卷紙機間接張力控制的原理及實現

李明輝， 柴德喜(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021)

0 引言

卷紙機是造紙機的最后一個設備，位于造紙機的末端，用來把紙幅卷成紙卷，卷紙機的性能好壞，直接影響紙的卷取緊度及質量，并影響紙的貯存和下一步的加工性能。目前大多數紙機采用圓筒卷紙機，其操作方便，能卷取較大直徑的紙卷。圓筒卷紙機屬于表面卷取方式，被卷的紙卷被圧靠在被驅動的卷紙缸上，借摩擦力帶動來卷紙，卷紙缸面的線速恒定，使紙卷有均勻的卷取緊度。由于該卷紙方式唯一依靠表面摩擦力工作，所以可按照卷紙的實際需要，立即產生最大的可達到的張力。圖1是紙機上常用的一種導軌式圓筒卷紙機。

1 工作原理

蓄熱張力控制使紙頁得以及時舒展和平整，減少折子和斷頭，紙張質量品質的變化都會在不同程度上影響紙張的拉伸度。用一般的速差控制難以適應紙張品質的變化，而張力控制卻能很好地解決這一難題。

圖1 導軌式圓筒卷紙機

圖2 卷紙缸傳動示意圖

圓筒式卷紙機傳動結構如圖2所示，由于卷紙缸和紙卷之間的摩擦力是一對作用力和反作用力，可作為內力處理，但隨著紙卷半徑的增大，紙卷的慣量對卷紙缸動態轉矩的影響比較明顯。

圖2中:T——紙幅張力;

D——卷紙缸直徑;

n——卷紙缸轉速;

i——齒輪傳動比;

M機——機械摩擦阻力矩;

M動態——卷紙缸動態轉矩。

1.1 張力的產生

從卷紙機運行特點可知，卷紙機的控制關鍵在于對卷取張力的控制上。設卷取前一分部壓光機的線速度為v1，卷紙機的線速度為v2，則產生的紙幅張力為

式中:T——紙張承受的張力;

L——卷紙機和壓光機兩傳動點間的距離;

Y，S——紙張的彈性模量、截面積。

從式(1)張力的產生來看:要使張力恒定，必須保持線速度恒定。根據v=πdn，要使v恒定，必須使電機轉速n∝1/d，即N∝1/M，可見卷紙機的負載特性為恒功率負載特性。由于張力波動是由線速度波動引起的，所以從直觀來看，張力恒定即線速度恒定，而欲使線速度恒定，就需卷取功率為恒定值。因此，恒張力控制、恒線速度控制、恒功率控制在本質上是相同的。按張力控制方式的不同，可分為間接張力控制與直接張力控制兩種。

1.2 間接張力控制

所謂間接張力控制，就是不檢測卷取張力的大小，只對張力主要擾動量進行補償，間接達到控制卷取張力恒定的目的。張力的擾動分析:張力主要是通過兩個傳動單元之間的線速度差形成的，卷取過程是一個動態的時變過程。根據傳動結構圖中受力關系，建立動態平衡方程。

式中:M——電動機電磁轉矩;

M機——電動機及傳動機構空載轉矩和摩擦轉矩;

M動態——動態力矩;

i——變速比;

D——卷紙缸直徑。由式(2)、(3)可得出:

從理論上分析，由于i和D為常數，當采用恒轉矩控制M為定值時，式(4)具有自衡特性。假定卷紙機前一分部壓光機的速度v1不變，當卷紙機穩態運行時，M動態=0，張力T保持恒定;當實際張力T減小時，由于電磁轉矩M和機械摩擦轉矩M機為定值，則M動態＞0，使卷紙機加速，從而使張力T增大;同樣，當實際張力 T增大時，則M動態＜0，使卷紙機減速，從而使張力T減小。這樣就構成了基于負反饋的張力閉環控制，如圖3所示，使張力保持穩定。

圖3 張力自動調整原理示意圖

實際上，卷紙機因機械安裝精度、動平衡、紙卷直徑的變化等因素會造成轉矩、轉速的不同程度的波動，而且卷紙機前一分部壓光機的速度v1也不是定值，這些因素都直接影響間接張力控制的效果，尤其是卷紙機的動平衡對轉矩的影響最為明顯。如果能把這些因素限定在較小的范圍之內，間接張力控制方案雖達不到直接張力控制的效果，但在成本上有明顯的優勢。在實際的工程應用上，可以忽略動態力矩波動的影響，認為恒張力卷取時，式(4)右邊的第三項即動態力矩為零，把M機也看作為常數，這樣張力T就正比于電機的輸出轉矩M，恒張力控制就轉化為恒轉矩控制。

2 采用ACS800變頻器實現間接張力控制的方法

如前所述，在卷紙機穩定運行后將其控制方式由速度控制切換為轉矩控制，就可實現其恒張力控制功能。ABB公司的ACS800變頻器采用先進的直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)技術，內置直流電抗器，從而降低進線電源的高次諧波含量，最大起動轉矩可達200%的電機額定轉矩;ACS800的動態轉速誤差，閉環時為0.05%，靜態精度為0.01%。動態轉矩的階躍響應時間，閉環時達到1～5 ms，即使不使用任何來自電機軸上的速度反饋，傳動單元也能進行精確的轉矩控制。圖4顯示了在使用DTC時的典型的轉矩控制性能曲線，選用ACS800變頻器可較理想地滿足卷紙機張力控制的需要。

圖4 ACS800轉矩控制特性

圖5所示為某紙機卷紙機設計的間接張力控制操作界面。該紙機采用PROFIBUS-DP現場總線系統控制ACS800系列變頻器，由人機界面、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、變頻器組成三級控制網絡。其卷紙機的控制原理為起動、引紙采用速度控制模式，引紙完成后按下操作屏上的“投張”按鍵，卷紙機傳動由速度控制模式切換到轉矩控制模式，能夠自動調整卷取和壓光之間的紙幅張力。操作人員還可根據實際紙幅運行狀況通過“張力增”“張力減”按鍵調整設定張力大小。當出現斷紙時，速差限幅具有防飛車和自動失張功能，卷紙機自動切換到速度控制模式，速差限幅值一般設定在10～30 m/min。該紙機正常生產后張力控制精度在5%以內，能夠滿足卷紙機對卷取張力控制的要求。

圖5 某卷紙機間接張力控制操作界面

3 結語

該卷紙機間接張力控制方法被應用于某1760/350長網多缸造紙機上，取得了令人滿意的效果。這種張力控制方法不足之處如下:(1)帶轉動機械而不帶紙幅運轉時，變頻器的實際轉矩有一定的上下波動現象，由此帶來所控制的張力產生相應波動，造成所控制的張力不夠精確;(2)紙卷從空卷到成卷逐步增大的過程中卷紙系統的負荷有一定程度的增大，造成所控制的紙幅張力逐步減小，但可通過操作面板的張力調整按鍵來調整。由于成本上的極大優越性，該張力控制模式還非常適合中小型卷紙機的間接張力控制。

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