（电力电子与电力传动专业论文）复卷机tnt控制策略分析与应用研究.pdf

r e w i n d e rt n tc o n t r o ls t r a t e g ya n a l y s i s a n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y 坚坠x i 垒q 卫i 望g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r 丛竺塾gl 垒塾j i 塾g m a y , 2 0 1 0 t 控制策略分析与应用研究 摘要 成品纸卷的质量要求出发，分析满足复卷机 械，操作，电控等应符合的条件，并给出了 计思想。 以两个实际项目为基础，一个直流系统，一 调试时遇到纸卷切割断面的年轮现象，起卷 大量窜纸、自动停车无法实施等问题。交流 的反馈不准确，操作不当，机械上需要调整 针对这些问题，本文详细从复卷机工艺以及前后底辊的转矩差 ( t o r q u e ) 、压纸辊的压力( n i pl o a d ) 、纸幅的张力( t e n s i o n ) 以及加减 速过程中的s 斜坡函数等几个方面对复卷机的电控系统做了分析。 中间三个因素简称为t n t 。论文建立了符合复卷机本身运动特点的 各个部分的数学模型，并进行m a t l a b 仿真，提出合理的控制策略， 从理论上证明分析的有效性和可实施性。并将理论应用到实际的项 目中。 t n t 控制关键就是在控制策略合理的基础上，通过控制直径的 变化实时控制t n t 的变化，从而卷出符合质量标准的成品。s 斜坡 函数的引入，为t n t 控制提供了合适的切入点。通过对s 斜坡函数 的建模，得到直径与时间的实时关系曲线。在底辊转矩差控制时， 控制策略上使用新的负荷分配方式并加入前馈控制，推导成品纸卷 直径与转矩差的关系式；在压区压力控制时，加入压力闭环来改善 液压系统调节的不稳定和滞后现象，根据卷取部模型得到液压系统 压力与成品纸卷直径的关系；在张力控制中，为保持张力恒定，惯 量补偿时除考虑加减速带来的惯量变化以外还要考虑退纸辊直径变 化带来的惯量变化，推导退纸辊直径、张力、退纸辊转矩之间的关 系。 最后，分析了复卷机投入运行前的硬件设施实施过程、系统p l c 程序设计思想以及后期调试时的注意事项。 两个项目的调试结果比较成功。直流系统在配置上以及幅宽、 车速上都是比较先进的，交流系统是以后的发展趋势，对两者的研 究都很有价值，研究结果对今后的复卷机交、直流系统控制有一定 的参考意义。 关键词：t n t ，底辊的转矩差，压纸辊的压力，纸幅的张力，s 斜坡 函数 i i r e w i n d e rt n tc o n t r o ls t r a t eg y a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o nr es e a r c h a b s t r a c t t h i sp a p e ri sc o n s i d e r e df r o mf i n i s h e dr o l lq u a l i t yr e q u i r e m e n t so f r e w i n d e rr o l l i n g ，a n da n a l y z e st h em e c h a n i c a l ，o p e r a t i n ga n dele c t i r i c a l c o n t r o lc o n d i t i o n sw h i c hs h o u l db ec o i n c i d e n tw i t hr e w i n d e rp r o d u c t i v e p r o c e s s a n dt h e ng i v e as e to fd e s i g n i n gi d e ao fr e w i n d e rc o n t r o l s y s t e m p r o c e s so ft h ep a p e ra n a l y z i n gi sb a s e do nt w oa c t u a lp r o je c t s ，o n e i sd cc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h eo t h e ri sa cc o n t r o ls y s t e m d u r i n g c o m m i s s i o n i n g ，d cp r o je c te x i s t e dt h e s ep r o b l e m ss u c ha sr i n g so f p a p e rc u t t i n gs e c t i o n ，s t a r t i n gb r e a k ，p a p e rl a t e r a lm o v e m e n tw h e n a c c e l e r a t i n ga n dd e c e l e r a t i n ga n di m p r a c t i c a b i l i t yo fa u t o m a t i cs t o p ； a c p r o j e c tm e tt h e s ep r o b l e m sw h i c hi n c l u d e dt h a te n c o d e rf e e d b a c ki s n o ta c c u r a c y ，d i s o p e r a t i o na n dn e e dm e c h a n i s m a d j u s t i n g r e f e r r i n gt ot h ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l ya n a l y z e sr e w i n d e r e1e c t i r i c a lc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h e s ea s p e c t s m r e w i n d e rt e c h n i c s ， d r u mt o r q u e ，r i d e rr o l l i n gp r e s s u r e ，p a p e rt e n s i o na n dsr a m pf u n c t i o n t h r e em i d d l ef a c t o r sa r ec a l l e dt n t e s t a b l i s h e sm o d e l so fe a c hp a r t s w h i c ha r ec o r r e s p o n d i n gw i t ho w nw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fr e w i n d e r s i m u l a t e st h em o d e l sa n d p r o p o s e s r e a s o n a b l ec o n t r o l s t r a t e g i e s ， v e r i f i e sa v a i l a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fa n a l y s i sa n da p p l i e dt h e o r yt o p r a c t i c e o nt h eb a s eo fh a v i n gg o o dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，k e yf a c t o ro ft n t c o n t r o l l i n gi st h r o u g hc o n t r o l l i n gdt oc o n t r o lt n t ，a n dt h e nm a k e p a p e rq u a l i t yi su pt op r o d u c t i v ep a p e rs t a n d a r d i n t r o d u c t i o no fsr a m p f u n c t i o ni s p r o v i d e d a p r o p e rp o i n t c u t t ot n tc o n t r 0 1 t h r o u g h e s t a b l i s h e sa nsm o d e lt o g e tr e l a t i o n s h i po fda n dt n t w h e n i i i c o n t r o l l i n gt o r q u e ，a d o p t sn e wl o a dd i s t r i b u t i o nw a ya n df e e d f o r w a r d c o n t r o li s t r a t e g i e s ，a n dt h e ni n f e r sd ( do fr o l lp a r t ) a n dt o r q u ef u n c t i o n ； i nn i pl o a dc o n t r o l ，a d o p t sp r e s s u r ec l o s e dl o o pt oi m p r o v eu n s t a b l ea n d h y s t e r e s i so fp r e s s u r em o d u l a t i n ga n da c c o r d i n gm o d e lo fr o l l i n gp a r tt o g e tda n dp r e s s u r ef u n c t i o n ；d u r i n gt e n s i o nc o n t r o l l i n g ，c o n s i d e r i n g i n e r t i ac h a n g i n gb r i n gb ya c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，w ea l s om u s t c o n s i d e ri n e r t i ac h a n g i n gb r i n gb yd ( do f r o l l i n g - o f fp a r t ) i m p l yd a n d t e n s i o n ，t o r q u ef u n c t i o n a tl a s tb u tn o tl e a s tp a r t s ，i nt h i st e x ta n a l y z e sw h a ts h o u l db e t a k e nc a r eb e f o r es y s t e mr u n n i n g ，d e s i g n sp l cp r o g r a ma n di n c l u d e s i n s i t ec o m m i s s i o n i n ga n n o u n c e m e n t s t w op r o je c t sa r eb o t hs u c c e s s f u l c o m m i s s i o n i n ge x a m p l e s d c c o n t r o ls y s t e mi sa d v a n c e da tt h em o m e n tw h a t e v e rc o n f i g u r a t i o no r o p e r a t i n gs p e e d t h ec o n c l u s i o n so f d cc o n t r o ls y s t e mo f f e rt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lb a s e sf o rl a t e ra p p l i c a t i o n a cc o n t r o ls y s t e mi st r e n do f t h ed e v e l o p m e n t ，t h e ya r eb o t hv a l u a b l et or e s e a r c h a n dt h er e s e a r c h r e s u l t sh a v er e f e r e n t i a lm e a n i n gt oc o n t r o la ca n dd c s y s t e m k e yw o r d s ：t o r q u en i pl o a dt e n s i o n ，d r u mt o r q u e ，r i d e rr o l l p r e s s u r e ，p a p e rt e n s i o n ，sr a m pf u n c t i o n i v ：i i i i 1 1 ：! ：； ! ； 7 ； 8 8 ； 2 1 3 影响成品纸卷质量的因素9 2 2 复卷机的机构与工作原理9 2 3 机械工艺分析与设计1 0 2 4 操作工艺分析与注意事项1 2 2 5 爿、结1 4 3 复卷机电气工艺分析15 3 1 电机的四象限运行：15 3 2 双闭环调速系统1 7 3 3 加减速过程中的s 型斜坡曲线2 5 3 4 卷取部控制3 0 3 4 1 底辊的控制3 0 3 4 2 成品纸卷直径计算3 2 3 4 3 前馈控制3 5 3 4 4 底辊的转矩差控制4 l 3 4 5 压纸辊压力曲线4 2 3 5 退纸部控制4 4 3 5 1 退纸过程中的现象及采取的措施4 5 3 5 2 纸幅的张力控制4 9 3 6 小结5 0 4 系统设计51 4 1 系统投入运行的前期非程序设计部分5 1 4 1 1 复卷机硬件配置5 1 4 1 2 电机选型5 2 4 1 3 编码器的使用5 5 4 2 程序设计思想5 7 4 2 1p l ci 作情况5 8 4 2 2 在西门子编程软件重点硬件配置一5 9 4 2 3 前后底辊的控制策略一6 l 4 2 4 成品纸卷直径的测量一6 2 4 2 5 退纸辊转矩及张力控制策略6 4 4 2 6s 型斜坡函数一6 5 4 2 7 压力曲线j 6 6 4 2 8 自动停车6 6 4 3 通讯以及操作屏6 7 4 4 系统调试6 9 4 5 小结7 2 5 总结7 3 5 1 本文总结7 3 5 2 展望7 3 致谢7 4 参考文献7 5 攻读学位期间发表的学术论文目录7 7 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 8 i i 复卷机n 盯控制理论分析与应用研究 1 绪论 1 1 复卷机机械以及电控技术上的发展现状 复卷机的用途是将造纸机生产出来的原纸卷进行依次复卷，纸张经过复卷 后做成成品纸出厂。复卷机是纸张生产的最后一道工序，复卷所出现的质量问 题就没有办法纠正和补救了，因此必须把握好复卷这一关i l l 。由造纸机下来的 原纸卷卷的比较松软，内部存在破损或断头，两侧边缘不整齐，纸幅宽度等多 不能直接用于纸加工或印刷等机器，大部分纸种( 如瓦楞纸、新闻纸、包装纸 等) 必须经过复卷机切边、分切、接头、在纸卷芯上重卷形成一定克重、一定 紧度要求的成品纸卷才能出厂f 2 】。针对这些复卷机的主要功能就是将原纸卷重 新卷取，切掉毛边，经过纵切部分切成符合用户需要的一定幅宽和一定直径的 成品纸卷。 由于纸机的连续性和复卷机的间歇性特点，复卷机的车速一般是纸机设计 车速的3 4 倍以上，因此复卷机在机械制造以及电控技术上都有高标准的要求。 从2 0 世纪9 0 年代开始，造纸新技术不断涌现要求配套的新型设备也跟着而来， 目前的造纸机已经达到单台4 0 万吨年，纸机设计车速已经高达2 8 0 0 m m i n 这就要求复卷机必须具备高速，宽幅、自动化程度高等性能。综上所述，复卷 机设计车速的高低、运行工况的好坏直接影响着纸机是否能够正常工作。 国外对高速复卷机的研究已经取得了许多成果，大幅度提高了复卷机控制 水平，自动化程度，把复卷机中的许多人工操作都改成了自动化。设计车速已 经达到了3 5 0 0 m m i n ，工作车速达到了3 l0 0 m m i n 以上。复卷的幅宽也与纸机 同步发展达到10 m 之多。 当今世界，在复卷机机械制造技术方面，居于领先地位的只有三家公司， v o i t h s u i z e r 、v a l m e t 和m e t s o ，它们的产品可以看出目前复卷机发展的主要技 术动向和特点。例如m e t s o ( 美卓) 公司给芬兰u p m k y m m e n e 纸厂8 号机( 涂 布文化纸9 0 1 1 5 9 m 2 ) 提供的w i n r o l l 多站连续复卷机，幅宽8 6 9 0 m m ，工作 车速310 0 m m i n ；可以达到3 4 0 h 不停机，换卷、引纸都是自动完成以及法国 的a d l o l ft a s s 纸业有限公司引进v a l m e t 公司生产的连续复卷、全自动 w i n d r u m m 型的复卷机( 抄纸速度3 0 0 0 m m i n ，幅宽6 0 0 0 m m ) ，已投入生产【l 】【引。 国内复卷机相比较国外复卷机的发展情况而言则要落后一些： ( 1 ) 目前国产复卷机无论在机械设计与制造方面，还是在控制系统方面， 与国外先进的复卷机都有很大差距，国产复卷机的工作车速一般不高，大都集 陕西科技大学硕士学位论文 中在1 5 0 0 m m i n 以下，车速超过2 0 0 0 m m i n 的不多。 ( 2 ) 其次国产复卷机的品种比较单一，而作为代表目前复卷机发展方向的 下引纸复卷机，也只是以双底辊复卷机为主，表明我国复卷机生产制造厂家对 复卷机的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究不够，因此也就限制了复卷机 工作车速和复卷质量的提高。 、 ( 3 ) 控制方式上国内复卷机的电控系统主要采用直流调速装置控制的电 机，但直流电机换向器和电刷容易出现故障，使得直流电机的维护一直是一个 比较繁琐的问题。而且由于换向器的原因直流复卷机的设计车速也受到了限 制，满足不了高速造纸机的要求。但由于国内复卷机车速不高，还主要是以直 流为主，当复卷机车速大幅度提高时，直流系统的成本就大大提高了。交流技 术在国内的发展：随着交流调速技术的进步，交流电机的控制效果大大提高， 逐渐可以赶上直流电机的控制水平，逐渐在取代直流电机，但是交流系统的电 气供应商比较少，能够满足复卷机电机要求的目前用的最多是a b b 的a c s 系 列、德国s i e m e n s 的6 s e 7 0 系列以及罗克韦尔公司a b13 3 6 f o r c e 系列，国 内厂家由于对交流传动系统的了解和研究比较少，并且缺乏应用经验，使得交 流在国内的发展也受到一定的限制。 ( 4 ) 国产复卷机的另一个弱势是自动化程度不高、运行稳定性不好。由此 带来的问题是，复卷机的实际生产效率大打折扣，使得造纸机的车速必然受到 限制，有时复卷机复卷不稳定时，堆积大量的原纸卷，造成造纸机的，停机从而 对生产效率的提高和生产成本的控制产生不利影响。综观我国造纸设备制造业 的发展现状，如果造纸机的工作车速可以达到5 0 0 m m i n ，甚至更高。那么对 复卷机的要求就是其工作车速必须达到抄纸机的3 - 4 倍以上，即 1 5 0 0 2 0 0 0 m m i n 以上，如前所述，这恰恰是国产复卷机难以做到的。 综上，复卷机向着交流、大纸幅、高速、全运行自动化、高利用率，高生 产效率，复卷出符合用户需求的较高质量标准的成品纸卷的方向发展。复卷机 在高速运转时，存在大的机械惯性、要求系统有快速反应能力，高的静动态性 能。论文中分析的直流系统在配置上以及纸幅车速上都是比较先进的，对其的 研究有利于以后的应用。交流系统是以后的发展趋势，也有研究的价值。 1 2 课题研究的背景和意义 在实际的项目调试中，遇到了一些问题，同时也采取了一定的解决方案。 本论文的研究基于以下两个项目，后续的研究结果和应用设计调试也是针对这 两个项目的。 2 复卷机1 n t 控制理论分析与应用研究 1 2 1 直流系统 山东某纸厂瓦楞纸复卷机，原纸卷幅宽达4 4 0 0 m m ，设计车速高达 1 8 0 0 m m i n ，原纸卷直径为3 2 0 0 m m ，用的装置是d c s s 0 0 ，在目前都是比较先进 的指标。 调试中遇到的问题：因为机械加工时对辊子没有做特殊处理，使得在电控 适当的情况下，前底辊仍容易产生打滑现象，造成纸幅窜边，严重时无法卷取； 退纸辊电机很容易达到满流；加速阶段快达到稳速时，压纸辊跳动严重。 大惯量，高车速，在成品纸卷起卷的初期，以及成品纸卷卷到指定直径的 末期，对退纸辊的转矩的控制相当重要，要求纸幅张力恒定，初期补偿不当容 易断纸，末期由于车速较高补偿不当容易引起大范围的窜边，这样以来定直径、 定长度停车难以实现；使得自动化程度减小，造成纸张的浪费，要进一步回笼 再加工造成资源的浪费。 在纸幅张力、压纸辊压力、退纸辊转矩正常的情况下，三者的配合十分重 要，配合不好也容易造成纸幅不能正常卷取。 1 ) 系统主要组成 。 该项目属于改造项目，故系统控制采用了d c s 8 0 0 和d c s 5 0 0 混合使用。 d c s s 0 0 的在复卷机上的成功使用为以后直流系统改造、新系统设计都有一定 帮助。 为了便于分析，该直流系统的组成配置如表1 1 所示： ( 1 ) 前底辊、后底辊、退纸辊分别由单独的直流电动机拖动，并配有相应警 的减速箱。主传动控制装置为a b b 公司d c s 5 0 0 和d c s 8 0 0 系列直流调速装 置。纵切部分圆刀采用a b ba c s 6 0 0 变频器。根据工艺要求在给定圆刀速度时 比底辊速度高出5 一l5 。 ( 2 ) 控制器采用s i e m e n ss 7 3 15 - 2 d p ，因为现场逻辑关系比较复杂，故另 配有数字输入输出模块。 ( 3 ) 采用简单的电位器进行成品纸卷直径的检测。通过控制液压比例板的 给定，来控制液压阀的开度。标定比例板放大倍数与直径的关系，得到控制液 压系统压力的目的。 ( 4 ) 硬件连接上通过p r o f i b u s d p 高速总线接口连接p l c 和传动装置。 三台直流调速装置通过西门子编程软件的硬件组态，模拟实际的现场连接，通 过p r o f i b u s d p 协议，由p l c 编程发出控制命令以及经过通讯将现场的实际 信号反馈给p l c ，在p l c 编程时留好控制接口，将控制信号连接到操作台， 这样输入和参数修改通过外部操作台上操作屏完成，包括调试初期的压力直径 陕西科技大学硕士学位论文 曲线标定，底辊转矩控制曲线的标定都是在操作屏上完成。 ( 5 ) 速度检测：采用精度高、抗干扰性能高、可靠性光电编码器与装置实 现闭环控制。 表1 1 直流电气传动系统配置 t a bi - 1c o n n g u r a t i o no fd ce l e c t r i cd r i v ec o n t r o ls y s t e m 弋点 前底辊后底辊 退纸辊 参数 功率1 6 0k w 1 6 0k w2 0 0k w 电枢电流 4 0 0 a 4 0 0 a5 0 9 a 电 励磁电流 1 4 2 a 1 4 2 a1 7 3 a 机 额定转速 1 5 0 0r p m i5 0 0r p m5 0 0r p m 最高转速 i5 0 0r p m 减速比 1 8 1 81 2 5 类型 a b bd c s 5 0 0 b a b bd c $ 8 0 0 a b bd c $ 8 0 0 装 额定电流 4 0 0 a 5 2 0 a5 2 0 a 置 d p 通讯卡 n p b a 1 2 r p b a o lr p b a o l 编型号 b l f 6 0 0 b m cl5 f b l f 1 0 2 4 b m c 15 f b l f 1 0 2 4 b m c 1 5 f 码 脉冲数 6 0 0p p r 1 0 2 4p p r1 0 2 4p p r 器 备注：其他参数 控制器s i e m e n s3 0 0 p l c ( c p u 315 2 d p )装置通讯用p l c 的d p 口 人机界面 s i e m e n so p 2 7 0 6 t o u c h屏通讯用p l c 的m p i 口 退纸辊最大直径 3 2 0 0 m m 退纸辊最小直径 4 8 0 m m 底辊直径8 0 0 m m成品纸卷轴心直径1 0 5 m m 链轮直径1 6 3 m m纸张定量 10 0 15 0 9 m 2 电位器 测量成品纸卷的直径 ( 6 ) 通讯系统：通过p r o f i b u s d p 高速总线接口连接p l c 和传动装置， 其总线速率最高可达1 2 m b p s 的数据传输率，可满足系统的实时控制和实时响 应要求。 ( 7 ) h m i 界面：采用中文显示彩色触摸屏0 p 2 7 0 6 英寸，操作方便、数据 显示直观、性能可靠。触摸屏上可以完成静张力，运行张力，以及总车速的给 定以及实时显示成品纸卷直径【4 】。 4 复卷机n 汀控制理论分析与应用研究 2 ) 传动系统结构 根据用户需求将原来的m o d b u s 通讯改成p r o f i b u s - d p 现场总线通讯系 统。系统的控制架构如图1 1 所示：传动系统控制第一级为直流装置级，带有 编码器反馈，实时可以将各个辊子的速度显示到操作屏上，调试时便于现场和 控制室的人观察，在平时的使用中，工人可以直观的进行操作。 传动系统第二级为p l c 控制器级，p l c 通过p r o f i b u s 总线与第一级交 换数据，完成所要实现的功能。 传动系统有时候也配有第三级，即w l n c c 上位机。用于初期的调试以及 后期操作工人可以直接在上位机上进行控制、对复卷机的运行状态进行实时显 示，对设备的运行过程进行管理。在调试初期都要调节各个电机的机械运行特 性，带负载和不带负载，有了上位机可以清楚的反映调节的过程。不至于盲目 调节使得电机运行在一个良好的状态。 1 ) p 总线 图1 1 复卷机电气控制系统示意图 f i g u r e l ls c h e m a t i co fr e w i n d e rc o n t r o ls y s t e m 1 2 2 交流系统 河南某纸厂文化纸复卷机，原纸卷幅宽达3 2 0 0 m m ，设计车速6 0 0 m m i n ， 原纸卷直径为l3 0 0 m m 。该交流系统的组成配置如表1 2 所示： 前、后底辊由一台交流电机驱动，速度依靠配备不同的减速箱来完成，采 5 陕西科技大学硕士学位论文 用矢量速度控制，退纸辊采用矢量转矩控制。圆刀也采用的矢量速度控制，用 的变频器是a b b 的a c s 5 5 0 。 表1 2 交流电气传动系统配置 t a bl - 2c o n 矗g u r a t i o no fa ce l e c t r i cd r i v ec o n t r o ls y s t e m 、 、 传动点 底辊退纸辊 参数 功率 5 5 k w5 5 k w 额定电流 1 0 2 5 a 、 1 0 4 4 a 电 额定转速 1 4 8 0r p m9 8 0r p m 机 ， 最高转速 1 5 0 0r p m 减速比 3 15 2 8 类型 a b ba c s 5 5 0a b ba c $ 5 5 0 装置额定功率 5 5k w5 5k w m o d b u s 通讯内置r s 4 8 5 内置r s 4 8 5 编码 型号 e 6 8 2 c w z 6 c e 6 8 2 - c w z 6 c 器 脉冲数 5 0 0 p p r 5 0 0 p p r 各注：其他参数 控制器s i e m e n s2 0 0 p l c ( c p u 2 2 6 )装置通讯用p 1 人机界面e v e n 的屏m t 5 0 0屏通讯用p 0 退纸辊最大直径 1 3 0 0 m m 退纸辊最小直径 3 2 0 m m 底辊直径 4 2 0 m m 成品纸卷轴心直径 1 0 5 m m 控制器采用的是西门子2 0 0 p l c c p u 2 2 6 ，使用m o d b u s 通讯协议完成控 制器与传动点的交互。 本次调试的问题：机械上，退纸辊横向没有处于一线，造成纸幅操作侧和 传动侧拉展程度不一。在交流传动中，编码器的使用非常重要，如果不使用， 转矩和速度控制效果会大打折扣，无法满足复卷机控制要求。 与前面的直流相比该系统的配置和车速都不及。但随着交流技术的发展， 交流系统会越来越广泛和先进。 上述两套系统在复卷机控制系统上有一定的代表性，它们的控制研究分析 有一定价值，直流和交流系统的控制方法对于复卷机的控制有一定借鉴作用。 6 复卷机t n t 控制理论分析与应用研究 1 3 本论文所做的工作 复卷机向着大纸幅、高速、全运行自动化方向发展。复卷机在高速运转时， 存在大的机械惯性、要求系统有快速反应能力，高的静动态性能。原来有的一 些控制方案不适合这样的复卷机运行系统。不仅仅要考虑拉扯纸幅的张力，液 压系统释放的压力，以及前后底辊的转矩经典的控制方案。还要从复卷机稳定 运行，复卷高标准的纸卷出发，加入相应的工序处理，设计更为贴切的控制方 案a 加减速过程中为了保持张力恒定，速度按照s 型斜坡函数加减速。并对复 卷机组成单位进行补偿，例如卷取部在考虑原有双闭环控制的技术上加入的前 馈补偿，退纸部在考虑加速阶段惯量补偿基础上加入实时直径变化带来的惯量 变化。本论文结合实际项目中的应用中遇到的问题以及经验，提出更合适的复 卷机整体运行方案。 本文所做的工作总结如下： ( 1 ) 分析影响成品纸卷质量标准的因素； ( 2 ) 结合实际项目分析机械、操作和电气等应满足复卷机生产工艺的控制工艺； ( 3 ) 详细分析成品纸卷质量标准与t n t 之间以及s 加减速曲线的关系： ( 4 ) 继续研究前后底辊的符合分配方式，分析前底辊的转矩控制，后底辊的速度控 制； ( 5 ) 结合卷取部分的数学模型，推导出直径与液压系统压力的具体函数表达式，并 加上控制工艺的要求，进而取得成品纸卷紧度的液压系统压力曲线，通过仿真先直观的 看到直径与压力的变化关系； ( 6 ) 分析张力产生的原因以及纸幅形变引起的结果； ( 7 ) 退纸辊惯量补偿计算加入直径变化引起的惯量变化，充分应用微分细化的优点， 积分的累计效果，计算加减速时转速变化引起的惯量变化，并将两者归一化即都折合到 直径变化； ( 8 ) 结合项目将理论应用到实际中，实际解决问题的效果。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 复卷机生产、机械、操作工艺分析与设计 2 1 成品纸卷的用户要求质量标准 简言之成品纸卷的质量标准可表达为：分切断面平整光滑，纸卷紧度内紧 外松。卷取过程中无断纸，没有连接接头。 2 1 1 切割断面 衡量纸卷质量时，断面的光滑程度是一个比较直观的指标。 成品纸卷质量则断面看起来平整，没有年轮现象( 以瓦楞纸为例，年轮现 象：断面看起来颜色不一，一圈白一圈灰) ；触摸起来是绵绵的，感觉不出纸 层。卷的不平的成品纸卷在复卷过程中相邻纸卷可能发生纸层相互交叉，造成 无法分开，另外还会影响纸卷的销售的，是造纸厂家非常关心的一个指标【4 】【5 】。 2 1 2 紧度控制 紧度是指纸卷( 卷筒纸) 卷紧的程度。紧度能在相当程度上表示纸卷的结 构。 复卷机卷出的纸卷，必须能经得起包装、储存、运输和其他有关的处理。 这就要求：卷好的纸卷从芯层到表面的紧密度，必须是均匀的，而且最好从里 到外均匀地降低。纸卷紧度的突然变化对纸卷的再利用有很大影响，例如瓦楞 纸，它要被进一步用于做纸箱等，如果复卷的不好，直接影响到进一步利用厂 家机器的运行效率。所以纸卷紧度是厂家关心的至关因素。 纸张定量与紧度如果纸张的克重越小，强度越低，卷绕的直径越大，那么 内紧外松的纸卷结构就尤其显得重要。 1 ) 紧度控制的工艺要求【s l 要控制好纸卷的紧度，必须明确紧度控制的工艺要求 ( 1 ) 纸卷在纸芯处要卷得紧些，因为它是支承纸卷其余纸重的基础。如果 纸芯处太松，则退卷时会出现喇叭形； ( 2 ) 纸卷在收卷时应卷得松些，否则外层易损伤； 。 ( 3 ) 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。 2 ) 目前主要有这几种对紧度测试的方法t ，1 ( 1 ) 在复卷后的小纸卷表面用硬度计进行单点测试，从检测数据看波动是 否过大，从而判定复卷好坏； ( 2 ) 在复卷后的小纸卷端面用硬度计测试； 8 复卷机n 汀控制理论分析与应用研究 ( 3 ) 有经验的师傅可以通过敲击纸卷，听其声音来判断纸卷卷取的好坏； 但是都不能做到实时的检测，只能对卷取好的纸卷进行质量评价。 3 ) 紧度重新定义【7 l 紧度是指卷取时成品纸卷直径变化所遵循的规律。通过控制直径来控制紧 度，就可以实时的检测直径已达到控制紧度的目的。 2 1 3 影响成品纸卷质量的因素 影响成品纸卷质量的因素首先应该是造纸机生产出来的纸张质量。如果原 纸的质量很差，比如横向定量差别太大纸的线厚度不一，纸幅水分不均匀，甚 至存在纸洞，黏胶等；再者成品纸卷电气控制方面的因素对紧度和断面影响； 而且复卷过程中本身也会造成纸病：气刀条痕、毛边、凹坑、压花、折子1 2 】。 1 ) 影响断面的因素 一是压纸辊的压力：根据实时直径的变化调节压力时，调节的连续性不好， 引起的纸幅窜动，特别是在加速阶段的末尾速度快达到设定车速时，压纸辊上 升的加速度出现突变，液压系统调节不利，使得压纸辊出现上下跳动，造成纸 幅的窜边，严重时工人就将压纸辊脱开了，卷的纸不符合紧度的要求；压纸辊 压得太重容易将纸张压的变形，造成压痕；二则前后底辊电流不稳，未按给定 比例运行，一会前底辊电流大，一会后底辊电流大，使得纸张卷的紧度梯度不， 合适产生的年轮现象；另外机械振动，张力和转矩配合不当，成品纸卷不圆时j 。 压纸辊跳动，造成纸幅左右攒动，切割后难于分卷等造成的断面不整。 2 ) 影响紧度的因素i s 7 ( 1 ) 复卷时前、后底辊的转矩差； ( 2 ) 压纸辊的压力； ( 3 ) 复卷时纸张的张力； ( 4 ) 运行的速度，加速和减速； ( 5 ) 纸芯性能； ( 6 ) 纸张本身性能； ( 7 ) 运输和贮存的条件。 主要的电气影响因素：纸幅张力( t ) 、压纸辊压力( n ) 、底辊的转矩差 ( t ) ，加减速中的s 型曲线。 2 2 复卷机的机构与工作原理 1 ) 复卷机的机构 复卷机系列中最常见的是下引纸复卷机，即也是本论文的研究对象。如图 l 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 所示，纸幅从机台下面送入，并使其绕过某一个底辊再卷上纸卷的。纸幅 从退纸卷引过下方的几个引纸辊，通过固定的位置的纵切机构，绕过前支承辊， 然后卷在卷纸轴上。 图2 1 双底辊下引纸复卷机框架式结构图 f i g u r e 2 - 1s k e l e t o nt y p ec o n f i g u r a t i o no ft h et w od r u m sw i n d e r 双底辊下引纸复卷机的典型结构包括：卷取部分( 前底辊、后底辊、成品 纸卷、压纸辊) 、退纸部( 退纸辊) 、分切机构( 圆刀) 、辅助部分( 弧形辊、 导纸辊、纸边风机) 。 2 ) 复卷机的工作原理 从造纸机上取下的原纸卷放在退纸架上，退纸架上配有制动电机，在断纸 时能使快速制动。电机上安装光电编码器形成速度反馈以保持纸幅有一定的张 力。纸幅由退纸辊经导纸辊引出，通过弧形辊引至纵切机构进行纵切，然后再 经过弧形辊绕过后底辊而缠在卷纸筒芯上。卷纸芯依靠前后两底辊的驱动而运 转，从而牵动整个纸幅前进。在复卷过程中，纸幅张力拉展纸幅，使得从退纸 辊上下来的纸按照要求卷取到卷纸芯上，并在高速时保证纸幅不被拉断，这类 复卷机的纵切机构安装在固定的支架上，避免了轴向窜动，易于分卷并且大部 分转动部件靠近地面，重心低，易于在高速运行中保持稳定，因此应用广泛一引。 2 3 机械工艺分析与设计 1 ) 机械上的常见现象 机械上设计初期底辊由同一电机驱动，只是通过连接不同减速比的减速箱 来控制，速差即转矩差都比较固定。电气上控制的灵活度受到了一定的限制。 退纸部的传动侧和操作侧横向不在一条线上，造成的纸幅抖动；导纸辊比较少 1 0 复卷机耵汀控制理论分析与应用研究 以及安装位置选择的不合适，使得纸张不能充分舒展。导纸辊位置太低，纸幅 从退纸部过来得不到舒展；弧形辊的弧度不合适，同样可使纸幅在进入圆刀前 不够舒展，造成切割不合适，而切割后的纸幅分成多份，容易造成纸幅张力从 传动侧到操作侧分布不均，纸幅发生切割倾斜进入卷取部因为长度不一而不利 于复卷；前底辊表面光滑容易打滑，前后底辊的耦合以及共振，加上张力因素， 使得纸幅难于分卷，前后底辊之间揉搓力不按设定走，造成纸的褶皱。 2 ) 鉴于以上情况，机械上有以下制造工艺设计 ( 1 ) 整个机架采用框架式结构设计，提高产品的稳定性，操作即安全又方 便； ( 2 ) 纵切部采用仿意大利上、下圆刀纵切装置，切纸锐利、稳定、耐用、 调节自如； ( 3 ) 压纸辊装置采用直线导轨结构，压纸辊安装在滑座下，压纸辊与纸卷 的平行度可由操作侧滑座上的手轮微调。由液压阀调节线压，在工作时通过保 压控制使纸卷保持一定的紧度。上下运动灵活自如、可靠、耐用。最好在压纸 辊表面覆上一层聚氨酯，以使压纸辊的压力均匀地施加到成品纸卷上。压纸辊 由多节辊组成，这样在一定程度上克服机械振动引起的压纸辊跳动； ( 4 ) 前后底辊：同样的道理，纸幅经过纵切装置进入卷取部的后前后辊也。 采用多节辊装置，减少了由于整条辊转动惯量变形带来的振动对纵切及纸幅张 力的影响；同时为了减少机械振动，减少耦合，两底辊加工成不同壁厚，这样 高速运行中可以错开共振点，有效地降低共；为了使纸幅得到充分舒