基于干毯輥傳動的紙機控制系統研究與設計

孟彥京　吳　超

(陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021)

?

基于干毯輥傳動的紙機控制系統研究與設計

孟彥京吳超*

(陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021)

摘要：結合干毯輥傳動系統的構成,分析了其控制系統中電控環節的難點,重點分析和設計了干毯輥傳動控制系統的負荷分配和速差保護。利用速度反饋微差法實現造紙過程中負載的均衡分配,從而降低了故障率,保證了紙品的質量。此外,在實際使用中證明了該設計具有良好的效果。

關鍵詞：干毯輥傳動系統；負荷分配；速差保護

在傳統的紙機干燥過程中,濕紙幅通過張緊的干毯包裹,緊壓在充滿熱蒸汽的烘缸上。紙幅在烘缸之間交替通過時,水分從紙幅與烘缸的接觸側蒸發，紙幅得以干燥,通常一組烘缸利用一系列相互聯動的齒輪進行傳動[1]。隨著紙機運行速度的加快、幅寬變寬,對于烘缸齒輪傳動系統而言,往往會出現以下問題：①由于負荷增加、疲勞磨損和微動磨損等影響,不可避免地造成烘缸齒輪多次損壞,使故障率提高、操作難度增加；②對于原有紙機改造時,烘缸電機和減速箱不再適用；③烘缸齒輪的進一步增加,使得傳動噪音大大增加[2]。鑒于以上問題,結合目前國內外紙機傳動現狀,本課題對基于干毯輥傳動的紙機控制系統進行研究與設計，以實現造紙過程中負載的均衡分配。

1干毯輥傳動簡介[3]

1985年,Nekoosa造紙公司計劃對位于美國威斯康星州的4#紙機進行改造時,提出了干毯輥傳動方案。在該方案中,取消了烘缸部相互聯動的齒輪,通過毛毯向烘缸傳遞能量,并驅動烘缸,而毛毯則由中部的干毯輥驅動,同時毛毯還要向紙張提供一定的壓力。干毯輥傳動示意圖如圖1所示,圖1中的實心圓為干毯輥,其具體工藝是將所有烘缸分成上下兩層,上毛毯用于驅動上層烘缸,下毛毯用于驅動下層烘缸,上下兩層烘缸要用校正系統使其同步運行。

圖1　干毯輥傳動示意圖

由于干毯輥傳動取消了烘缸的齒輪,簡化了紙機傳動側,從而減少了在烘缸齒輪和傳動小齒輪方面的投資,并降低了故障率、減少了傳動噪音[4]。但是機械上的簡化,必然會增加電控上的難度。由于烘缸為大慣性負載,在啟動時不僅要滿足負載轉矩,還要為克服慣性額外增加啟動轉矩,在干毯輥傳動系統中,根據工藝與實際要求,需要盡可能選擇少的傳動點來滿足其運行要求。此外,為了避免毛毯被扯斷,要求毛毯和烘缸在不產生相對滑動的條件下,盡可能地提供有效的傳動力。因此，對于同一層烘缸而言,其由多個干毯輥同時拖動,對于多電機驅動同一負載,則必須進行負荷分配；同時為了保護毛毯,干毯輥之間需進行速差控制。對于不同層烘缸而言,由于紙幅在烘缸之間交替通過,故要求上下兩層烘缸之間必須進行速差控制,從而保護紙幅。

2干毯輥傳動的特性分析

2.1干毯輥傳動的負荷分配

由圖1可知,在干毯輥傳動系統中,與傳統紙機控制系統中將烘缸作為傳動點的情況不同,此處將烘缸和紙幅共同作為負載,并由多個干毯輥同時拖動,而干毯輥則成為干燥部的傳動點。

在干毯輥傳動系統中,多個干毯輥電機軸之間通過毛毯連接且共同驅動烘缸,因此必須進行負荷分配。與傳統干燥部系統中轉矩瞬間完成傳遞不同,由于毛毯具有彈性,干毯輥電機軸之間轉矩的傳遞先要經過毛毯的拉伸,才能作用到另一臺電機的電機軸上,使得另一臺電機的轉矩發生變化。

在干毯輥傳動系統中,與壓榨等分部的負荷分配過程中轉矩瞬間完成傳遞相比,干毯輥部從點的轉矩響應時間遠小于毛毯傳遞轉矩的時間,進而導致從點轉矩響應與負載變化不同步,將使負荷分配的控制過程出現振蕩,故傳統的轉矩限幅式負荷分配方式無法適用于干毯輥部。與網部的負荷分配相比,雖然干毯輥部也是由多個電機同時拖動毛毯的,但是干毯輥部還需驅動烘缸等大慣性負載,故傳統的Droop功能同樣無法適用于干毯輥部。此外,為避免烘缸啟動瞬間的電機過流狀況,還要測取干毯輥的實際響應曲線,整定其變頻器PID參數,使其響應曲線達到最佳。

圖2　干毯輥轉矩傳遞示意圖

圖2描述了干毯輥轉矩傳遞的情況,且主傳動點與從傳動點之間以毛毯軟連接的方式耦合在一起。設主從傳動點間的距離為l(m),毛毯拉伸率為δ(%),毛毯運行的線速度為vl(m/min)。當主傳動點的轉矩發生變化時,經過時間Δt傳遞給從傳動點[5],具體關系見式(1)。

(1)

目前大多數變頻器其轉矩響應時間t0只有1～2ms,如果從點采用轉矩限幅控制方式,其t0將遠小于Δt。因此,從點的動作快于毛毯張力的變化,將不可避免地出現振蕩,且表現為毛毯間歇式的張緊與松弛。由于從點轉矩響應與負載變化不同步,當負荷波動時,從點會時而加速時而減速,導致轉速無法穩定,從而造成毛毯和紙幅損壞。

2.2干毯輥傳動的速差保護

2.2.1同一層烘缸的速差保護

對于同一層烘缸而言,在毛毯與烘缸間不產生相對滑動的條件下,根據胡克定律可知,在毛毯的彈性范圍內,毛毯產生的張力大小取決于毛毯的形變量[6]。當干毯輥的主傳動點與從傳動點都采用速度控制時,毛毯形變量取決于相鄰兩傳動點的速差,此時該張力有極限值,一旦超出此值將會扯壞毛毯，其張力計算見式(2)。

f=k·Δv·t

(2)

式中,f為張力,k為彈性系數,Δv為速差。因此,為了保護毛毯,需要在干毯輥間加入速度控制,且當速差超出范圍時,需進行報警處理。

根據干燥部工藝要求,在不扯斷毛毯的前提下,應盡可能地獲取毛毯的最大張力,以達到驅動烘缸的目的。對于干毯輥傳動系統而言,毛毯與傳動輥的包角大小已知,毯輥間的靜摩擦系數一定,烘缸側張力示意圖如圖3所示。

松邊毛毯張力計算見式(3)。

T2=T1eμα

(3)

圖3　烘缸側張力示意圖

式中,T1為緊邊毛毯張力(N/m),T2為松邊毛毯張力(N/m),μ為靜摩擦系數,α為毛毯包角(rad)。

毛毯的張力差計算見式(4)。

ΔT=T2-T1=T1(eμα-1)

(4)

由牽引力法可知,給定張力差的輸出功率見式(5)。

hp=ΔT·ω·vp

(5)

式中,hp為輸出功率(kW),w為毛毯寬度(m),vp為紙機車速(m/min),且hp僅取決于兩者之間的張力差。

綜上可得：

(6)

式中,K=k·t·w·vp·(eμα-1)為常數,即當紙機的規格確定后K亦得以確定。因此，為了獲取環狀毛毯的最大張力,應盡可能地將速差逼近其極限值。

圖4　控制系統結構示意圖

2.2.2不同層烘缸的速差保護

對于不同層烘缸而言,如圖1所示,假設紙幅從烘缸下分部a處進入并從b處傳出,再進入烘缸上分部c處。若b處速度快且c處速度慢,則會造成紙幅堆積褶皺；若b處速度慢且c處速度快,則會造成紙幅拉扯斷裂。因此,需要利用上下層烘缸之間的速度控制來保護紙幅。

為避免紙幅出現褶皺和斷裂,在紙張繃緊的前提下,應盡量使上下層烘缸在b、c兩處的速度匹配,從而保證上下層烘缸同步運行。

3基于干毯輥傳動的紙機控制系統設計實例

以云南建水某造紙廠的工程為例,按照紙機設計方案及客戶要求,采用干毯輥傳動,紙機幅寬為4500 mm,車速為500 m/min,傳動點18個,總設計容量為1509 kW。傳動點名稱及電機容量如表1所示。

從工程實際出發,選用Rockwell公司的AB1769-L35E作為控制系統PLC,且PLC上配有Compact Logic/1769-SDN Device Net掃描器。變頻器采用ABPF753變頻器,配有20-COMM-D網絡適配器,可與PLC進行通信?？刂葡到y結構示意圖如圖4所示。

內蒙古河套灌區位于巴彥淖爾市境內，總灌溉面積57.4×104hm2，有總干渠1條，干渠13條，分干渠48條，各級灌排渠道6.4萬km。該區屬典型溫帶大陸性氣候，夏季高溫干旱、冬季嚴寒少雪，年降雨量100～250 mm，蒸發量2 400 mm，主要種植向日葵、玉米、小麥等作物 [8-10]。根據監測，河套灌區2010—2016年單個面積大于3.33 hm2的淖爾數量平均為401個，水面面積平均101.27×102hm2。淖爾多處于低洼地，湖渠交錯，周邊耕地資源豐富。

表1　傳動點名稱及電機容量

3.1硬件設計

3.1.1變頻器硬件接線

由于干毯輥傳動的紙機比傳統烘缸齒輪傳動的紙機在機械方面簡化,不可避免地使其電控方面的要求提高。但從控制方案上來講,依然采用原有的三級控制結構。即利用PLC控制變頻器,再由變頻器驅動電機[7]。其硬件系統與原來沒有太大的變化。以1#干毯輥為例,其硬件原理圖如圖5所示。

圖5　1#干毯輥原理圖

3.1.2變頻器參數設置

(1)基本參數設置

1#干毯輥電機功率75 kW,額定電壓380 V,額定電流204 A,額定轉速1485 r/min,參數設置如表2所示。

表2　基本參數設置

(2)變頻器自整定調試

當電機控制模式為感應電機磁通矢量控制模式時,PF753變頻器可進行自整定調試,通過自整定調試以設置IR壓降、Ixo壓降、磁通電流基準值等,參數設置如表3所示。

(3)速度與轉矩控制設定

本系統中變頻器的速度由通信給定,在速度控制下設置Kp和Ki,同時為了保護變頻器和設備,必須設定速度限制值,參數設置如表4所示。

(4)通信模塊功能設定

本系統采用Device Net通信,通信模塊插入插槽,參數設置如表5所示。

3.2軟件設計

3.2.1干毯輥傳動的負荷分配設計

在干毯輥傳動系統中,對于干毯輥部負荷分配而言,既不能像壓榨部和壓光部那樣采用傳統轉矩限幅式的負荷分配方式,也不能像網部那樣采用傳統Droop功能,而是需要主傳動點與從傳動點都采用速度控制的負荷分配方式。

在實際運行過程中,需周期性地采集主從點的轉矩。當主點轉矩小于從點轉矩時,將主點轉矩作為從點轉矩的限幅值；當主點轉矩大于從點轉矩時,調用PLC內部PIDE控制模塊,以兩者之間的

表3　自整定參數設置

表4　速度與轉矩控制參數設置

表5　通信參數設置

轉矩差作為輸入,并以從點的偏差速度作為輸出,來修正從點的給定速度,從而通過微調從點的轉矩,使得從點轉矩跟隨主點轉矩,以達到負荷均衡分配的目的[8-9]。其程序流程圖如圖6所示。

圖6　負荷分配的程序流程圖

3.2.2干毯輥傳動的速差保護設計

由于工藝要求的不同,干毯輥傳動的速差保護分為同一層烘缸的速差保護和不同層烘缸的速差保護。

由式(6)可知,實際中,在進行同一層烘缸的速差保護時應先確定毛毯張力的極限值(一般由機械廠提供)。一般情況下取t=2 s,則可求得速差的極限值,再通過采集相鄰干毯輥的轉速,以求得兩者間的正偏差速度。如果兩者間的速差超過其極限值且其時間超過2 s,將停止分部并修改速度傳動比[10]。其程序流程圖如圖7所示。

圖7　同一層烘缸速差保護的程序流程圖

而對于不同層烘缸的速差保護而言,在實際中,先采集不同層相鄰干毯輥的轉速,以得到沿紙幅運行方向的不同層烘缸的速差。如果其速差不匹配(即小于設定值)且其時間超過2 s,將停止分部并置位報警位。其程序流程圖如圖8所示。

圖8　不同層烘缸速差保護的程序流程圖

4結語

以實際工程為背景,采用主從點轉速控制的負荷分配方式對基于干毯輥傳動的紙機控制系統進行設計。該方案較好地實現了負載的均衡分配,降低了故障率,達到了安全高效生產的目的。同時,也實現了干毯輥傳動的速差保護,能夠在多電機同步運行的情況下,盡量避免毛毯拉扯,即減小了紙幅的拉扯力度,從而保證了紙幅的質量。

參考文獻

[1]MENG Yan-jing. Principles and design of variable-frequency drive of paper machine[M]. Xi’an: Shaanxi People’s Publishing House, 2002.

孟彥京. 造紙機變頻傳動原理與設計[M]. 西安： 陜西人民出版, 2002.

[2]LI Zhong-chen. Damage of the Dryer’s Gears of the Larger and High Speed Paper Machine: Reasons and Remedy[J]. China Pulp & Paper, 1994, 13(5): 37.

李鐘晨. 大型高速紙機烘缸齒輪的損壞原因及其治理[J]. 中國造紙, 1994, 13(5): 37.

[3]WU An-guo. The Runnability of the Dryer Part During Felt Drive with Drying Cylinder[J]. Southwest Pulp and Paper, 1996, 25(4): 203.

伍安國. 用烘缸毛毯傳動時干燥部的運行性能[J]. 西南造紙, 1996, 25(4): 203.

[4]WU An-guo. Mechanical engineering and maintenance considerations of a felt roll driven paper machine dryer section[J]. World Pulp and Paper, 1995, 14(1): 27.

伍安國. 紙機干毯輥傳動設計與維修[J]. 國際造紙, 1995, 14(1): 27.

[5]MENG Yan-jing, ZHANG Hong-tao. Analysis of the Coupling Characteristics and Control Strategies for Multi-motor Load Dispatch[J]. Process Automation Instrumentation, 2013, 34(4): 10.

孟彥京, 張洪濤. 多電機負荷分配的耦合特性與控制策略分析[J].自動化儀表, 2013, 34(4): 10.

[6]MENG Yan-jing, DUAN Ming-liang, HAO Peng-fei, et al. Characteristics of Tension and Control Strategy of Coating Machines[J]. China Pulp & Paper, 2002, 21(1): 23.

孟彥京, 段明亮, 郝鵬飛, 等. 涂布紙板機的張力特性與控制策略[J]. 中國造紙, 2002, 21(1): 23.

[7]Rockwell Automation, Inc. PowerFlex 750-Series AC Drives Programming Manual[S]. 2013.

羅克韋爾自動化公司. PowerFlex750系列交流變頻器編程手冊[S]. 2013.

[8]MEI Ying-xin. The mathematical model and simulation of Multi-electric motor control system of synchronous balance[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2005.

梅映新. 多電機同步出力均衡控制電氣傳動系統數學建模與仿真研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2005.

[9]MENG Yan-jing, LI Hong-lei. Study on Drive Control System of High-speed Tissue Machine[J]. China Pulp & Paper, 2011, 30(6): 53.

孟彥京, 李紅壘. 高速衛生紙機傳動控制系統研究[J]. 中國造紙, 2011, 30(6): 53.

[10]Hua Zhang Technology (Tongxiang) Ltd. Engineering Center.HZ-AC3700 control system User’s manual[S]. 2013.

(責任編輯：馬忻)

·紙機控制·

Research and Design of Paper Machine Control System Based on the Dry Felt Roll Drive

MENG Yan-jingWU Chao*

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 1135223630@qq.com)

Abstract：On the basis of introducing the components of dry felt roll drive system and the difficulties of its control system, the load distribution and the speed differential protection were analyzed and designed. During the papermaking process, using speed feedback differential method achieved balanced load distribution, so as to reduce the failure and ensured the quality of the paper products. In addition, the good application results of the system has been proved by practice example.

Key words：dry felt roll drive system； load distribution； speed differential protection

通信作者：*吳超先生，E-mail:1135223630@qq.com。

收稿日期：2015- 06- 09(修改稿)

中圖分類號：TS736

文獻標識碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.012

作者簡介：孟彥京先生，博士，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動,工業現場總線技術及其在電力傳動上的應用。