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复卷机间接张力控制系统的研究与设计 摘要 论文针对高速双底辊复卷机的运行特点，对影响复卷机间接张力 控制效果的诸多因素进行了深入探讨，其中主要讨论了退纸辊转动 惯量对恒张力控制系统的影响、退纸辊加速度的计算、卷径计算方 法的优化以及纸幅张力的估算。最后针对国产高速双底辊复卷机列 举了直流调速和交流变频调速两种间接张力控制系统的具体设计实 例。 复卷机张力控制分直接张力控制和间接张力控制两大类，文中 分析了直接张力控制和间接张力控制各自的特点和适用范围、应用 场合。由于复卷机间歇运行、频繁加减速的负载性质，对张力控制 系统的动态指标提出了很高的要求。因此，高速双底辊复卷机大都 采用间接张力控制为主，直接张力微调的控制方案。但张力传感器 价格昂贵，并不适用于国产的双底辊复卷机张力检测。通过理论分 析，对影响张力的诸因素进行精确的补偿可以达到直接张力控制的 效果。同时论文中给出了原纸卷动态转矩的计算公式，相应的离散 化方程和适合在p l c 中编程的近似算法，基于退纸辊转矩平衡方程 的张力值估算算法。通过对张力估算值与张力传感器的检测值对比 分析观察，得出的结论是张力估算值可以代替张力传感器构成张力 闭环控制系统。 论文对复卷机在稳速运行时的间接张力控制效果进行了理论上 的分析，恒速运行时，纸幅实际张力与给定张力之间有一定的误差， 但张力是稳定的；高速复卷机稳速运行时如果不对退纸辊直径变化 产生的惯量转矩进行补偿，实际张力是随着复卷的进行逐渐变化的， 从而证明在高速复卷机间接张力控制方案的设计中，必须考虑稳速 运行阶段退纸辊惯量转矩对纸幅张力的影响。 在对双底辊复卷机间接张力控制系统的参数进行优化分析时， 文中给出了特殊情况下退纸辊卷径的计算方法，并对原纸卷惯性转 矩计算方法进行了更深入地理论研究，对纸幅张力间接测量( 软测 量) 的数学模型进行了分析。 在论文的最后两章，分别介绍了针对国产双底辊复卷机设计的 直流调速间接张力控制方案和采用高性能交流变频调速的间接张力 控制方案。在直流调速复卷机控制设计方案中，重点介绍了退纸辊 惯量转矩、加速度、卷径计算的p l c 算法实现以及复卷机的调试和 操作等。在交流变频调速复卷机控制设计方案中，重点介绍了这种 基于p l c 软件算法的间接张力控制在高性能变频调速装置上的实 现。就国产复卷机而言，直流调速的复卷机是比较成熟的控制方案， 而采用间接张力控制方案的交流变频调速双底辊复卷机是最近和将 来复卷机控制的发展方向。 关键词：复卷机、间接张力控制、转动惯量、卷径计算、张力估算 r e s e a r c ha n d t e n si o nc o n t r o l d e s i g no fi n d i r e c t s y s t e mi nr e w i n d e r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，m a n yf a c t o r sw h i c hm a ya f f e c th i g hs p e e dt w o d r u m r e w i n d e ri n d i r e c tt e n s i o nc e n t r e ls y s t e ma r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt oi t s r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c t h et h e s i sm a i n l yd is c u s s e dt h ei n f l u e n c e so f c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hw a sm a d eb yt h em o v e m e n t i n e r t i ai nu n w i n d e rm e c h a n i s m t h et h e s i sc a l c u l a t e dt h eu n w i n d e rr o l l a c c e l e r a t i o n ，t h eo p t i m i z e dd i a m e t e rc o m p u t a t i o n a im e t h o da n d e s t i m a t e dt h e p a p e rt e n s i o n f i n a l l y ，t h e t h e s i su s e dt w ok i n d so f i n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi st h ed cd r i v ea n da cd r i v e r e w i n d e r i tw a sad e s i g ne x a m p l ef o rt h ed o m e s t i c a l l yp r o d u c e dh i g h s p e e dt w o d r u mr e w i n d e r t h er e w i n d e rt e n s i o nc e n t r e ls y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot h ed i r e c t t e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ei n d i r e c tt e n s i o nc e n t r e ls y s t e m t h e t h e s i sa n a l y z e dt h ed i r e c tt e n s i o nc e n t r e la n dt h ei n d i r e c tt e n s i o n c o n t r o lr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea p p l i c a b l es c o p ea n ds i t u a t i o n t h er e w i n d e r r e q u i r e d t h ev e r y h i g h d y n a m i cp e r f o r m a n c et o t h e t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mb e c a u s eo ft h er e w i n d e rf r e q u e n t l ya c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o no p e r a t i o n t h e r e f o r e t h ei n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o lw i t h d i r e c tt e n s i o nt r i m m i n gc o n t r o l p l a n f o rt h eh i g hs p e e dt w o - d r u m r e w i n d e rw a sp r i m a r i l yu s e d b u tt h ep r i c eo ft e n s i o ns e n s o ri s e x p e n s i v e a n dn o ts u i t a b l e f o rt h ed o m e s t i c a l l yp r o d u c e dt w o d r u m r e w i n d e rt e n s i o ns e n s o r t h ec o n c l u s i o nc a nb em a d et h a tu s i n gi n d i r e c t t e n s i o nc o n t r o lp l a nw i t hv a r i o u sp r e c i s ec o m p e n s a t i o nt ot h ef a c t o r s w h i c ha f f e c t e dt h er e w i n d e rp a p e rt e n s i o n ，s oi ti sp o s s i b l et oa c h i e v e t h ee f f e c to fu s i n gd i r e c tt e n s i o nc o n t r o lp l a n t h e p a p e rh a dg i v e nt h e u n w i n d e rr o l ld y n a m i ct o r q u ef o r m u l a ，t h ec o r r e s p o n d i n gd i s c r e t i z a t i o n e q u a t i o nw h i c hp r o g r a m s i n p l c ，a n dt h et e n s i o nv a l u ee s t i m a t e a l g o r i t h mb a s e do nu n w i n d e rr o l lt o r q u eb a l a n c ee q u a t i o n t h r o u g ht h e t e n s i o ne s t i m a t ea n dt h et e n s i o ns e n s o rm e a s u r ev a l u ec o n t r a s t e d ，i ti s i i i c o n c l u d e dt h a tt h et e n s i o ne s t i m a t e dv a l u em a yd e f i n i t e l yr e p l a c et h e t e n s i o ns e n s o ra n dc o n s t i t u t et e n s i o nc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i sa n a l y z e dt h er e w i n d e rt e n s i o nc o n t r o le f f e c tw h e nt h e s p e e di si n v a r i a b l e ，r e w i n d e rp a p e rt e n s i o nv a l u eh a sc e r t a i ne r r o rw i t h d e m a n dt e n s i o nv a l u e ，b u tt h et e n s i o ni ss t a b l e i fh i g hs p e e dr e w i n d e r w a sn o tc a r r i e do nt h ec o m p e n s a t i o nt ot h eu n w i n d e rr o l li n e r t i at o r q u e ， t h er e w i n d e rp a p e ra c t u a lt e n s i o nv a l u ei sv a r i a b l e g r a d u a l l y i t i s p r o v e dt h a tt h ee f f e c to fu n w i n d e ri n e r t i at o r q u et ot h ep a p e rt e n s i o n c o n t r o li nt h eh i g hs p e e dr e w i n d e ri n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o lp l a nd e s i g n m u s tb ec o n s i d e r e dw h e nt h er e w i n d e rw a so p e r a t e da tt h ec o n s t a n th i g h s p e e ds t a g e w h e nw et o o kt h eo p t i m i z a t i o na n a l y z e st ot h et w o - d r u mr e w i n d e r i n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mp a r a m e t e r ，t h ea r t i c l eg a v e s e v e r a l c o m p u t a t i o n a lm e t h o d st o u n w i n d e rr o l ld i a m e t e ri nt h e p e c u l i a r c i r c u m s t a n c ew h i c hp r e v e n ti tf r o mm u t a t i o n t h em o r ed e e p l yr e s e a r c h t ot h eu n w i n d e ri n e r t i at o r q u ec o m p u t a t i o n a lm e t h o di sd is c u s s e di nt h i s t h e s i s ，a n dt h ep a p e ra n a l y s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft e n s i o n i n d i r e c tm e a s u r e m e n t ( s o f tm e a s u r e m e n t ) t h et h e s isi n t r o d u c e ds e p a r a t e l yt h ed cd r i v ei n d i r e c tt e n s i o n c o n t r o lp l a na n dt h eh i g hp e r f o r m a n c ea cd r i v ei n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o l p l a nf o rd o m e s t i c a l l yp r o d u c e dt w o - d r u mr e w i n d e rc o n t r o ls y s t e m i n t h ed cd r i v er e w i n d e rc o n t r o ld e s i g np l a n ，u n w i n d e rr o l li n e r t i at o r q u e ， t h ea c c e l e r a t i o n ，a n dt h ed i a m e t e rc o m p u t a t i o nw i t hp l ca l g o r i t h m r e a l i z a t i o na r ei n t r o d u c e da st h ee m p h a s i s i nt h ea cd r i v er e w i n d e r c o n t r o ld e s i g np l a n ，t h er e a l i z a t i o nm e t h o db a s e do nt h ep l cs o f t w a r e a l g o r i t h mi n d i r e c t t e n s i o nc o n t r o l p l a nu s i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c e f r e q u e n c yc o n v e r t e ri sd e s c r i b e d t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ed cd r i v e r e w i n d e ri st h eq u i t em a t u r ec o n t r o lp l a n ，b u tu s i n gt h ei n d i r e c tt e n s i o n c o n t r o lp l a no nt h ea cd r i v er e w i n d e ri s r e c e n t l yt h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o nt ot h ef u t u r ed o m e s t i c a ll yp r o d u c e dt w o d r u mr e w i n d e r k e yw o r d s ：r e w i n d e r ，i n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o l ，m o m e n to fi n e r t i a ， u n w i n d e rd i a m e t e rc a l c u l a t i o n ，t e n s i o ne s t i m a t e i v 符号说明 复卷机( 纸幅) 线速度 退纸卷直径 空辊直径 退纸卷半径 退纸卷空辊半径 退纸辊角速度 退纸辊电机角速度 退纸辊转速 后底辊转速 退纸辊电机转速 退纸辊减速箱变比 后底辊减速箱变比 纸张厚度 纸张宽度 纸张密度 总转动惯量 设定张力 实际张力 估算张力 退纸辊惯性矩张力 电机转矩 惯性转矩 摩擦转矩 张力转矩 速度摩擦转矩 轴承摩擦转矩 轴承载荷 v 器m麓侧 m m吣蝌洲m m m m 距 矿d 伽r 助，“厅6 p，乓乙乏乙埤缈胁讹讹q 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 1 绪论 1 1 引言 复卷机是造纸完成工段的关键设备，是一种机电高度结合的机电一体化 设备，肩负着重要的任务：把纸机生产出来的纸幅纵切成若干个分开的纸幅， 同时要保证质量，还要把这些分开的纸幅复卷为满足下游一系列加工要求的成 品纸卷。由于复卷机车速为纸机车速的2 3 倍以上，而且在复卷过程中，纸幅 张力会随着纸卷卷径和加减速的不同而大范围的变化，从而影响张力控制的稳 定性。复卷机时纸幅张力太低会造成成品纸卷打摺或窜边；张力太高会使成品 纸卷的残余应力过大，造成爆卷或损伤纸芯甚至造成断纸。因此，要得到质量 合格的成品纸卷，就要求复卷机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n 1 们n n 引，因此纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要 的因素之一。 为了适用不同纸种的复卷，现在市场上有w i nd r u m ( 双底辊复卷机) 、 w i nb e l t ( 皮带床复卷机) 、w i na i r ( 气垫减压式复卷机) 等多种型号的现代复卷 机，其中以双底辊复卷机最为常用，本课题主要是以国产双底辊下引纸复卷机 为研究对象。下图1 1 所示为某造纸厂4 8 0 0 15 0 0 国产双底辊复卷机运行现场， 所卷纸种为普通瓦楞原纸。 习 图1 - 14 8 0 0 15 0 0 双底辊复卷机运行现场 f i g 1 14 8 0 0 1 5 0 0t w o d r u mr e w i n d e r l 陕两科技大学硕士学位论文 1 2 复卷机张力控制系统的研究现状 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，实现了复卷操作的全自动化。设计车速已经达到了 3 5 0 0 m m i n 以上，工作车速达到了310 0 m m i n 以上。在复卷机张力控制系统方 面，国外各大电气传动公司都推出有专用于间接张力控制的软硬件，其中最典 型的有西门子公司针对其6 s e 7 0 系列变频器和6 r a 7 0 直流调速器开发的t 4 0 0 卷取工艺板，a b b 公司的d c s s 0 0w i n d e r ( i n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o lp a c k a g e ) 和a c s s 0 0 变频器卷取应用宏。这些工艺模块是针对它们公司的调速装置开发 的专用控制板或软件包，不具有通用性而且价格稍高，调试工作量大。还有些 公司研制出了用于复卷机的间接张力控制专用集成电路，如p i c l6 f 9 7 7 a 微处 理器并已投入使用 3 8 1 。 相对于国外的复卷机发展，国内复卷机则要落后一些，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大都集中在l5 0 0 m m i n 以下，很少有超过 2 0 0 0 m m i n 的，而且车速超过1 0 0 0 m m i n 的大都配置有张力传感器，国外产的 张力传感器以a b b 的为主，一般价格在几万到十几万元之间，国内产的张力 传感器性能较差，很少有用于复卷机张力控制，因而对复卷机间接张力控制的 研究符合国产复卷机的技术需求。 关于复卷机纸幅张力的控制，文献中已有很多理论研究1 1 3 】【1 4 】【1 8 j 【2 9 1 ， 为进一步深入的研究提供了理论基础，近几年来一些先进技术的出现为提高纸 幅张力的间接控制提供了技术支持。 1 ) 复卷机整机装备技术的提高近几年来，国内几家复卷机制造企业都 引进了较为先进的数控机械加工设备，使复卷机的整机加工精度有了很大的提 高，为其间接张力控制提供了有利条件。 2 ) 软测量技术的出现以软测量技术为代表的智能检测技术越来越多地 应用到工业测控领域，使一些不能直接检测的过程变量通过其数学模型编写程 序估算出来进行控制。软测量技术就是先建立待测变量与其他一些可测或易测 的过程变量之间的关系，通过对可测变量的检测、变换和计算，间接得到待测 变量的估计值。软测量模型的输出可作为控制系统状态变量或输出变量的估计 值，送入控制装置，参与反馈控制。 3 ) p l c 技术的快速发展p l c 具有快速的运算能力、超强的抗干扰能力 和超长的平均无故障时间，集成的网络接口，使其成为工业控制的核心设备。 以s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 为例，其c p u 浮点数的运算速度可达每条指令 2 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 1 s ，m c c 卡存储容量为8 m b ，具有m p i 、p r o f i b u s d p 、工业以太网或a s i 现场总线网络功能。 4 ) 工业通信网络的发展现场总线( f i e l d b u s ) 是9 0 年代初国际上发展 形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互 连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设 备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还 是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字 通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技 术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、 有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。本课题 主要采用s i e m e n s 公司的p r o f i b u s d p 现场总线完成p l c 与传动装置之间 的数据交换。 由于纸幅张力控制效果的好坏在很大程度上依赖于控制系统本身的设计 是否科学合理。其中包括驱动电机和传动装置的选择、控制方案的制定等等因 数。其中控制方案的制定是最关键的问题，目前国产复卷机的控制系统大致可 以分为两类：直接张力控制方案、间接张力控制方案。 从控制方案上看，所谓直接张力方案，是指系统安装有张力传感器，形成 张力闭环。这种方案的优点是控制结构简单，控制精度稍高，但很难兼顾控制 响应的快速性和控制的平稳性。间接张力控制方案是指系统不需要张力反馈信 号，对张力的控制是建立在对纸幅张力扰动量的补偿上，配合电气驱动装置， 实现对张力的间接程序控制。 两种控制方案各有优缺点，对于直接张力方案而言，首先是其价格问题， 国产复卷机的市场售价普遍偏低，而张力传感器的价格基本要占到总成本的 l0 ；其次，抗震动性能差，复卷机是高速运转的设备，如果设备制造、安装 的精度不够，整机的震动情况是比较恶劣的。同时纸卷在高速旋转时并不是规 则的圆柱体，也会产生很大的震动。一些进口的高档复卷机为了减小震动的影 响，在机架上安装有震动传感器，当设备的震动超过某一设定值后，会自动把 车速降下来心们阻。由于成品纸卷的横向( 垂直于运动方向) 定量不可能完全均 匀一致，横向上定量偏差累积会逐渐偏大，最终形成不规则的圆柱体，高速旋 转下必然会产生较大的震动。因此高速复卷机的震动是难以避免的，可以通过 提高机加工精度、安装精度以及严格造纸工艺过程控制来减小，而不能绝对消 除们心引。在这种情况下，依赖张力传感器建立的张力闭环控制系统是有问题的， 通常不能取理想的控制效果。综合几个因数来考虑，直接张力控制应当与间接 陕谣科技大学硕士学位论文 张力控制方案相结合，才能发挥其优势，避免其它方面的不足，即所谓复合张 力控制系统。所以复卷机间接张力控制是直接张力控制的基础，如果间接张力 控制方案能做到精确的动态补偿，则完全可以舍摔贵重的张力传感器，提高复 卷机的性价比，这对国产双底辊复卷机来说有着重要的应用价值。 1 3 课题的意义及本文所做的工作 目前国产的复卷机大都采用直流驱动器进行控制，而进口高速复卷机基本 上都是交流驱动复卷机心6 3m 1 1 1 m ”，说明国内对复卷机的研究远远落后于国外 的发展水平。2 0 11 年陕西科达电气公司在山东单县某纸厂设计了两台 2 4 0 0 1 2 0 0 交流复卷机，无张力传感器，采用间接张力控制方案，通过对退纸 辊转矩的控制来控制纸幅的张力，所有的算法均由p l c 完成。这个项目的实 施，具有很高的参考价值，摒弃了以往采用a b ba c s s 0 0 变频器专用的卷绕软 件( w i n d e rc e n t e r ) 或s i e m e n s 变频器专用卷绕工艺板t 4 0 0 ，总结归纳 了交流变频调速的间接张力控制方案，将非常有利于国产交流复卷机在造纸行 业的推广。 基于上述的分析，本论文将结合在实际复卷机调试中的经验和教训，对高 速复卷机张力控制系统进行较为深入地探讨，力图在理论上对国产双底辊复卷 机在高速运行时的影响因素进行分析和研究，通过实际工程项目验证理论分析 结果和p l c 软件算法实现。本文主要完成以下几方面的工作： 1 ) 原纸卷转动惯量对张力的影响以及计算方法 2 ) 退纸辊卷径、加速度、等参数的计算和优化 3 ) 纸幅张力的估算及误差分析 4 ) 基于间接张力控制方案的直流调速复卷机控制系统的设计 5 ) 复卷机电气控制系统的调试步骤 6 ) 基于间接张力控制方案的交流调速复卷机控制系统的设计 4 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 2 双底辊复卷机概述 2 1 双底辊复卷机的机械结构乜， 双底辊下引纸复卷机是从机台下面送入纸幅使其绕过某一个支承辊再卷 上纸卷的，纸从退纸卷上引出后经过一个引纸辊和一个舒展辊，通过固定位置 的纵切机构分切后，绕过前支承辊和后支承辊，然后卷在卷纸轴上，其机械结 构示意图如图2 1 。 噌 7 、 纸卷 纵秘乃 ：躯 多 厦霜 缎卷 卸卷 著 l j 、l 1 m l 。尉 、f 溃一一 一 更帚 矾厂腩、一一嘞酒 l 匕 哆 爸7 缀铬 ， 涟j 鱻蟺鱻諃 - 1辊下引纸复卷机机械结构 g 2 1t od u mr w i n d e rm c h i n e r ys r u c t u r e 1 1 双底辊复卷机的退纸部 安置在退纸架上，为了使纸幅张紧后平整且受力均匀，退纸卷应能 退纸架整体前后左右移动，可采用气动、电动或液压装置自动调节退纸架 移动。退纸机构还备有空卷纸轴的卸出装置用来加快了退纸卷的调换。近 展的无轴退纸架，采用无轴的原纸卷，可以适应多种纸卷芯直径和纸卷幅 简化了换卷操作，非常适应于小直径纸卷芯和窄幅纸卷。无轴退纸架安装 卷芯卡紧锥头，当纸卷由升降台送上退纸架时，两边的机架自动向中间推 适应纸卷宽度，然后纸卷芯卡紧锥头自动从两端插入纸卷芯孔中以支承纸 同时使纸卷与机架上的轴承及制动器连接。退纸卷的卷纸轴上装设有离合 工作时和传动部分相连接。由于复卷机车速很高，在复卷机上退纸辊传动 需要安装制动器，在断纸时能快速停车以减少纸的损耗。在通常情况下， 辊电机与制动器结合使用，在紧急制动时，电机与制动器同时动作将纸卷 停住。 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 2 双底辊复卷机的纵切部 纵切机构也是复卷机最重要的部件之一，其主要作用是保证切边的平直 光滑，有利于分卷的完成。纵切机构可分为两大类：压切机构与剪切机构。压 切机构是利用刀片把纸幅切开的一种切纸方法。纸幅包绕在一个外套硬度很高 的淬火钢环的刀辊上，旋转口咽刀在一定压力下把纸幅切开刀辊具有传动， 圆刀靠弹簧或气压与刀辊压紧，借摩擦力被带动，其线速度及圆刀的线速度均 要稍快于纸幅1 0 - 2 0 并跟随复卷机总车速给定。随着复卷机车速和幅宽不断提 高，压切机构因所需用的刀辊太大，而且刀片的维修量也太大。 剪切机构是用一对剪切圆刀，成对地互相咬合，把纸幅用剪开的方式分切 开。由于它能保证纸的切边光而平滑，刀片的耐磨性高，故用得非常普遍。 在双底辊复卷机剪切机构中，下刀刀轴有传动机构，圆盘形的上刀借下刀通过 摩擦传动。整个刀座可横向调整，以调定切纸宽度。装置的每个上刀架上装有 小的操纵气缸，引纸时各气压缸同时作用使上下刀迅速咬合，卷取停止时可同 时作用使上下刀分开。进口的高档复卷机配有伺服装置的同步调刀系统，可自 动调整切纸宽度，如v a r i f i t 双底辊复卷机安装有t r u s e t 切刀自动定位系统，可 以确保最短的定位时间和极高的定位精度。在某些高填料纸种的复卷机上，纵 切部能将切后的微小颗粒吸走而不被带入纸卷中。 高速复卷机纸边输送也很重要，通常有两种方式：风机直抽式和文丘里吸 送式。风机直抽式采用离心风机，纵切边刀附近安装风管与风机进口相连，风 机叶片上安装有刀片，吸入的纸边被打碎后送向损纸处理设备。文丘里吸送式 也采用高压离心风机，安装在纵切边刀附近的风管连接至文丘里管，风机通过 在文丘里处产生的负压把纸边吸送至损纸处理设备。 2 1 3 双底辊复卷机的卷取部 1 ) 舒展装置 复卷机的舒展装置是为了使纸幅在纵切后保持均匀切缝分开而设的。常用 的舒展装置有三种型式：d 形舒展杆、弧形辊以及z 型双杆舒展器等。舒展装置 与纸幅平行并且朝纸幅内顶入弯成弯拱，弯拱的曲线应是平滑的，弯曲的程度 取决于纸种。 2 ) 支承辊 支承辊用以支承成品纸卷，又称为前底辊和后底辊。它的辊体是空心铸铁 辊或普通钢辊，直径通常在4 0 0 7 0 0 m m 或以上。前后两辊之间的中心距大于辊 径约l o 1 5 m m ，使放在支承辊上的成品纸卷芯在开始卷取时才不致被支承辊和 压纸辊卡死。 6 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 3 ) 传动机构 现代复卷机一般都配置两个电动机单独传动前后两个底辊，以便于通过控 制两辊的速度差调整成品纸卷的紧度。前后底辊和退纸辊一般都通过减速箱和 电动机相连接，用以保证复卷机最高线速度的一致，减速箱的主要作用是提高 电机的输出转矩，减小电机的容量。 2 2 国内外复卷机的发展现状乜耵 国外复卷机设计车速已经达到了3 8 0 0 m m i n 以上，工作车速已达到了 3 2 0 0 m m i n 以上，复卷的幅宽能达到1o m 之多。我国的福建南平、山东晨鸣和 华泰等大型造纸企业也都引进了高速复卷机，并都投入了生产。现代复卷机采 用先进的控制系统，包括具有1o o 多种可选参数的复卷配方库和复卷监控系统， w i n b e l t w i n d r u mp r o 复卷机还配有振动测量系统，可对某些复卷故障趋势加 以分析。现代复卷机全面自动化功能包括切刀自动定位系统、成品纸卷自动换 卷系统可实现单人作业，下图是某国外复卷机工作现场。 图2 - 2莱国外复卷机工作现场 f i g 2 2af o r e i g nm o d e r nr e w i n d e rw o r k s h o p 比之于国外复卷机的发展情况，国产复卷机则相对落后得多。首先，国产 复卷机的设计车速集中在2 0 0 0 米分以下；其次，国产复卷机的品种比较单一， 下引纸复卷机也只是以双底辊复卷机为主；还有，国产复卷机的自动化程度不 高，劳动强度高，生产效率普遍偏低。这些问题都表明我国复卷机生产制造厂 家对大型高速复卷机的研究还不够深入，特别是高速复卷机间接张力控制系 统，由于需要进行大量的基于复卷机机械特性和复卷纸张的纸种特性的数学模 型和算法实现，属于复卷机控制系统最核心的技术，已经成为制约我国高速复 卷机发展的关键问题。 7 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 3 复卷机退纸辊张力控制的基本原理 3 1 张力控制系统的分类及基本原理 所谓张力控制系统是指能使卷绕设备的整个连续生产线的张力保持恒定 的控制系统。在张力控制系统中，被控对象运行速度的变化、卷径的变化、机 械传动系统转动惯量的变化和机械损耗的变化均构成对张力的扰动。在卷取过 程中，直径的变化是张力变化的主要原因，但同时还要对机械系统的摩擦转矩 和惯性转矩进行补偿，以确保张力控制的精度。 3 1 1 张力控制系统分类们 按有无张力检测，张力控制系统分两类：直接张力控制系统和间接张力控 制系统。直接张力控制系统需要张力传感器，通过张力闭环来控制转矩或转速。 间接张力控制系统不需要张力传感器，而是根据张力给定值计算转矩给定，通 过转矩环来控制张力。直接张力控制精度虽比间接张力控制高，但易出现稳定 性问题，实际应用时不是简单地用张力调节器产生全部转矩或转速给定信号， 而是以间接张力控制作为基础，在原来转矩或转速给定计算的基础上，用张力 闭环作为微调转矩或转速给定( 微调范围5 l0 ) 。 按实现张力控制的途径，张力控制系统分两类：通过转矩给定控制张力系 统和通过转速给定控制张力系统。张力大小取决于退卷电机的转矩，因此通过 改变转矩给定来控制张力最直接、最简单；退卷电机驱动器的转速调节器 ( a s r ) 不参与控制，仅转矩电流环工作。间接张力控制系统没有张力调节器， 采用控制转矩来控制张力。直接张力控制系统有两种控制方法：一是张力调节 器输出转矩给定的微调信号( 附加转矩给定a t ) ；另一种是通过改变基础调速 系统的转速给定来控制张力，这时转速和电流调节器都工作，张力调节器输出 是转速给定的微调信号( 附加的转速给定刀) 。直接张力控制选用哪种控制方 法，取决于转速变化对张力影响大小。如果微小转速变化引起大的张力变化( 刚 性联系) ，则不适合用转速控制的方法，因为容易引起震荡，转速稍微增大， 张力就过大，转速稍微减小，张力又过小或为零。如果微小转速变化引起的张 力变化不大( 弹性联系) ，就可以用转速控制的方法，例如塑料薄膜生产线。 由于纸张的弹性较小，所以一般采用转速控制方法。 3 1 2 卷取控制常用的计算功能 由于退卷直径的变化，其速度和转矩将随退卷直径的变化而变化，卷取的 控制目标是如何调整退卷的表面张力，通常包括以下控制功能：卷径计算功能、 9 陕两科技人学硕士学位论文 张力给定转化为转矩给定、转动惯量的计算、加减速转矩动态补偿、摩擦转矩 补偿等。图3 1 所示为退纸辊张力控制系统的物理模型简图。 赢 i ；d ：退卷 ! 直径 i x 图3 - 1 退卷控制系统物理模型 f i g3 1t h ec o n t r o ls y s t e mp h y s i c a lm o d e lo fu n w i n d e r 常用的基本计算公式： 1 ) 线速度、角速度的换算 1 ，5 罢c2 2 面2 1 , ( 3 1 ) 2 ) 退卷角加速度的计算 d r 2d v2 vd d d vv d r - - - - - - - ：= ：一一一 出 d 出 d 2d tr d tr 2 d t 3 ) 退卷直径的变化率 d o ：一2 h 疗c ：一堡：一丝立 d tr , d万 4 ) 退卷惯量及惯性转矩的计算 1 0 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 ，= 等( d 4 一d ：) 以= 历d j 面d d + j 等 鸠= 面d j 百d d + j o + 字( r 4 一露) 警 5 ) 退卷摩擦转矩的计算 m f = m l o 婚产m 尥。= j l l 氏萱q 心= 瓯 6 ) 退卷电机电磁转矩的计算 m ；f o r , r - m _ , - 一m y i ( 3 4 ) ( 3 5 ) 坂= 等- 厶+ 学+ 1 3 r 2 b ”p ( d 4 喇4 , 小 i 丽2 i d v + 等) + 肆即h r 3 - ! 比如承q 一轨】 。6 3 2 退纸辊张力控制方案分析 退纸辊与两底辊间的纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之 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。复卷机运行过程主要是对纸幅速度和张力的控制，纸机生产出来的原 纸卷要经过3 4 个复卷周期才能卷完，一个复卷周期大约需要5 - 6 分钟的时间。 图3 2 所示是复卷机的一个运行周期张力和速度变化示意图。 陕西科技大学硕士学位论文 。速度 张力。 图3 - 2复卷机分段运行曲线 f i g 3 - 2w o r k i n gs t a g ec u r v eo ft h eu n w i n d e r 张力控制方案的设计是对退纸辊张力的总的控制量计算出来作为退纸辊传 动装置的转矩控制给定值；通过控制退纸辊电机的制动转矩的大小来保证实际 张力值跟随设定的张力值，实现恒张力卷取。 张力的总控制量的计算可以采用不同的方法。由于纸幅张力控制分为直接 张力控制和间接张力控制两种，直接张力控制方案需要安装张力传感器，把张 力检测出来，作为张力反馈信号与张力给定值相比较，用它们的偏差信号经过 一定的处理后再去控制张力，构成张力闭环调节，这样控制的精确度较高；但 是由于复卷机高速运转时会产生很大的震动，采用张力反馈时，会产生很大的 干扰信号通过张力传感器加入系统，直接影响系统的稳定性。另外复卷机运行 时退纸辊直径的大范围变化和加减速时产生的惯性转矩很大，给张力控制提出 了很高的要求。而间接张力控制方案是根据退纸辊运行中的各参数之间的约束 关系，根据其转矩平衡方程对其动态转矩加以补偿控制，间接地保持张力恒定。 虽然达不到直接张力控制精度，但其成本较低而且控制稳定性好，不存在张力 调节器的超调租滞后现象，一直是国产复卷机普遍采用的张力控制方案。 3 2 1 直接张力控制方案 直接张力控制是用实测张力作为反馈信号，与给定信号相比较，构成张力 闭环对张力进行调节。根据控制理论，凡包围在张力闭环内的各种扰动都能受 到抑制。从理论上讲，复卷机直接张力控制系统是在退纸辊电机传动装置的转 1 2 复卷机间接张力控制系统的研究与设计 速电流双闭环调速系统外再加上一个张力调节器，组成三闭环系统，相当于张 力伺服控制系统。图3 3 所示为某直流调速复卷机的控制原理框图，从原理图 可以看出，直接张力控制三闭环系统比一般的三闭环系统复杂，主要表现在以 下几个方面： 图3 - 3 直接张力控制原理框图 f i g3 - 3d i r e c tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 1 ) 卷径和转动惯量均为变参数： 变参数，而且- ，与d 又是非线性关系， 杂。 限幅 限幅 由于退纸辊直径d 和转动惯量j 是时 使得退纸辊惯量转矩的数学模型十分复 2 ) 张力矩在双闭环系统的设计中属于外部扰动量。但在退纸辊控制系统 中张力矩又是系统输出量，因而退纸辊转速环的设计不能按一般的双闭环设计 方法。 3 ) 退纸辊恒定的速度给定将导致退纸辊线速度随卷径的减小而减小，张 力也就随着增大。这样只能通过张力环来调节，加重了张力环的负担。 4 ) 在复卷机设计时，为了保证退纸辊有较大的调速范围及较小的电机容 量，退纸辊电机要求在基速以上能够弱磁调速，由于电机磁场是个非线性的变 量，磁场的大小直接影响电机输出转矩的大小，因而在计算出张力矩后，转矩 的控制精度还取决于电机的数学模型。 5 ) 复卷机运行中由于张力的存在，纸张必然发生形变口3 ”阳引，包括弹性、 弹塑性或者塑性形变，退纸辊的线速度和复卷机的线速度只是近似相等。 纸幅张力的动力学方程为： 陕西科技人学硕士学位论文 乃詈+ 乙= k a v ( 3 - 7 ) 写成传递函数形式： 盟：l( 3 8 ) 一= 一 j o ， a v ( s ) t | 1 式中：乙一纸幅张力 肛前后底辊与后底辊的线速度差 乃一时间常数，与后底辊和退纸辊间的纸幅长度有关而且随复卷机线速度 的变化而变化。 膨一传递系数，随线速度的变化而变化的量。 上式表明：复卷机在动态运行过程中张幅张力与动态速变存在一个时间滞 后的关系，且参数是变量，纸幅的传递系数厨随线速度的不同而不同，很难 精确计算。综上所述，直接张力控制方案对张力信号的检测和张力调节器的设 计都提出了较高的要求，因而间接张力控制方案越来越受到人们的关注。 3 2 2 间接张力控制方案 不需要安装张力传感器，对影响张力变化的主要扰动量进行补偿，如能同 时对所有扰动量进行完全补偿控制，可以达到甚至超过直接张力控制的效果。 上面已提到过，退纸辊的电动机在复卷机正常运行时处于发电回馈制动状 态，电磁转