馬曉宇

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭,014030)

·復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制·

復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬曉宇

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭,014030)

造紙行業(yè)中的下引紙復(fù)卷機(jī)直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于退紙輥的恒張力控制。本設(shè)計(jì)圍繞退紙輥的恒張力控制要求,在程序設(shè)計(jì)上必須實(shí)現(xiàn)退紙輥的直徑計(jì)算功能、紙幅的直接張力檢測(cè)補(bǔ)償功能以及在系統(tǒng)加減速過(guò)程中動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償功能,并結(jié)合對(duì)以上程序功能的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,對(duì)下引紙復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

直徑計(jì)算；恒張力控制；動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償；復(fù)卷機(jī)

卷取和分切工藝廣泛應(yīng)用于造紙行業(yè)、紡織行業(yè)。在造紙車(chē)間的下引紙復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中,經(jīng)常遇到成品紙卷斷頭較多、紙卷端面粗糙、串紙現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題,這些問(wèn)題可能是復(fù)卷機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,紙幅張力不穩(wěn)定造成的。為了改善成品紙卷的質(zhì)量,提高造紙車(chē)間的生產(chǎn)效率,研究和改進(jìn)下引紙復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)的恒張力控制系統(tǒng)成為技術(shù)關(guān)鍵,即能否實(shí)現(xiàn)退紙輥的恒定張力控制。如果達(dá)不到張力恒定的控制要求,將嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行效果,且成品紙卷質(zhì)量達(dá)不到客戶(hù)要求。退紙輥的恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下部分：退紙輥直徑計(jì)算功能、張力給定控制功能、直接張力檢測(cè)功能、紙幅慣量補(bǔ)償功能以及加減速過(guò)程動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能[1]。

1 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)造紙機(jī)上生產(chǎn)的原紙卷不能滿足紙加工或印刷等的成品卷要求時(shí),必須經(jīng)過(guò)復(fù)卷傳動(dòng)設(shè)備進(jìn)行切邊、分切等工藝,將原紙卷復(fù)卷成規(guī)格和緊度合格的成品紙卷,才能出廠用于紙加工或印刷設(shè)備[1]。為滿足復(fù)卷傳動(dòng)設(shè)備的工藝要求,對(duì)復(fù)卷傳動(dòng)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出以下要求：①在設(shè)備運(yùn)行中前底輥的轉(zhuǎn)矩必須比后底輥的轉(zhuǎn)矩大,形成轉(zhuǎn)矩剪刀差,而且成品卷的實(shí)際直徑越大,前底輥的轉(zhuǎn)矩剪刀差倍數(shù)越?。虎谠谠O(shè)備運(yùn)行中,要保證紙幅張力恒定可調(diào),紙幅張力在人機(jī)界面給定；③在引紙過(guò)程中前后底輥、退紙輥為速度控制,紙幅的線速度保持一致,保證紙幅平穩(wěn)引到紙芯上；④圓刀電機(jī)線速度比紙幅線速度快1.05～1.2倍；⑤壓紙輥的壓力要隨著成品紙卷直徑變化而變化[1-2]。

圖1 復(fù)卷傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖1為復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖,其中前底輥、后底輥、退紙輥采用西門(mén)子6RA70系列直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),采用CBP2通信板進(jìn)行PROFIBUS-DP通信；圓刀采用ABB公司ACS550變頻器驅(qū)動(dòng)六臺(tái)圓刀電機(jī)；控制單元為西門(mén)子S7-300可編程控制器,型號(hào)CPU313C-2DP；人機(jī)界面采用西門(mén)子KTP1000觸摸屏。CPU主站采用PROFIBUS-DP通信方式對(duì)直流調(diào)速器進(jìn)行通信。使用STEP7和Wincc Flexible編程軟件對(duì)傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和編程設(shè)計(jì)。

圖2 后底輥控制程序設(shè)計(jì)圖

2 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

復(fù)卷機(jī)程序設(shè)計(jì)的控制目的包含以下四方面：①后底輥速度控制；②前底輥速度及轉(zhuǎn)矩限幅控制；③退紙輥速度及恒張力控制；④壓紙輥的壓力控制[3]。復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)就是圍繞以上控制目的展開(kāi)一系列滿足控制工藝要求的程序設(shè)計(jì)。

從后底輥控制的程序設(shè)計(jì)開(kāi)始,后底輥是復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的主點(diǎn),其速度給定值由操作屏設(shè)定,在引紙過(guò)程中為引紙速度給定,在運(yùn)行過(guò)程中為運(yùn)行速度給定。在程序中,通過(guò)引紙狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)的邏輯控制進(jìn)行引紙或運(yùn)行速度選擇。在操作屏設(shè)置參數(shù)中可以對(duì)程序中的速度斜坡函數(shù)加速時(shí)間和減速時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)紙品和復(fù)卷機(jī)工藝的要求設(shè)置加速時(shí)間和減速時(shí)間為100～180 s。對(duì)后底輥設(shè)定的速度進(jìn)行斜坡輸出,將得到的線速度斜坡輸出值轉(zhuǎn)換為6RA70直流調(diào)速器輸出的標(biāo)稱(chēng)值,從而對(duì)后底輥進(jìn)行速度控制。后底輥速度控制程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

前底輥的速度跟隨后底輥的速度,后底輥的速度斜坡輸出值作為前底輥的速度給定值。在引紙狀態(tài)下,前底輥的速度給定值和后底輥的速度給定值相同,并且對(duì)前底輥轉(zhuǎn)矩值不進(jìn)行限幅；在運(yùn)行狀態(tài)下,前底輥的速度給定值是后底輥速度給定值的1.05～1.2倍。前后底輥的運(yùn)行速度為后底輥給定速

度,而前底輥的速度給定值卻未達(dá)到,目的是為了讓前底輥轉(zhuǎn)矩值達(dá)到正轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài),以便于對(duì)前底輥的正轉(zhuǎn)矩限幅進(jìn)行控制。后底輥的實(shí)際反饋值乘以前底輥轉(zhuǎn)矩剪刀差系數(shù),得到的數(shù)值作為前底輥的正轉(zhuǎn)矩限幅給定值。實(shí)際的效果是前底輥速度和后底輥速度一樣,且等于后底輥的給定速度,但前底輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩值卻比后底輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩值大,這樣形成前后底輥轉(zhuǎn)矩剪刀差效果,目的在于提高成品紙卷的緊度,達(dá)到成品紙卷的質(zhì)量要求。前底輥在引紙狀態(tài)的速度控制和運(yùn)行狀態(tài)的正轉(zhuǎn)矩限幅控制程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

為使退紙輥達(dá)到恒張力控制,就必須了解退紙輥的傳動(dòng)工藝。退紙輥的速度給定分為引紙速度給定和運(yùn)行速度給定。退紙輥的引紙速度給定值和后底輥的引紙速度給定值相同,目的是保持相同的引紙速度,但必須在操作屏設(shè)置正確的退紙輥直徑。退紙輥的運(yùn)行速度給定值是反向速度給定值,在紙幅的拉動(dòng)下,退紙輥處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),才能達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài),軟件設(shè)計(jì)的程序只需控制退紙輥負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅值的大小,并保持負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅值與退紙輥的直徑成正比,即保持紙幅的張力恒定,實(shí)現(xiàn)退紙輥恒張力控制[3- 4]。退紙輥張力給定值分為停止張力給定值、引紙張力給定值和運(yùn)行張力給定值,通過(guò)程序邏輯控制進(jìn)行張力給定值選擇,通過(guò)在操作屏進(jìn)行張力加減速時(shí)間設(shè)置，將張力選擇輸出值進(jìn)行張力斜坡函數(shù)計(jì)算輸出。后底輥速度反饋值與退紙輥速度反饋值通過(guò)公式計(jì)算得到退紙輥的實(shí)時(shí)直徑。將張力斜坡輸出值與退紙輥直徑進(jìn)行公式計(jì)算,得到退紙輥負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅給定值,并將退紙輥慣量補(bǔ)償值、退紙輥電機(jī)慣量補(bǔ)償值和加減速過(guò)程中動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償值進(jìn)行計(jì)算，疊加得到退紙輥負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅給定值。將此值轉(zhuǎn)換為6RA70直流調(diào)速器輸出的負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅標(biāo)稱(chēng)值,從而對(duì)退紙輥進(jìn)行恒張力控制。退紙輥速度控制和恒張力控制設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

3 直徑計(jì)算功能程序設(shè)計(jì)

退紙輥直徑計(jì)算功能是復(fù)卷傳動(dòng)控制系統(tǒng)的重要功能,直徑計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確直接影響退紙輥的張力控制是否準(zhǔn)確,也影響退紙輥在引紙狀態(tài)時(shí)實(shí)際引紙速度是否準(zhǔn)確,也影響退紙輥的反饋轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為退紙輥的線速度是否準(zhǔn)確[5]。所以退紙輥直徑計(jì)算非常重要。退紙輥的直徑主要通過(guò)后底輥編碼器反饋轉(zhuǎn)速和退紙輥編碼器反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算,公式推導(dǎo)如下[1]：

圖3 前底輥控制程序設(shè)計(jì)圖

圖4 退紙輥控制程序設(shè)計(jì)圖

(1)

式(1)中,Vxian為紙幅的線速度；Dhou為后底輥的直徑；ihou為后底輥減速箱減速比；nhou為后底輥實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速；Dtui為退紙輥實(shí)際直徑；itui為退紙輥減速箱減速比；ntui為退紙輥實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速值。通過(guò)式(1)得知,退紙輥直徑計(jì)算和后底輥反饋轉(zhuǎn)速值、退紙輥反饋轉(zhuǎn)速值有關(guān)。復(fù)卷機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,由于紙幅拉動(dòng)的作用,前后底輥的線速度和退紙輥的線速度相同,而前后底輥的線速度和底輥直徑有關(guān)系,退紙輥的線速度和退紙輥直徑有關(guān)系,可以通過(guò)前后底輥線速度和退紙輥線速度相等的關(guān)系，由式(1)推導(dǎo)，反算出退紙輥直徑。

式(1)中,退紙輥直徑是在復(fù)卷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算的,當(dāng)退紙輥原紙卷更換或者退紙輥引紙時(shí),操作人員需要測(cè)量出退紙輥的實(shí)際直徑,并在操作屏進(jìn)行直徑預(yù)置,達(dá)到準(zhǔn)確引紙的效果。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí),程序根據(jù)后底輥和退紙輥的實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速值計(jì)算退紙輥直徑,計(jì)算結(jié)果影響退紙輥張力反饋、退紙輥線速度反饋顯示等功能。在斷紙時(shí),如果操作人員未及時(shí)停止設(shè)備,可能會(huì)導(dǎo)致退紙輥直徑計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤,為了防止此問(wèn)題發(fā)生,需要對(duì)退紙輥直徑計(jì)算結(jié)果進(jìn)行積分計(jì)算,防止直徑值突變,給生產(chǎn)帶來(lái)不便[6-7]。

4 動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償功能程序設(shè)計(jì)

在復(fù)卷傳動(dòng)運(yùn)行中,紙幅的張力通過(guò)前后底輥與退紙輥之間的線速度差形成。退紙輥直徑Dtui是時(shí)間t的函數(shù),而退紙輥直徑Dtui的變化將直接影響紙幅線速度Vxian和退輥轉(zhuǎn)矩Ttui的變化,所以復(fù)卷傳動(dòng)的運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)變過(guò)程[1],如圖5所示。

圖5 退紙輥傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

由退輥傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖及受力關(guān)系可得動(dòng)態(tài)平衡方程，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中,M動(dòng)態(tài)為加減速過(guò)程中的動(dòng)態(tài)慣量,M為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,M機(jī)為電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩,itui為退紙輥減速箱減速比,Dtui為退紙輥的直徑。為了研究方便,認(rèn)為紙幅在恒速運(yùn)行中,動(dòng)態(tài)慣量M動(dòng)態(tài)為零,電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩M機(jī)很小,可以忽略。根據(jù)發(fā)電機(jī)原理可得式(3)。

M=CMφId

(3)

式中，CM∮為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁,Id為電樞電流。

則由式(2)和式(3)可推導(dǎo)出[1]式(4)。

(4)

由式(4)可知,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,紙幅張力的控制可由電機(jī)輸出相應(yīng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。要保持張力T恒定,則退輥電機(jī)制動(dòng)電流與退卷直徑成正比例變化。但在復(fù)卷機(jī)加速或減速過(guò)程中,M動(dòng)態(tài)不能忽略,如果在復(fù)卷機(jī)加速或減速過(guò)程中忽略M動(dòng)態(tài),會(huì)造成紙幅斷裂,或成品卷斷面不齊,無(wú)法滿足成品卷的質(zhì)量要求。所以對(duì)M動(dòng)態(tài)的研究顯得尤為重要。M動(dòng)態(tài)公式推導(dǎo)如下[1]：

(5)

在數(shù)值上,dn/dt?dDtui/dt,所以式(5)可簡(jiǎn)化為如式(6)所示。

(6)

紙卷的飛輪轉(zhuǎn)矩如式(7)所示。

(7)

(8)

式(5)、式(6)、式(7)、式(8)中,b為紙幅寬度；ρ為紙張密度；Dtui為退紙輥直徑；D芯軸為退紙輥筒直徑；a為復(fù)卷機(jī)加速和減速過(guò)程中的加速度；i為退紙輥減速機(jī)減速比。通過(guò)上式推導(dǎo),可以得出復(fù)卷機(jī)在加速或減速過(guò)程中需要補(bǔ)償動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值[1.7]。

5 直流調(diào)速器的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

本課題設(shè)計(jì)采用西門(mén)子6RA70系列直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),采用CBP2通信板通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC進(jìn)行信息交互。在某造紙廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí),必須保證直流調(diào)速器的硬件接線與圖紙一致,直流調(diào)速器、直流電機(jī)和編碼器屏蔽線要牢固接地,保證電源進(jìn)線和直流輸出線絕緣良好,避免短路現(xiàn)象。通電時(shí)觀察電壓是否正確,風(fēng)機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng),通電正常后,進(jìn)行調(diào)速器參數(shù)設(shè)置,以退紙輥調(diào)速器參數(shù)設(shè)置為例,如表1所示。

表1 退紙輥調(diào)速器參數(shù)表

按照表1對(duì)退紙輥調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,設(shè)置完后進(jìn)行保存,重新通電,進(jìn)行調(diào)速器自整定調(diào)節(jié)。先將速度反饋改為EMF反饋,弱磁使能關(guān)閉,進(jìn)行電流環(huán)辨識(shí),將P051設(shè)置為25,進(jìn)行合閘運(yùn)行,觀察自整定情況是否正常。再進(jìn)行速度辨識(shí),將P051設(shè)置為26,進(jìn)行合閘運(yùn)行,觀察自整定情況是否正常。最后進(jìn)行弱磁辨識(shí),將速度反饋改為編碼器反饋,弱磁使能打開(kāi),將P051設(shè)置為27,進(jìn)行合閘運(yùn)行,觀察自整定情況是否正常。如果在辨識(shí)過(guò)程中報(bào)故障,查詢(xún)故障原因,進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

由于6RA70直流調(diào)速器具有很好的調(diào)速性能,經(jīng)過(guò)以上調(diào)試方法,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果良好,速度環(huán)和電流環(huán)運(yùn)行穩(wěn)定,達(dá)到了調(diào)速目的。在軟件編程方面采用以上理論研究成果,在實(shí)踐中取得很好的效果。特別是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能,在設(shè)備加速和減速過(guò)程中起到關(guān)鍵作用,成品紙卷端面平整,不斷紙,不打褶。達(dá)到了本設(shè)計(jì)的目的和要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的軟件編程設(shè)計(jì),在實(shí)現(xiàn)對(duì)前后底輥、退紙輥速度控制功能和轉(zhuǎn)矩限幅控制功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)退紙輥直徑計(jì)算功能和動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償功能的設(shè)計(jì)和公式推導(dǎo)做了詳細(xì)分析,在復(fù)卷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,準(zhǔn)確的退紙輥直徑計(jì)算功能是保證退紙輥張力控制的基礎(chǔ)。在復(fù)卷機(jī)加速或減速過(guò)程中,退紙輥動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償功能是保證復(fù)卷機(jī)紙幅穩(wěn)定和成品紙卷質(zhì)量的關(guān)鍵因素,通過(guò)公式推導(dǎo)可以得出退紙卷直徑和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償量之間的關(guān)系,由程序編程實(shí)現(xiàn)此功能。

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(責(zé)任編輯：常 青)

Design and Application of Drive Control System for Rewinder

MA Xiao-yu

(BaotouVocational&TechnicalCollege,Baotou,InnerMongoliaAutonomousRegion, 014030) (E-mail: mxy1976006@sina.com)

The technical key of DC drive control system of underfeed rewinder is constant tension control of the unwinding roll.In order to realize constant tension control of the unwinding roll, program design must include functions of calculation the diameter of the unwinding roll, direct tension detection compensation of the web and dynamic inertia compensation during acceleration and deceleration of the system.The drive control system of underfeed rewinder was designed based on the functions design and application mentioned above． Key words：diameter calculation; constant tension control; dynamic inertia compensation; rewinder

2016- 09- 07(修改稿)

馬曉宇女士，碩士，副教授；主要研究方向：電氣自動(dòng)控制。

TM921.51

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.01.011