t r i b u t i o na n ds p e e d c h a i ni sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h eb i n a r yt r e ed a t as t r u c t u r ea l g o r i t h m s ，t h e t h e s i ss o l v e dt h em a c h i n et oa c c e l e r a t e ，s l o wd o w n ，c r a w l i n g ，r u n n i n g ，u n i f o r m l o a dd i s t r i b u t i o na n do t h e ri s s u e s ，m e e tt h en e e d so fn o r m a lp a p e rm a c h i n e p r o d u c t i o na n dm a i n t e n a n c e f i n a l l yt h i sp a p e ru s e dm o r em a t u r eo v e r a l ld e s i g ns t r u c t u r e a th o m ea n d a b r o a dt h a ti st h et h r e el e v e lc o n t r o ln e t w o r k i n v e r t e ra n dm o t o ra n dr e l a t e d c o n t r o id e v i c e sc o n s t i t u t et h ef i r s tc o n t r o ll e v e l ，d a t ac o m m u n i c a t i o nv i a p r o f i b u s d pw i t ht h ec o r eu n i to fe n t i r ec o n t r o ls y s t e mt h a ti st h es e c o n dc o n t r o l l e v e lp l c ，p l cn o to n l yv i ap r o f i b u s d pa n dt h es c e n eo ft h eo p e r a t i o np a n e lf o r d a t ac o m m u n i c a t i o ni no r d e rt oa c h i e v er e a l - t i m ec o n t r o l ，b u ta l s ob yh i g h s p e e d i n d u s t r i a le t h e m e tc o n n e c tt ot h et h i r dc o n t r o ll e v e lt h a ti st h eh o s tc o m p u t e r m a n a g e m e n to p e r a t i o n sc o n t r o lr o o m f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n e dt h ee l e c t r i c d r i v ec o n t r o ls y s t e mo fp a p e rm a c h i n eb a s e do nf i e l d b u s t h ed e s i g n e do ft h e c o n t r o ls y s t e mt os o l v et h ep r o b l e mo ft h eo v e r a l lc o m p l e xc o n t r o ls y s t e mo ft h e m a c h i n eb e i n gi sd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 t h ed e s i g n e ds y s t e mh a sb e e np u ti n t ot h ea c t u a lp r o d u c t i o nr u n n i n g ，p a p e r m a c h i n es p e e dh a sb e e nf u r t h e ri m p r o v e d ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so fm a c h i n e c o n t r o ls y s t e m sa n dh a sh i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , i m p r o v e dt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s so fe n t e r p r i s e ，p r o m o t e dt h el e v e lo fd e v e l o p m e n to f p a p e ri n d u s t r ya u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , s ot h ed e s i g na n dt h er e s u l t so fr e s e a r c h f o rt h i ss y s t e mh a v et h ev a l u et op r o m o t ei ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，i n v e r t e r , s p e e dc h a i n ，l o a dd i s t r i b u t i o n ，t e n s i o nc o n t r o l 基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 1 绪论 1 1 引言 纸在人类文化、科学、工业、农业、国防和商业等各方面的发展进程中起着举足轻 重的作用，自从人类发明了纸，悠久的文化知识才得到了更好的继承与保存以及迅速的 传播人，从而推动了整个人类的精神文明与物质文明的的不断进步。造纸工业在西方发 达国家已成为重要的国民经济支柱产业，在我国随着科学技术生产力的不断发展与进步， 国民经济的发展和人民的生活水平也得到了很大地提高，进而造纸业的发展也显得非常 重要。目前，我国造纸工业在产量、质量、品种方面都取得了较大的发展，有力地促进 了国民经济的发展和人民生活水平的提高，但人均占有量与世界发达国家相比，还是相 差甚远，生产和消费水平比较低。与国际先进造纸工业发展水平相比，存在如下主要问 题：纤维原料中木材的比重很小，现有木材没有得到充分的合理利用；原材料及能耗消 耗偏高；企业规模较小，对生产管理和对“三废”的治理带来很大的困难；技术装备扔 较落后，机械化、自动化水平不高，劳动生产率较低n ，。目前，纵观国内外造纸工业的 发展，其趋势向高速、高效、高质量、低消耗、连续化、自动化的工业方向发展，因此 要进一步实现我国造纸工业的现代化，使之具有世界先进水平，还需要作巨大的努力。 1 2 选题背景与研究意义 造纸工业的发展直接关系整个国民经济的发展，在现代社会对各类纸张的消费水平 在某种程度上标志着一个国家的文明程度。“十二五”时期是我国全面建设小康社会的 关键时期，是深化改革开放、加快转变经济发展方式的攻坚时期，工业化的深入发展是 加快转变经济发展方式的重要着力点之一嘲。目前，我国仍处于并将长期处于工业化和 城镇化迅速发展阶段，国民经济的收入也在逐步提高，人们的消费结构模式也在不断升 级，所以给我国造纸工业的发展创造了很大空间，也为改善旧技术及采用新技术、提高 生产效率创造了有利的条件，同时也促使了落后产能的淘汰，加快了我国造纸工业发展 方式的转变与产业结构的调整。 纸机的电气传动控制系统是整个造纸工业生产过程控制的重要基础，它综合机械制 造技术、计算机技术、现场总线技术、电力电子技术及智能控制技术等汇集一体的机电 控制系统，该控制系统的性能直接关系着纸机的高效、稳定的生产运行。目前我国造纸 工业的技术与国外相比仍相对落后，大多数纸机的车速在3 0 0 m m i n ，其部分纸机的控制 系统也多为开环式的控制结构，车速为3 0 0 m m i n - - 5 5 0 m m i n 的中速纸机在正常生产运 行时常出现速度波动、断纸等不良现象，造成资源的浪费与经济的损失，而车速在 陕两科技人学硕士学位论文 6 0 0 m m i n 以上的纸机则主要依赖进1 2 ，因此每年导致大量的资金流向国外。 近年来，随着机械制造业、电力电子技术及现场总线技术的发展与应用，国内外的 造纸工业对自动化程度的要求也不断提高，纸机的高速及稳定性、快速性是人们对纸机 的控制系统不断追求的目标，依据变频器调速具有高效节能、现场总线技术具有高传输 率、强抗干扰性与使用方便等优点，在此基础上对我国纸机电气传动控制技术的应用与 研究是提高我国造纸工业自动化技术水平的重要的途径，可以进一步满足人们日益增长 的物质文化需求，并使我国的造纸工业在世界的纸机市场上立于不败之地，具有重要的 经济和社会效益。 1 3 国内外发展现状及趋势 随着机械制造业、电力电子技术及现场总线技术的发展，人们对纸机控制系统的性 价比要求也日益提高，国内外相关公司为了占据更大的市场及赢取更大的利润，都在挣 先研究设计新产品并改善传统的产品，使其产品的控制性能更加成熟与完善且可靠性精 度更高。随着国家对造纸行业的不断重视，现在，越来越多的研究人员和机构，开始从 事造纸机械自动化技术的研究。近几年，虽然我国的造纸工业技术水平得到了很大提高， 但是国外的相关技术及产品( 如美国和德国) 仍然占据着我国造纸行业的大部分市场份 额”。 至今，结合国内外从事造纸控制系统的研发机构及各类技术单位大多采用3 级控制结 构的网络模式对纸机的整体控制系统进行设计，其结构如图1 - 1 所示，系统的差别只在于 选择不同的硬件装置和软件系统，。国内的电气传动公司大多都采用西门子、a b b 、欧姆 龙、贝加莱等知名公司的产品，近些年，国产和利时公司的产品也在造纸行业得到了迅 猛的发展，并抢占了一部分国内外的纸机市场。 随着科学技术的发展，纸机设备也得到了不断的改进，其生产工艺过程得到了不断完 善，在控制系统的设计方面应用了现代智能控制理论及最新的网络通信技术，进一步地提 高了整个造纸生产线的自动化控制技术水平。近几年国外的一般纸机的技术指标可以达 到幅宽为1 0 m 、车速为2 3 1 5 r n m i n ，最近上线投产的卫生纸机可达到2 6 5 0 m m i n 的车速， 浙江富阳造纸工业基地的大部分高强度瓦楞纸机的车速也达到了1 7 0 0 m m i n ，且这些纸 机的产能大多一般为1 5 0 0 t d 以上t s l 。在国内，从事该行业的研究人员及技术专家经过 长时期的探索逐步积累了相关的经验并对技术进行了改进，至今文化纸机的车速可以达 到8 5 0 m m i n 、纸张的幅度宽为4 6 0 0 m m 左右，白板纸机的正常生产车速也已经可以达到 6 5 0 m m i n 、生产幅宽为4 8 5 0 m m ，瓦楞纸机的车速为8 0 0 m m i n 、生产幅宽为6 6 0 0 m m ， 以上纸机的机械装备及工业技术除了个别关键设备及技术引进国外，其他的机械设备及 技术，我国几乎都可以完全自我解决。所以总的来说，我国整个造纸工业技术的发展得 2 基丁现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 到了很大的进步，但相对于国外的纸机，国产纸机在速度及对其控制的精度和自动化程 度都还存在一定的差距，所以要提高整个民族造纸工业的技术发展水平，不但要顺应国 际化市场的形式及发展，还要继续加大对纸机控制系统性能的研究与应用。 图1 - 1 纸机传动控制系统方框图 f i g l 1b l o c kd i a g r a mo fp a p e rm a c h i n ed r i v ec o n t r o ls y s t e m 随着现代工业网络数据通信技术的发展及造纸装备技术水平的不断提高，纸机电气 传动系统也进入了以网络通信技术为核心的发展时期，各类纸张的生产车速越来越高且 其幅宽也越来越宽，对纸机生产的操作也逐渐智能化，该趋势将成为今后纸机发展的主 要方向。目前，仅有一些特种纸( 比如纤维) 受其生产工艺与当今技术水平的影响外， 其他纸机的生产均已在高速化、宽幅化等技术方面取得了较大的进步且带来了一定的效 益，与此同时，人们对纸机的生产工艺及其机械制造、自动化生产技术等方面的要求也越 来越高，尤其是操作人员对在纸机生产时所要求的能够采取便捷操作等技术方面的实时 监控的要求6 1 7 1 l 。 1 4 本文研究主要内容 在纸机的传动控制系统中，电动机的速度控制是设计的难点也是重点，因为它直接 受纸机的张力、速度、负荷等不稳定的变量和参数影响以及被影响着，它直接关系到整 个纸机控制系统生产运行的可靠性及控制精度，因此，设计纸机电气传动控制系统的关 键点在于：速度链的控制，在纸机的电气传动控制系统中，其负荷分配和张力等主要方 面的控制都将递归到去控制整个系统的速度链；纸机各分部工作次序的复杂控制，其控 制直接影响着纸机的正常生产，比如纸机各分部间及整体的单动、联动的动作等。对于 纸机电气传动控制系统的设计其主要的难点可归结为：高稳定性和可靠性是整个纸机控 制系统的重要控制技术指标也是其控制的难点；如何有效的去实现纸机整个传动系统所 3 陕西科技人学硕士学位论文 需的大量数据的高速通信及其控制；在纸机高速运行生产时，针对负荷分配和张力所控 制对象的非线性和耦合性如何去有效地实施控制；如何消除变频器和整个控制网络的的 通信易受外界环境的干扰而引起的整个控制系统的不稳定k g ik i o | | i i | ”。 因此，为了顺应纸机工业发展的趋势及满足社会对纸张的需求，基于现场总线通信 技术与纸机变频传动技术的迅速发展及p l c 和变频器的通讯网络结构日益成熟地应用到 电气控制系统中，并首先详细介绍了纸机传功过程的生产工艺、现场总线通信技术的特 点及应用和设计、p l c 与变频器相关控制系统的设计方法及选型等，最终结合某纸厂纸 机的工艺结构及要求设计基于p r o f i b u s d p 总线的纸机传动控制系统，利用p l c 的模块化设 计的方法的思想，以上位机、p l c 和变频器构成三级网络控制系统实现纸机整个传动组与 各分部传动的复杂控制以及各控制部分间数据的高速传输，在此基础上结合二叉树算法 进一步的达到对整个纸机的速度控制、负荷分配控制以及其他相关辅助连锁控制等控制 的要求。在设计中详细分析负荷分配控制的机理及其在纸机控制中的重要作用，并根据 变频器的种类选择基于转矩控制的负荷分配控制和基于速度控制的负荷分配控制，以及 采用光纤主从宏的连接实现对负荷分配的控制，确保纸机高速稳定可靠的运行。由于现 场总线通讯功能和p l c 的引入使得纸机的电气传动系统更加智能化及人性化，从而使得传 动系统真正成为生产过程控制系统中的一个控制和信息传递的部分。 在本设计中首先通过消化吸收从相关经验的工程师那里得到的知识，并结合在实际 生产中已经成功应用的纸机电气传动系统的成熟技术，最后通过实际参与纸机传动系统 的设计和现场接线与调试，以及从国内外相关学者及专家教授所著的相关研究应用型论 文中学习理论及学习积累工程技术人员的经验等来做好此课题的研究及设计。 1 5 本章小结 本章首先介绍了造纸工业在国民经济发展中的地位和作用，结合该课题的社会大背 景阐述了对该课题进行研究的意义，接着回顾并总结了近些年造纸工业的国内外发展现 状及未来的发展趋势，最后介绍了本文所要研究的主要问题及需要做的工作。 4 基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 2 纸机工艺概述及对控制系统的要求 2 1 纸机生产工艺的介绍 纸机是一个系统复杂的联动机械机组，其主要设备可分为干部和湿部两大部分，有 时根据某些纸种生产工艺的要求还需要配置施胶压榨、半干压光、机内涂布以及其他辅 助系统单元”。湿部主要由上将流送系统、网部、压榨部等部分构成；干部主要由烘干 部和涂布部以及卷纸部等部分组成。成浆池中的浆料通过上浆流送系统输送到纸机的流 浆箱，再经过纸机的网部、压榨部、干燥部及压光部后，纸浆被制成原纸，又经过机外 涂布部和复卷机的加工，原纸被加工成成品纸。一般较通用的造纸典型工艺流程如图2 1 所示，有时也可以简化为在参考文献上比较多见的图2 2 所示的流程图，现就其流程的 主要工序做下介绍。 ( 1 ) 浆料准备 浆料准备是制浆厂与纸机之间的分界，对于浆纸联合工厂，浆料准备始于浓浆稀释， 终于混浆。对于单独造纸工厂，浆料准备从碎浆开始，直至浆料流送系统，浆料准备的 目的是制备能够达到抄造条件的纸浆和助剂，因此需要预先处理各配料组分，然后将所 有组分连续均一地混合，一般情况下其具体工艺有为碎浆、磨浆、浆料净化、混浆。 碎浆通常使用水力碎浆机将成品浆( 如桨板) 分散在水中形成泥浆或悬浮液。此 工序分为连续和间歇两种，最终达到浆送要求。 浆料的净化浆料净化主要是去除浆料的重质杂质和轻质杂质。目前使用的设备主 要是除砂器和压力筛。 磨浆磨浆或打浆的作用是为了通过回转刀片的机械作用改变纸浆的纤维状态，使 其达到抄纸配料所需最佳状态，使用的设备通常是磨盘。 混浆混浆的作用是为了得到连续均一稳定的材料，保持后续流送系统的稳定。 ( 2 ) 纸机湿部 上浆系统指冲浆泵循环回路，在此系统内进行计量、稀释，混入助剂，并在网前 对浆料进行筛选、净化、脱气，进入流浆箱，其范围指从纸机储浆槽至流浆箱，该系统 中冲浆泵是动力源，它混合浆料和白水，使浆料经过筛浆机去除大杂志、大块纤维，再 用除砂器去除细小物质后，进行脱气，经压力筛后进入流浆箱。 流浆箱其作用是接受冲浆泵送来的浆料，将管道浆流转换成与纸机匀称的宽度， 并在纸机纵向形成均一流速的矩形浆流，其基本原理都是利用纸浆的重力或施加的压力， 通过堰般控制流量，将流浆均一匀速地流送到网部。 网部该部是纸页成形部位，其原理是通过逐步增大的真空脱水作用，使流浆在网 陕两科技大学硕士学位论文 部成形。根据纸张不同，成形网可分为单网、双网、三网，其中单网是常用的成形部， 根据其形状可分为长网和圆网，不同类型的纸机其网部具有不同的传动控制，其中单网 网部的传动控制依据其传动点只要有组负荷分配即可，多网网部需要具备单网所有的 负荷分配的控制，同时对各网之间的速差的比值也有一定的要求，所以多网对控制策略 的要求更高。 桨板 成品 图2 1 造纸工艺的流程图1 f i 9 2 - 1f l o wc h a r t1o fp a p e rm a c h i n e 同舒压榨箭千爆后压榨后千壤 压光执善纸机 图2 2 纸机工艺的滴程图2 6 基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 f i 9 2 - 2f l o wc h a r t2o fp a p e rm a c h i n e 压榨部纸机的压榨部的主要是对纸张进行固结成形以及脱水，提高纸张的疏密强 度与表面的光滑度，可看作是从网部开始脱水过程的延伸，其主要流程是纸幅从成形部 传递，并在毛毯上受压脱水，使纸幅固结。 ( 3 ) 纸机干部 干燥部该部通过热蒸发脱去残余的水分，湿纸幅经过一系列旋转的蒸汽烘缸，水分 被蒸发掉并通过排风被带走，是提高高速纸机性能的重要环节。 涂布部纸机的涂布部是干部的重要组成部分也称作施胶部，其主要作用是在原纸 的表面涂上一定量配比的涂料，以提高纸张的外观或使用特性。基于人们对纸机运行车 速日益提高的要求，涂布机也得到了较快的发展，对电气传动控制系统的要求也逐步增 高，所以简单的速度链结构的控制和对负荷分配的控制均已无法很好地满足涂布生产运 行过程的需要，据此本文可采用基于现场总线的系统结构来解决这个问题 。 压光部该部主要是用辊子进行碾压，目的是为了获得光滑的印刷表面。本文所述 的纸机是带有1 个传动点的四辊压光机，通过这仅有的传动点与纸机整个传动部分上速 度链相连接来实现其运行；在正常工作运行时该部退纸辊的电动机处于发电状态，其它 两点则相应的置于电动状态，因此采用基于现场总线的p l c 控制对其张力进行控制的方 法解决纸张耦合作用的问题j i l l 。 卷纸部该部将成品的纸张卷成规定的纸卷，近几年所投产的具备辊库设备的卷纸 机不但具有自动换辊的功能，而且还具有对纸机的张力控制及其所产纸张的长度显示的 功能，尤其还可以通过其辅助的控制部分多方式的控制去实现纸机的单动、联动等控制， 在卷纸机生产运行时其转速的计算公式如下 1 1 1 ： 6 0 xv6 0 x v ，、 劢匕2 7 r 毕h 吒2 v 厅 。 式中： 一卷纸机的转速( r m i n ) ； ，一纸张幅度的运行速度( m r a i n ) ； 艿一纸张的厚度( m ) ； 、，一卷纸辊的始、末半径( m ) 。 由此可知，在卷纸机正常生产运行时要保持其与前后分部所设计的速度比值的关系， 则要求卷纸机滚筒的速度实时的随着所卷曲纸张的厚度的增大而不断降低，仅仅依靠对 整体速度链的控制不能保证纸幅卷曲的相对平稳，所以需要在卷纸机及其纸机的其他分 部去实施相应的张力控制以确保纸页的良好卷曲。据此，纸机的整个传动控制系统要采 用基于现场总线的控制网络结构，就可以进一步的达到纸机整体电气传动控制系统的要 7 陕西科技人学硕士学位论文 求，更好地确保了纸机生产运行时的稳定性与动态性能 4 3 j 。 2 2 纸机生产能力的计算 纸机的生产能力是人们判断及选购纸机的最关键参考因素，也是工程技术人员对其 设计相关控制系统所需要参考虑的最重要的技术数据，其生产能力的计算公式如下： 0 ：o 0 6 v b q l q k 2 k 3 ( 2 2 ) 一 1 0 0 0 式中：9 一造纸机运行生产的能力( 们) ： 卜造纸机的车速( m m i n ) ； 伊一纸的抄宽( m ) ； r 纸的定量( g m 2 ) ； 七厂一抄造率，即纸机正常产纸运行时的比率，一般为0 9 5 0 9 8 ； 如一成品率，即所生产合格品的比率，对一般纸张要求达到9 3 9 8 ，对薄叶纸 张要求达到8 8 。9 0 ； 七广纸机平均日作业时间，即扣除换网、换毛毯及小修等，平均每昼夜运转的小 时数，一般取值为2 2 h 2 3 5 h 。 通常讲的一台纸机生产规模是指该纸机的年生产能力，计算时以日生产能力乘以 3 3 0 - - 3 4 5 即得，这是指每年扣除1 5 3 0 d 的大中修时间。 2 3 纸机功率的计算 纸机的功率消耗主要是指在实际生产运行中所有传动装置的输入功率在单位时间内 用于克服轴承间辊筒之间的滚动摩擦以及刮刀对辊面和烘缸表面的摩擦等所耗的功率。 单位指标法是一种估算纸机功率消耗的方法，它能够对纸机在实际生产运行中消耗的功 率进行较准确的测定，然后再以l m 的纸机幅度宽和车速为l m m i n 时来计算所需用的功 率，计算公式如下川： p = k b v ( 2 - 3 ) 式中：骼一单位功率耗用指标，k w 【m ( m m i n ) ； 卜纸机的幅门宽度( m ) ： r 纸机的车速( m m i n ) ； 纸机各分部的平均单位功率耗用指标k 可参考表2 1 。 8 基丁现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 表2 1 在纸机上耗用功率的平均单位指标 t a b 2 一la v e r a g eu n i ti n d i c a t o r so f c o n s u m p t i o np o w e r 0 1 1p a p e rm a c h i n e 一般而言，干燥部的功率消耗占造纸机全部功率的2 5 4 0 ，而伏辊和压光机则各 占1 2 1 7 。当纸机空运转时，其功率大致为生产纸张时的7 0 7 5 ，出纸时，伏辊和 压光机的负荷有显著的增加。 2 4 纸机的技术参数 本章首先介绍接制动器试验台制动原理，分析了实车制动的受力状态，以及试验台 的组成，并对其采用技术进行了简单的介绍，着重介绍了电流驱动技术，为后面章节建 立电动机驱动力电流可观测的数学模型的试验、仿真以及控制方法改进奠定了基础。 纸机因其所生产的纸类不同而其机械结构形式、工作车速、纸幅宽度等技术参数也就不 同，所以各自所对应的控制系统的具体要求也就不一样，本文结合2 0 1 0 至2 0 1 1 年度陕 西西微测控工程有限公司( 原陕西科技大学微机测控研究所) 与陕西西安某纸厂所合作 的4 4 0 0 6 0 0 纸机电气传动控制系统的设计项目，其现场实物如图2 3 所示，并以该项目 的纸机为例可得出如下主要基本参数： 生产品种：高强瓦楞纸； 纸张定量：1 0 0 1 5 0 9 m ； 净纸宽度：4 4 0 0m m ； 工作车速：4 5 0 6 0 0m m i n ； 传动车速：6 0 0r n m i n ； 传动形式：变频传动。 9 陕两科技大学硕士学位论文 图2 - 34 4 0 0 6 0 0 纸机现场实物图 f i 9 2 34 4 0 0 6 0 0m a c h i n e - s i t ep h y s i c a lc h a r t 纸机的种类不同，其所需要配置的传动参数也就不同，这里结合纸机的具体工艺流 程及实际生产情况，上文所述项目中的4 4 0 0 6 0 0 纸机所需要控制的主要传动点其基本配 置参数如表2 2 所示】： 表2 - 24 4 0 0 6 0 0 纸机的基本主传动配置参数 t a b 2 - 2m a i nd r i v ep a r a m e t e rt a b l eo f4 4 0 0 6 0 0p a p e rm a c h i n e 1 0 基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计 2 5 纸机对控制系统的要求 在如今倡导追求绿色节能可持续发展的社会大背景下，人们对纸机性价比的要求及 其智能化生产的要求也越来越高，现如今所设计的纸机的电气传动控制系统与以往相比 有较大区别，大多数都在研究设计并采用具有全数字信号通讯控制的现场总线的控制系 统，整个纸机生产线的控制通过上位机或现场的操作面板就可以集中或部分的去控制各 个生产流程，逐步实现了无人现场操作化的现代工厂，推动了造纸工业自动化技术水平 的发展迈向了新的阶段。 现根据纸机的工艺流程及其项目所对应的工作车速和幅宽，并结合纸厂的具体情况， 纸机的传动系统是一个较为复杂的控制系统，其传动点多，几个传动点带动一个负荷运 动等，在保证纸机正常运行的情况下如何提高纸机的动、静稳态精度、高速化与智能化 的水准，得出如下纸机对控制系统的主要具体要求为： ( 1 ) 纸机传动控制系统最重要的一个技术指标就是维持车速的稳定，纸机工艺的改 变、机械传动条件的变化、电源电压的波动及网和毛毡的清洁度等都会带来车速的不稳 定，最终造成纸张定量的波动及断头，给企业带了不必要的损失，所以对其速度控制的 静态精度额定转速的0 0 2 、动态精度0 3 ，两个相邻分部之间的速比控制精度 0 0 5 ，在有干扰时的短时间内其速度偏差0 0 5 ，在加速和制动的过程中其定速期间 的短时间内的张力的控制精度2 ，从定速转换到加速或制动状态时的张力的控制精度 5 ，只有满足以上要求，才能在动、静态的调整中使纸机得到快速的响应，确保纸机 正常高效的生产们。通常，把按照正常生产运行条件下调整好的各分部车速对纸机干部 的卷纸机或烘干部的车速的比值即是所谓的速比1 4 3 1 。假设烘干部的车速为1 0 0 ，且烘 干部各组的车速相同，列出了表2 3 中几种纸机各分部速比的数据t 4 1 1 。 表2 3 纸机各分部的速比 table2 - 3e a c hs e g m e n to f t h em a c h i n es p e e dr a t i o 分部名称纸机的速比( 单位：) 一般工业用纸( 如羊皮纸)书写纸和印刷纸等 伏辊8 9 9l9 4 9 5 5 第一压榨部9 4 9 59 6 9 7 陕西科技大学硕士学位论文 第二压榨部 第三压榨部 烘干部 压光部 卷纸机 ( 2 ) 为了适应纸机生产不同品种、不同定量的纸张，要求纸机有较宽的调速范围， 一般情况下设定调速的范围为：专用造纸机( 如新闻纸) 的调速范围是l ：( 2 2 5 ) 、生 产印刷纸和书写纸的纸机的调速范围是1 ：5 、生产工业用纸及高级纸的纸机的调速范围 是1 ：( 8 1 0 ) ，则就可以较好的满足纸机生产不同品种、不同定量的纸张的要求。 ( 3 ) 纸机传动的各个分部之间要能够形成一个良好的动态性能的速度链结构，各分 部应具备停止、爬行、运行、微升、微降、点动、正向点动( 烘缸) 、反向点动( 烘缸) 、 点张、投张失张、张力给定等功能，且相关联的各传动分部之间应具有单动、联动的功 能。在纸机正常生产一段时间后，需要对其进行整机检查及清洗毛毡的情况，所以需要 对其各分部的爬行速度设置为可调的范围为1 5 - 2 5 m m i n 咖。 ( 4 ) 现代纸机的运行负载基本上是一个恒转矩负载，要求其负荷均衡，所以须要选 用具有恒定转矩特性的变频器且具备较高的频率分辨率和良好的通讯性能。 ( 5 ) 据日本工业界权威人士认为，产品的可靠性是未来世界市场竞争的焦点，如果 可靠性能够提高l ，那么即使成本提高1 0 也是划算的。假设一台4 4 0 0 6 0 0 高强瓦楞 纸机日生产能力为2 2 0 t d ，如停机一小时则就会造成损失3 5 万元人民币，所以为了不 断提高纸机的安全可靠性，避免其因各种故障停机而造成的损失，现代纸机需要具备对 速度、电流、负荷、速差、状态、微调、负荷分配关系、故障提示等现场的各种信号的 监视功能。 2 6 本章小结 本章首先从纸机的干、湿两大部分重点介绍并分析了其生产的工艺流程，给出了纸 机的生产能力、功率的计算公式与方法，并结合实际中的具体项目得出了纸机的基本技 术参数及其主传动部分参数，最后综合纸机的工艺、技术条件、发展的趋势方向等总结 出纸机对电气传动控制系统的要求，为后文的研究设计及应用指明了方向。 1 2 鳃 鳄 ， u ；!