造紙機(jī)電氣傳動(dòng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的探討

曹俊濤 楊超勇

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，造紙機(jī)電氣傳動(dòng)也有了新的進(jìn)步，作為人類文明的一項(xiàng)重要內(nèi)容，造紙機(jī)電氣傳動(dòng)水平的提高，有助于生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。下面我們就對造紙機(jī)電氣傳動(dòng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢展開分析和探討。

【關(guān)鍵詞】造紙機(jī)；電氣傳動(dòng)；傳動(dòng)現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，在造紙機(jī)發(fā)展過程中通過借助智能控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷提升自身的自動(dòng)化發(fā)展水平，促進(jìn)造紙機(jī)呈現(xiàn)出高速化、大型化、高效化的發(fā)展趨勢。同時(shí)造紙機(jī)的同步控制整體運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，受外界干擾作用相對較大，具備強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)，對速度鏈控制有非常高的要求?？梢酝ㄟ^紙張成型原理將造紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)分為網(wǎng)部、壓榨、前干燥、施膠、后干燥、壓光和卷紙等幾個(gè)不同方面，都借助異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證線速度同步，就是車速變化傳動(dòng)點(diǎn)速度也需要與其保持同步變化。

1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)的現(xiàn)狀

從六十年代開始，我國的紙機(jī)傳動(dòng)開始采用模擬系統(tǒng)的直流可控硅調(diào)速，對老的發(fā)電機(jī)組或總軸傳動(dòng)進(jìn)行改造。當(dāng)時(shí)的直流可控硅調(diào)速是單閉環(huán)，系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性都比較差，技術(shù)力量強(qiáng)的企業(yè)可以掌握，收到了改造的預(yù)期效果；技術(shù)力量薄弱的企業(yè)就出了問題，維護(hù)跟不上，出了故障不能及時(shí)排除，使抄造率有所下降，不同程度受到損失?！吨袊旒垺冯s志為此發(fā)了?？夹g(shù)性能比單閉環(huán)優(yōu)越得多，一下子改變了紙機(jī)傳動(dòng)可控硅應(yīng)用的被動(dòng)局面，受到了廣大用戶的普遍歡迎。雙閉環(huán)系統(tǒng)不僅在造紙機(jī)械上使用，還廣泛用在軋鋼、紡織等各行各業(yè)，為可控硅的應(yīng)用開辟了廣闊前景，風(fēng)靡了二十世紀(jì)七十、八十兩個(gè)年代。八十年代后期，由于國產(chǎn)元器件質(zhì)量不斷下降，制造廠無論在元件篩選上，還是制造工藝、出廠調(diào)試等環(huán)節(jié)上都不能嚴(yán)格把關(guān)，使產(chǎn)品質(zhì)量有所下降，使用單位開始反映雙閉環(huán)系統(tǒng)不可靠、不穩(wěn)定的新問題。就使用單位本身而言，由于紙機(jī)車速不斷提高，非木材纖維的比例不斷增加，新工人逐漸增多，維護(hù)水平有所下降，以致好多機(jī)臺不能正常生產(chǎn)。模擬系統(tǒng)面臨著新的挑戰(zhàn)，紙機(jī)對電氣傳動(dòng)提出了新的要求，希望有精度、可靠性、穩(wěn)定性都更高的系統(tǒng)問世。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，國外研制成一種全新概念的全數(shù)字調(diào)速技術(shù)，精度比模擬系統(tǒng)高1一2個(gè)數(shù)量級，達(dá)0.01%，調(diào)試簡單，維修方便，可靠性和穩(wěn)定性都是模擬系統(tǒng)無法比擬的。銀鴿公司率先從西門子公司全套引進(jìn)了全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，淘汰了原來從ABB公司引進(jìn)的模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，車速提高到1140m/min，由于穩(wěn)定性和可靠性的提高，沒有因?yàn)殡姎獠环€(wěn)定而斷紙的現(xiàn)象，使抄造率大大提高，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)發(fā)展趨勢

2.1 變頻調(diào)速同步控制

造紙生產(chǎn)過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)的工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍，適應(yīng)生產(chǎn)不同紙張定量的需要。對于脫水能力和干燥能力一定的紙機(jī)，在生產(chǎn)不同定量的紙頁時(shí)，工作車速需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整：紙張定量高時(shí)，車速要低；而定量低時(shí)，車速要高。

2.2 復(fù)卷機(jī)變頻傳動(dòng)控制

第一張力控制：對紙張力進(jìn)行控制的方法有非常多，比較常見的為電氣控制，而電氣控制又分為直接和間接兩種張力控制方式。其中間接張力控制的方式主要是通過對退紙輥電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率進(jìn)行控制，使得其保持恒定。而在間接張力控制方面常見的張力控制方法分為電機(jī)的反電動(dòng)勢恒定和電樞的電流恒定，可以在保持電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢和電流兩者乘積恒定的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)數(shù)值的可變性。第二點(diǎn)壓力控制：通過對壓紙輥液壓缸的壓力進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對紙卷和底輥壓力的控制，在紙卷直徑逐漸增大的同時(shí)減少壓紙輥液壓缸的壓力，獲取均衡壓力。第三點(diǎn)轉(zhuǎn)矩控制：在對紙卷直徑進(jìn)行加大過程中，需要逐漸減小前底輥轉(zhuǎn)矩，逐漸增大底輥轉(zhuǎn)矩，保證成品紙卷的質(zhì)量能夠達(dá)到生產(chǎn)要求。第四復(fù)卷機(jī)停車控制，可以通過直徑、長度、手動(dòng)停車等幾種不同的停車方式停車，目前這幾種停車方式中應(yīng)用比較廣泛的是定長停車。

2.3 紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我們的選型原則是：優(yōu)化設(shè)計(jì)，程序通用化，界面美觀化，使整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。紙機(jī)控制系統(tǒng)采用交流變頻傳動(dòng)控制，三級控制方式。第一級為驅(qū)動(dòng)級，變頻器采用臺達(dá)公司vFD-B系列高功能，向量型交流變頻器，由閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第二級為PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-300PLC，S7-300與變頻器組成RS485總線控制網(wǎng)絡(luò)，通訊速率最高可達(dá)19.2kbit/s，并完成自動(dòng)卷取及輔助部分的機(jī)電一體化功能；第三級為上位控制系統(tǒng)，采用DELL公司工控機(jī)，用于紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)紙機(jī)自動(dòng)控制。并可通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)紙機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化控制。

2.4 變頻器控制方式的介紹

現(xiàn)階段，以變頻器作為交流電機(jī)的調(diào)速裝置在造紙、冶金等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，是未來傳動(dòng)控制發(fā)展的方向。目前變頻器的控制方式主要有：為恒U/f控制；轉(zhuǎn)差頻率控制；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩控制五種。（1）恒U/f控制方式。這種控制方式是在改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)電源的電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通保持恒定。這種方式由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低的原因，在大多數(shù)范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，它也存在缺陷，在低頻時(shí)，穩(wěn)定性差，機(jī)械特性也沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能也一般。（2）轉(zhuǎn)差頻率控制方式。這種控制方式是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩或電流。當(dāng)頻率不變時(shí)，異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比，機(jī)械特性曲線為直線。該控制方式需要有速度反饋，即反饋電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)速度與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的輸出頻率。由于轉(zhuǎn)差頻率可以反映出負(fù)荷的變化，所以該方式適應(yīng)于系統(tǒng)負(fù)荷變化大的情況。（3）矢量控制（VC）方式。該控制方式的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia，Ib，Ic通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，Itl相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對速度、磁場兩個(gè)分量進(jìn)行控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義，能夠使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

2.5 全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)逐步取代模擬系統(tǒng)

從分析模擬系統(tǒng)的缺點(diǎn)和全數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以看出，全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有模擬系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)逐步取代模擬系統(tǒng)是造紙機(jī)電氣傳動(dòng)的發(fā)展趨勢。全數(shù)字調(diào)速技術(shù)發(fā)展于八十年代初期，在我國為何不能立即推廣，主要原因是新技術(shù)剛剛問世，價(jià)格昂貴，不要說中小企業(yè)不敢問津，就是效益好的大型企業(yè)也難以承受。到了八十年代末九十年代初，價(jià)格稍有下降，幾家大型企業(yè)才相繼全套引進(jìn)了全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，其價(jià)格仍是國產(chǎn)模擬系統(tǒng)價(jià)格的10倍，要想大面積推廣仍是困難的。近年來，由于國際市場不景氣，外商紛紛瞄準(zhǔn)我國市場，分析研究我國市場的潛在能力，推銷系統(tǒng)有困難，就推銷核心部件，讓我國自己成套系統(tǒng)，價(jià)格大幅度下降，只比國產(chǎn)模擬系統(tǒng)貴50%左右。從去年開始，幾家有影響的外商，在我國掀起了推銷商戰(zhàn)，不斷降價(jià)，不斷推出功能更全、價(jià)格更優(yōu)的新產(chǎn)品。

結(jié)語

總的來說隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)階段變頻技術(shù)也在逐漸的趨于成熟，以變頻技術(shù)為依托的變頻器自身的調(diào)速性能、自動(dòng)調(diào)節(jié)等諸多優(yōu)勢也更多的顯現(xiàn)出來，已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)紙機(jī)上的直流調(diào)速系統(tǒng)，促進(jìn)紙機(jī)電氣傳動(dòng)的推廣和長遠(yuǎn)發(fā)展。

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（作者單位：河南銀鴿實(shí)業(yè)投資股份有限公司）