分段傳動造紙機的電氣傳動及可視化監控設計

張 敏，黃啟煌，董劍瑞

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526100）

0 引言

造紙工藝是采用纖維含量小于0.5%的紙漿懸浮稀釋液進行脫水的大型作業。造紙機把紙漿制作成紙張。該設備一般是將漿料運送到網部進行脫水、再經由烘干部進行烘干、最后壓光以及卷取，實現成品紙的生產。因此，造紙機的主要組成部分包括了網部、壓榨部件、烘干部件、壓光部件及卷取部件等。造紙機采用直線軸傳動的運動控制方法。直線傳動在各種工況下不易保持協調，容易出現斷紙、不同紙厚等問題。

隨著我國電力電子技術、機械制造技術和高性能驅動器的發展，造紙工藝得到了大幅度的改進，線軸結構逐漸演變成獨立的交流分段驅動器，從而將直線軸傳動紙機改為分段式傳動紙機[1]。分段式傳動紙機布置簡單，每個機械部分由一個完全控制的驅動器驅動，所有的分段驅動器通過主參考命令同步。這種系統在負載擾動期間，擾動部分的速度將瞬間降低，直到驅動控制裝置能夠將其恢復到參考速度。本文闡述分段式傳動紙機結構及傳動操控系統，結合PLC、變頻器等控制器件，利用威綸觸摸屏設計可視化監控頁面，方便操作人員參數設定、現場監控等。

1 分段式傳動紙機的結構

分段傳動造紙機使用單獨的傳動裝置和電機，其電氣傳動的工藝流程如圖1 所示。

圖1 分段式傳動紙機電氣傳動的工藝流程

網部也稱之為成形部，是紙的形成的開始。首先，在紙漿內的纖維經由沉積作用，在網面中形成濕紙，由于濕紙水分超過了95%，隨后要經強制性的脫水，讓濕紙能夠有一定的強度與干度，可以由網面中剝離出來。網部的組成部分主要分為真空伏輥、驅網輥與導網輥。

壓榨部的作用就是用擠壓方式把紙幅內部所含水分最大程度上的擠出來，使紙幅能夠具備較高的干度，確保整個紙張表面的質量，強化紙張整體緊實度，壓榨部分為真空式吸移輥與真空式壓榨輥。烘干部主要負責紙張水分的去除，提升成紙張的質量，烘干部的設備主要是多組烘缸。在經由壓榨部進行擠壓之后，成紙中的水分很難再被擠壓出，故在烘干部，利用紙幅和烘缸外表面之間的接觸，使成紙中的水分能夠被蒸發掉，使成型濕網在該部分被鞏固。烘干部包括主要包括前烘干與后烘干，經兩次烘干后，一般能夠讓成紙當中水分的含量降低5%～8%。

施膠部主要目的在于避免液體滲漏，確保紙幅表面具有良好的性能，施膠部中包括了施膠的上輥與下輥。壓光部安裝于后烘干部的后面，壓光部主要負責紙幅整體平滑度、光澤度以及緊實度的增強，校正成紙的厚度以及確保成紙的均勻。一般而言壓光部中包含有2-10 根完整的壓光輥[2]。卷取部是造紙機中的最后的一個組成部分，卷取部件的功能就是完成整副紙張的卷紙工藝，使其能夠便于存儲及運輸等操作。

2 分段式傳動紙機的操控系統

典型的造紙機中傳動點主要包括：真空伏輥、驅網輥與傳動導網輥、傳遞壓榨、施膠機、壓光機與卷紙機等。根據造紙機的類型和傳動速度之間的差異性，傳動點數量有所不同。紙機傳動操控系統就是對各傳動點內驅動的電機進行相應的控制，當造紙機處于運行狀態的時候，要求整機盡量處于速度、負載的恒定，通過選擇速度鏈控制、負荷分配、張力控制等方式確保造紙機平穩而可靠地運行。

2.1 速度鏈控制

在分段式傳動造紙機的整個生產過程中，多電機同步控制是造紙機控制系統設計的重點和難點。同步性能往往會受一些因素的影響，例如：負載擾動、電機驅動特性不匹配、運行過程系統參數發生變化、摩擦、間隙等導致系統非線性[3，4]。各臺電機實際運行速度需要根據生產要求及規律來完成控制，如紙幅存在張緊時，相應地要減緩傳動點的運行速度，同時，該點后面的全部傳動點應該相應降速，否則會出現紙幅斷裂，給實際生產帶來很大的不便及損失。整個生產過程中，由于各傳動點實時速度的調節均無法單獨進行，這讓紙機整體速度的操控呈現出鏈式結構，也就是速度鏈，造紙機速度鏈結構圖如圖2 所示。

圖2 速度鏈結構

速度鏈中的所有傳動點都是根據負荷分配組內部的實際位置進行分類的，即：總主傳動點、主傳動點與從傳動點?？傊鼽c的速度也就是紙機運行的整體車速，它是其他所有各個傳動點速度的基準。造紙機內部速度鏈中包括了主鏈和子鏈，總主點以及主點都是在速度鏈中的主鏈內部設置的，在主鏈內部設置的各主點的實時速度就是由上級主點的實時速度所帶動的，再根據上級主點實時速度進行相應的調整。子鏈內部的從點，其運行的實時速度是參考負荷分配組內的主點而確定的，并在主點實際運行速度的基礎上完成自身速度的調整，從而完成造紙機內部速度鏈整體有效操控，為造紙機整體穩定的運行提供基礎條件。速度的調節采用調節速比的方法進行，一般情況下用計算的方法來計算本分部的速度，但該值的大小并不是確定不變的。通過改變變頻器的頻率達到控制各紙輥速度的目的，且不同生產需求的速度比跟生產紙的品種、輥徑等有關，需要進一步計算。

2.2 負荷分配控制

在整個造紙過程中，網部功能的實現主要是利用了真空伏輥以及驅網輥完成相應的驅動操作，壓榨部的驅動則主要是利用上壓榨輥配合下壓榨輥擠壓完成操作的，當造紙機運行至這些部分時，傳動輥之間就會存在不同力度之間的有效耦合，電機才能驅動負載，這樣的系統就是多電機型的傳動控制系統。對紙機中的多電機式傳動分部有效控制，應當保持關聯傳動輥實際運行速度相同，完成各個傳動電機內部所承受的實際負載和額定功率之間的互相匹配，也就是各電機有相同負載率。如果沒有辦法滿足便會影響到生產過程或產品本身，在電機因為負荷不夠均勻而長時間的保持過載或輕載狀態的時候，就會嚴重地損害電機整體性能。所以在多電機式傳動控制系統中，重點要實現負荷之間的分配操控。

多電機式傳動系統內部負荷不均的原因是電機基本機械特性的差異性。一個完整的負荷式分配組當中，若干電機因為不同的機械特性，導致其處于相同速度的時候，可能出現部分電機負載過大、部分電機負載過小，進而導致有的電機出現過載，有的電機出現輕載。分配負荷控制主要目的就是讓傳動電機有相同的負載率，可通過電機功率P、電機電流I 或電機轉矩T 等參數作為檢測量表示電機實際負荷，實踐中，根據具體情況選擇合適的檢測量作為負荷的分配依據，達到使電機負載率相同的目的。造紙機采用交流異步電動機作為動力源，其具體的交流電機負荷分配做法為：在負荷分配中選取其中一臺作為負荷分配的主節點，用于維持穩定的速度，其他從節點通過調節輸出頻率控制輸出轉矩，完成負荷分配的硬件可以是負荷分配控制器或PLC 控制器，這兩類方法都運行可靠且造價較低[5]。

2.3 張力控制

在造紙機的生產過程中，張力應當控制在成形網實際的可控范圍當中，如果張力過小，由于紙幅受力不夠而產生飄動，成形網則無法實現輥筒轉動的有效驅動；如果張力過大，不僅紙張可能撕裂，同時還會降低輥筒與網子實際使用壽命。在紙幅經由施膠、壓光以及卷取等分部的時候，水分含量接近成品紙實際水分含量，紙幅的伸縮性比濕紙少；同時，傳動輥間存在較大的速差變化的時候，紙幅張力同樣會出現較大改變。如果張力較大，超出一定值時會導致紙張斷裂，張力過小則會出現飄動，造成起皺以及脫邊等現象，這些情況都會對造紙機中的硬件部分造成損耗，同時使紙幅的質量得不到保障。要有效避免上述問題造成的不良影響，應當對造紙機進行張力控制，使紙幅張力處于安全范圍當中，確保造紙效率與紙幅質量。其工作示意圖如圖3 所示，張力的控制方法即在各張緊導紙輥上安裝紙幅張力傳感器，張力傳感器所測的信號經過自身的信號處理器進行濾波、放大、轉換等處理后送到PLC 控制模塊，再疊加觸摸屏上輸入的張力給定值，經程序處理運算后，得到一個張力偏差值，該偏差值經過PLC 內部的PID 控制器處理后的控制量送入變頻器，從而改變變頻器的輸出頻率，達到改變電機轉速，實現張力的閉環控制，保證成紙質量及成紙效率[6，7]。

圖3 張力控制示意

3 造紙機的可視化監控設計

在造紙機的生產過程中，采用PLC 構成自動控制系統，控制造紙過程中的制漿、造紙和存儲、運輸等操作，同時，對造紙設備重要的運行參數及狀態進行實時監測[8]。紙機操控系統的直接參與者是現場操作人員，他們能夠經過觸摸屏監控畫面實時監控紙機實際運行狀態，應當完成各傳動點的啟停操控、速度調整、能完成紙幅的繃緊以及松弛等控制，且調節速度能夠具備較高精度及快速的反應。系統調試中，造紙機可以用較低的速度爬行運行，在負荷分配中各個傳動點調試時能夠獨立運行，但當投入生產時要求能聯合運行。由于要求紙機實際運行狀態與運行數據要顯示在組態設計畫面中當中，能實現可視化監控，因此PLC 控制系統與人機界面和變頻器間應當完成實時通訊。

用戶界面與監控功能由組態軟件實現控制界面設計，此處以驅網輥為例，設計組態監控畫面，進行組態過程操作介紹，其仿真畫面如圖4 所示。在系統界面中進行的操控動作主要包括了：停止操作、啟動操作、單動操作、聯動操作、前后爬升操作、加速操作與減速操作等。同時，為方便實時數據監測，界面中包含了：變頻器頻率設定與設備實際運行數據、動作數據、反饋值數據等。

圖4 驅網輥可視化監控界面

4 結語

本文闡述的分段驅動造紙機，采用三菱FX3U-64MT 可編程控制器作為控制器，結合三菱E700 變頻器實現造紙機的傳動點自動化變頻調速，讓生產的效率實現全面地提升[9]。同時通過威綸通觸摸屏進行現場監控，整個控制系統省時省力，人機界面的引入也使非熟練工人更容易操作。同時該機操作所需人力少，無生產損失，造紙機運行效果好，這將以良好的精度和可重復性滿足行業的要求。當發生故障時，不需要對電路進行復雜跟蹤，所有的命令都可以通過人機界面給出，可視化操作效果好，系統可靠性高。