張力控制系統(tǒng)在變頻造紙?jiān)O(shè)備中的應(yīng)用研究

徐敏XU M in

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州221140）

0 引言

造紙業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)性原材料產(chǎn)業(yè)，具有技術(shù)和資金密集以及規(guī)模效益顯著的特點(diǎn)，其產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度較大，市場(chǎng)容量和發(fā)展?jié)摿Υ?，并逐步成為拉?dòng)農(nóng)業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、化工、印刷等產(chǎn)業(yè)的重要力量，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)的造紙業(yè)主要采用大功率的SCR直流調(diào)速控制系統(tǒng)，具有能耗量大、維修復(fù)雜、抗環(huán)境能力差、安全可靠度低等缺點(diǎn)，輕則無法保證生產(chǎn)出來紙張的質(zhì)量，重則出現(xiàn)機(jī)器損壞。與原有的直流調(diào)速技術(shù)相比，交流變頻調(diào)速技術(shù)不僅具有卓越的調(diào)速性能，還具有良好的節(jié)電性能，制造工藝簡(jiǎn)便,制造成本低,填補(bǔ)了以往的技術(shù)空白，因此被廣泛應(yīng)用于造紙行業(yè)。

交流變頻調(diào)速技術(shù)目前被公認(rèn)為最有前途的交流調(diào)速方式，它繼承和發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)度高、耐用性好等。對(duì)造紙業(yè)而言，在其制造過程中，對(duì)造紙機(jī)的主要控制要求包括線速度同步、負(fù)荷分配功能。速度鏈功能以及張力控制，另外還有一些其他控制要求如爬行、緊紙、急停等。而目前在對(duì)造紙機(jī)器控制系統(tǒng)的研究中，對(duì)張力控制系統(tǒng)的研究越來越成為研究的熱點(diǎn)，張力控制系統(tǒng)可以有效地控制紙幅張力，保證其穩(wěn)定性，從而保證了紙機(jī)生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)紙幅斷裂情況。紙幅張力控制一般由直接控制和間接控制組成。其中，直接控制一般用于大型、高速紙機(jī)的張力控制。

1 造紙機(jī)工藝流程概述

按照紙張的成形過程可將造紙機(jī)分成網(wǎng)部、壓榨、前干燥、施膠機(jī)、后干燥、壓光機(jī)、卷紙機(jī)幾部分，具體結(jié)構(gòu)見圖1。在造紙過程中，流漿箱先在網(wǎng)部完成紙漿的脫水成型工作，再將紙漿運(yùn)送至壓榨部進(jìn)一步脫水，并使紙層均勻展開，接著在前干燥中烘干紙張，之后通過施膠、后干燥以及壓光、成卷，行車將紙卷吊至復(fù)卷機(jī)，對(duì)紙張切邊并分割，以滿足顧客需要。

圖1 造紙機(jī)的工藝流程

2 張力控制理論分析

張力控制一般由直接張力控制和間接張力控制組成。直接張力控制通過張力傳感器對(duì)張力數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，有效地調(diào)節(jié)了兩個(gè)分部之間的速差值，使紙幅的張力最終達(dá)到了期望值。直接張力控制法具有精確度高、控制效果好、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但與此同時(shí)，這種方法的成本較高，不適合一些低速、小型造紙機(jī)的張力控制。而間接張力控制主要通過電氣調(diào)節(jié)的方法有效地補(bǔ)償了紙頁(yè)間的張力，它實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)點(diǎn)機(jī)械特性的軟化。因此，在日常生產(chǎn)中，人們多采用直接張力控制的方式控制紙幅張力。

2.1 張力檢測(cè)原理

在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，一般將張力傳感器安裝在紙幅導(dǎo)紙輥的支撐軸下方，在檢測(cè)時(shí)只檢測(cè)水平方向的張力值。當(dāng)紙幅通過導(dǎo)紙輥時(shí)，其張力就被分解為垂直和水平方向的力，具體情況見圖2。

將紙張的總張力設(shè)置為F，設(shè)導(dǎo)紙輥和軸承的重力為G，紙幅的夾角為α、β，則有：

圖2 張力檢測(cè)原理

α、β角可以測(cè)得，紙幅的張力值F根據(jù)張力傳感器的值可以計(jì)算出來，為提高檢測(cè)精度，通常在導(dǎo)紙輥兩端各安放一個(gè)張力傳感器，測(cè)量值經(jīng)處理器處理后所得平均值送PLC。

2.2 直接張力控制的實(shí)現(xiàn)

基于PLC的張力控制原理如圖3所示。

圖3 直接張力控制原理圖

首先先按照（2）式公式計(jì)算出輸出速度給定值，再比較張力給定值和張力檢測(cè)值的大小，及時(shí)調(diào)整速度給定，進(jìn)而調(diào)整矢量變頻器的輸出頻率。要想進(jìn)行直接張力控制，就必須保證變頻器的調(diào)節(jié)性能良好以及計(jì)算精確，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

式中：D——輥?zhàn)又睆剑╩）；f——變頻器頻率給定（Hz）；V——紙機(jī)工作車速（m/min）；p——電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；i——傳動(dòng)點(diǎn)的總機(jī)械傳動(dòng)比。

3 張力控制MATLAB仿真

整個(gè)張力控制過程如圖4所示，當(dāng)張力實(shí)測(cè)值不等于張力給定值時(shí)，應(yīng)采用給速度鏈增加附加速度的方式，有效避免紙幅出現(xiàn)過緊或過松的情況，防止斷紙的出現(xiàn)。

已知期望張力值為65N。PID參數(shù)kp=0.5，ki=0.3，kd=0.6。仿真結(jié)果如圖5所示，由圖可知，初始時(shí)紙張張力為64.3N，運(yùn)行25s后到達(dá)穩(wěn)定值65N。仿真實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)完全滿足張力控制要求。

圖4 張力控制過程示意圖

圖5 張力控制MATLAB仿真結(jié)果

4 總結(jié)

綜上所述，為進(jìn)一步提高造紙機(jī)的安全性和穩(wěn)定性，防止紙幅斷裂情況的出現(xiàn)。本文就張力控制系統(tǒng)在變頻造紙?jiān)O(shè)備中的應(yīng)用做了詳細(xì)的分析和研究，并提出了張力控制系統(tǒng)張力控制的兩種類型，同時(shí)還進(jìn)行了仿真模擬。本文通過Matlab軟件環(huán)境下，Simulink工具箱對(duì)張力控制的仿真模擬，有效地分析和驗(yàn)證了其最終運(yùn)行結(jié)果，從而驗(yàn)證了張力控制系統(tǒng)應(yīng)用于變頻造紙?jiān)O(shè)備的可行性。

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