復卷機傳動控制分析

王冠俊

摘 要：本文分析了復卷機傳動控制系統，介紹了復卷機傳動工藝流程，復卷機傳動系統軟件設計，復卷機的控制系統等。

關鍵詞：復卷機;傳動;控制

卷取和分切工藝廣泛應用于造紙行業、紡織行業。在造紙車間的下引紙復卷機生產過程中，經常遇到成品紙卷斷頭較多、紙卷端面粗糙、串紙現象嚴重等問題，這些問題可能是復卷機在運行過程中，紙幅張力不穩定造成的。為了改善成品紙卷的質量，提高造紙車間的生產效率，研究和改進下引紙復卷機傳動的恒張力控制系統成為技術關鍵，即能否實現退紙輥的恒定張力控制。如果達不到張力恒定的控制要求，將嚴重影響設備的運行效果，且成品紙卷質量達不到客戶要求。退紙輥的恒張力控制系統的設計主要包括以下部分： 退紙輥直徑計算功能、張力給定控制功能、直接張力檢測功能、紙幅慣量補償功能以及加減速過程動態補償功能。

一.復卷機傳動工藝流程

按照引紙方向和硬件機械結構的不同，一般意義上的復卷機有三種類型：雙底棍上引紙復卷機、雙底棍下引紙復卷機、單輥式復卷機，機械結構上這幾種復卷機的區別相對較大。

復卷機按照卷紙工藝，在機械結構上可以分為卷取部分和放卷部分。其中卷取部分由壓紙輥、紙芯、卸紙托架、前底輥、后底輥、弧形板、圓刀、舒展器、張力棍、推紙輥、引紙托架、前、后底輥電機和相應動作執行機構的氣控或液壓單元組成。壓紙輥利用本身的重力和提升氣缸或油缸時產生受力之差形成一個向下的力，這個力就是壓紙輪的壓力。前、后底輥是卷取部分的主要機構，兩個電機通過減速箱分別與前、后底輥連接在一起，用來驅動前、后底輥運轉。而圓刀一般是好幾把刀接在同一根橫軸上，其中最外面的兩把刀稱為邊刀，用于將紙邊切平，而中間的那幾把刀稱為中刀，中刀主要用來將紙幅切成成品所需的各種寬度。張力輥的兩邊機架上通常用來安裝張力傳感器，張力傳感器可以測量并反饋紙張在復卷時的實時張力，這種使用張力傳感器的張力控制稱為復卷機的直接張力控制。放卷部由退紙輥、聯軸器、退輥電機以及相應氣控單元組成。退紙輥是一個兩頭帶有聯軸器的鋼制圓輥，通過退紙輥聯軸器與減速器和退紙輥電機連在一起。生產出來的原紙卷放置在退紙架上，退紙輥上的制動裝置在斷紙時使紙卷快速制動以減少紙張損失。

當復卷機在工作的時候，放在退紙架上待復卷的紙幅從退紙輥引出，通過遞紙裝置和導紙輥，經過弧形舒展后，通過縱切圓刀，再經過弧形輥，繞過后底輥而纏卷在成品卷紙筒上，由兩個底輥驅動而牽動紙頁前進。

二.復卷機傳動系統軟件設計

復卷機程序設計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。復卷機傳動系統的軟件設計就是圍繞以上控制目的展開一系列滿足控制工藝要求的程序設計。

從后底輥控制的程序設計開始，后底輥是復卷機傳動控制系統的主點，其速度給定值由操作屏設定，在引紙過程中為引紙速度給定，在運行過程中為運行速度給定。在程序中，通過引紙狀態或運行狀態的邏輯控制進行引紙或運行速度選擇。在操作屏設置參數中可以對程序中的速度斜坡函數加速時間和減速時間進行設置，根據現場紙品和復卷機工藝的要求設置加速時間和減速時間為100～180s。

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，并且對前底輥轉矩值不進行限幅; 在運行狀態下，前底輥的速度給定值是后底輥速度給定值的1.05～1.2倍。前后底輥的運行速度為后底輥給定速度，而前底輥的速度給定值卻未達到，目的是為了讓前底輥轉矩值達到正轉矩限幅狀態，以便于對前底輥的正轉矩限幅進行控制。后底輥的實際反饋值乘以前底輥轉矩剪刀差系數，得到的數值作為前底輥的正轉矩限幅給定值。實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，但前底輥實際轉矩值卻比后底輥實際轉矩值大，這樣形成前后底輥轉矩剪刀差效果，目的在于提高成品紙卷的緊度，達到成品紙卷的質量要求。

為使退紙輥達到恒張力控制，就必須了解退紙輥的傳動工藝。退紙輥的速度給定分為引紙速度給定和運行速度給定。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，但必須在操作屏設置正確的退紙輥直徑。退紙輥的運行速度給定值是反向速度給定值，在紙幅的拉動下，退紙輥處于制動狀態時，才能達到負轉矩限幅狀態，

軟件設計的程序只需控制退紙輥負轉矩限幅值的大小，并保持負轉矩限幅值與退紙輥的直徑成正比，即保持紙幅的張力恒定，實現退紙輥恒張力控制。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行張力給定值，通過程序邏輯控制進行張力給定值選擇，通過在操作屏進行張力加減速時間設置，將張力選擇輸出值進行張力斜坡函數計算輸出。后底輥速度反饋值與退紙輥速度反饋值通過公式計算得到退紙輥的實時直徑。將張力斜坡輸出值與退紙輥直徑進行公式計算，得到退紙輥負轉矩限幅給定值，并將退紙輥慣量補償值、退紙輥電機慣量補償值和加減速過程中動態慣量補償值進行計算，疊加得到退紙輥負轉矩限幅給定值。將此值轉換為調速器輸出的負轉矩限幅標稱值，從而對退紙輥進行恒張力控制。

三.復卷機的控制系統

復卷機通常具有4 個主要的控制參數，分別為線壓、兩底輥電流、張力以及車速。這4 個參數主要是對紙卷的硬度有產生影響，在不斷增加車速的情況下，會降低紙卷的硬度，這主要是因為紙卷當中進入較多空氣。大多數企業都是將車速進行固定。以下介紹線壓、兩底輥電流、張力對紙卷硬度的影響及其控制。

（一）線壓

復卷機的線壓主要是底輥與紙卷之間的線壓力，復卷機線壓影響紙卷硬度主要表現在隨著線壓的不斷增加也相應增加了紙卷的硬度，隨著線壓的不斷減小也相應減小了紙卷的硬度。

（二）兩底輥電流

為實現成紙卷硬度可控制，做到內緊外松，兩底輥實際運行的負荷需要剪刀差控制，即兩輥的給定速差按成紙卷的直徑從小變大作一定的調整，使兩輥的負荷差隨成卷直徑變化。

（三）復卷機的張力

主要是指退卷部與卷取部之間紙頁每米寬度所受的拉力（單位N/m），主要是通過退卷部放卷電機進行控制，張力對紙卷硬度的影響主要表現在增加紙頁張力和紙卷硬度，減小紙頁張力和紙卷硬度。

引紙期間，不需要人工控制張力，系統會按照算法進行張力自動投入或者解除，自動調節。這樣可以有效簡化操作步驟，加強可靠性以及工作效率。在實際運行期間，按照紙張性能，需要設定合適的張力，之后不需要進行額外操作。按照內核建立的數學控制模型，全程自動匹配對應的放卷扭矩，無論卷徑大小，無論快慢，無論加速減速，均能保持穩定的張力。

（四）速度和加速度

S 曲線控制主車速，對于每一個主傳動點都通過優化補償算法，確保計算的精確度，這樣即使加減速度處于較高狀態，也能夠實現較好的速度跟隨性。

（五）成紙卷停車

一種是按照預先設定的成卷紙長度，提前計算停車時間點，使得停車后的累計長度與設定值一致;還有一種是設定成紙卷直徑，自動提前計算停車時間點。

參考文獻：

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

[2]孟彥京，尹海.基于PROFINET的復卷機自控系統[J].化工自動化及儀表，2011（ 10）： 1247.

[3]王紅艷.高速復卷機電控系統的設計[J].紙和造紙，2014，33（ 2）：12.