劉棟

（西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)，廣東 廣州 510620）

1 引言

超級(jí)壓光機(jī)是利用軟輥把經(jīng)過高溫壓區(qū)受熱變軟的紙頁壓帖在光滑的金屬熱輥面上，使紙的緊度趨于一致，并使其有非常均勻、精致的平滑表面。作為紙頁后續(xù)加工的超級(jí)壓光機(jī)，可以改變紙的表面物性，使其達(dá)到印刷要求。如今超級(jí)壓光機(jī)的設(shè)計(jì)理念已有了較大突破，朝著高速法，全自動(dòng)化方向快速發(fā)展，紙卷飛接技術(shù)得到應(yīng)用并日益成熟，可實(shí)現(xiàn)全日不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而大大提高生產(chǎn)效率。本文以VOITH Janus MK 2TM型超級(jí)壓光機(jī)為例就壓光機(jī)不停機(jī)飛接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)展開論述。

2 系統(tǒng)介紹

如圖1 所示，VOITH Janus MK 2TM型超級(jí)壓光機(jī)由放卷區(qū)，壓區(qū)，冷缸區(qū)與卷紙區(qū)等四部分組成。原紙從放卷裝置處經(jīng)引紙輥進(jìn)入壓區(qū)，依次通過2 堆5 輥4 壓區(qū)后進(jìn)入冷缸區(qū)冷卻后最后入卷紙區(qū)中心輥收卷。

圖1 超級(jí)壓光機(jī)概圖［2］Fig.1 The sketch map of super calender［2］

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

放卷區(qū)域主要由紙卷存儲(chǔ)軌道、放卷機(jī)架、放卷主傳動(dòng)、空輥提升臂、飛接壓紙輥、導(dǎo)紙輥和安全光柵等組成，該區(qū)域主要是用來對(duì)大紙卷進(jìn)行解卷。紙卷存儲(chǔ)軌道上可以暫存多個(gè)大紙卷，在此處可以準(zhǔn)備飛接用的大紙卷，或回抄打底損紙。放卷機(jī)架可以進(jìn)行左右移動(dòng)，對(duì)紙幅居中以提高放卷質(zhì)量。安全光柵用來保護(hù)設(shè)備安全及人身安全，一旦人進(jìn)入相關(guān)區(qū)域?qū)?bào)警提醒。

壓區(qū)上共有10 根輥，頂?shù)纵仦榭煽刂懈咻?，中間幾個(gè)輥分別為鋼輥與膠輥。膠輥內(nèi)部通有溫水，用于控制膠輥的溫度，范圍為45°～60°。鋼輥內(nèi)部通有熱水，用于控制鋼輥的溫度，其范圍為50°～160°。

冷缸區(qū)域由兩根輥組成，內(nèi)部通有冷水，起到冷卻紙幅的作用。

卷取區(qū)域主要由修邊切刀、QCS 掃描架、Sensomat 機(jī)架、卷取機(jī)架、空輥架、空輥置入臂、紙卷輸送軌道、二次傳動(dòng)退卷臂及安全光柵等組成。卷取區(qū)域主要是對(duì)大紙卷進(jìn)行修邊，QCS 掃描架對(duì)紙幅上下光澤度，厚度，水分進(jìn)行檢測(cè)，卷取傳動(dòng)對(duì)壓后的紙幅進(jìn)行卷取，也可以對(duì)大紙卷進(jìn)行飛接或換卷。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

VOITH Janus MK 2TM型超級(jí)壓光機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用SIEMENS SINAMICS S120 高性能變頻器和SIEMENS COMPACT_P 系列高性能變頻電機(jī)。傳動(dòng)系統(tǒng)采用公共直流母線交流方案，整流裝置使用SINAMICS S120 大功率整流回饋裝置 SLM，逆變器使用 SINAMICS S120 Motor Module。

超級(jí)壓光機(jī)在快速啟動(dòng)、停止以及中間連續(xù)調(diào)速過程中必須保證紙幅張力的穩(wěn)定，否則收卷的紙幅就會(huì)卷曲、折疊甚至斷裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。為了調(diào)整紙幅的張力，保持紙幅恒定的松緊度，在放卷輥后，卷取輥前，冷缸前及壓區(qū)中間分別安裝了一臺(tái)ABB 枕式張力傳感器參與紙幅的張力控制。超級(jí)壓光機(jī)傳動(dòng)集合了速度控制、張力控制、速度軟化控制等傳動(dòng)控制模式。放卷主傳動(dòng)在引紙時(shí)為速度控制，當(dāng)紙引入中心輥后紙幅張力上升到一定值后切換成張力控制。壓區(qū)上半部分（1 壓區(qū)）鋼輥傳動(dòng)為速度控制，壓區(qū)下半部分（2 壓區(qū)）鋼輥在引紙時(shí)為速度控制，當(dāng)壓區(qū)閉合后為張力控制。壓區(qū)其余的膠輥傳動(dòng)為速度控制。冷缸傳動(dòng)在引紙時(shí)為速度控制，當(dāng)壓紙輥閉合后為張力控制。卷紙中心輥傳動(dòng)在引紙時(shí)為速度控制，當(dāng)紙引入中心輥后紙幅張力上升到一定值后切換成張力控制。

3 飛接功能的實(shí)現(xiàn)

超級(jí)壓光機(jī)的飛接功能就是要求在不停機(jī)的工況下，上一個(gè)原紙卷放完卷之際，壓光機(jī) DCS 控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)接合機(jī)械系統(tǒng)能自動(dòng)完成下一個(gè)新紙卷的接入。控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)飛接功能，相互之間的通信信號(hào)如1 表所示。

表1 壓光機(jī)DCS 控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)之間的通信信號(hào)Tab.1 The communication signals between DCS and driver system

關(guān)鍵幾個(gè)控制信號(hào)時(shí)序圖如圖2 所示。

圖2 關(guān)鍵控制信號(hào)時(shí)序圖Fig.2 The sequence diagram of key control signals

3.1 放卷區(qū)域的飛接

大紙卷在放卷站上放卷，當(dāng)其紙幅被放出預(yù)先規(guī)定的長度后，開始進(jìn)入飛接流程，超級(jí)壓光機(jī)的整個(gè)車速開始降速，直至飛接車速（一般設(shè)置為40 m/min），放卷機(jī)架的擺動(dòng)開關(guān)關(guān)閉，并使放卷機(jī)架居中，放卷提升臂在液壓裝置的作用下開始下降，到達(dá)一定位置后逐步夾緊大紙卷連軸器，然后放卷輥傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器打開，與大紙卷分離。接著放卷站夾臂打開，提升臂將大紙卷提起。從紙卷存儲(chǔ)軌道上過來一個(gè)新的母紙卷，放卷輥傳動(dòng)電機(jī)的聯(lián)軸器插入該紙卷后并將大紙卷從靜止加速至飛接車速。大紙卷加速到飛接速度后，飛接輥將放完卷后的大紙卷上的尾紙壓向新的大紙卷上，然后將放卷后紙卷上的紙切斷，同時(shí)壓區(qū)打開以便新的大紙卷上的紙幅通過壓區(qū)。被抬升起的空的卷紙輥用行車吊走。

3.2 放卷輥傳動(dòng)的控制

對(duì)于放卷輥傳動(dòng)來說，在飛接過程中的控制是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。放卷輥傳動(dòng)電機(jī)只有在引紙時(shí)或者飛接與紙卷分離時(shí)才是電動(dòng)力矩狀態(tài)，在正常工作時(shí)，為了保持紙幅的張力在一定的數(shù)值，它長期處于制動(dòng)力矩狀態(tài)，所以在引紙時(shí)，放卷輥傳動(dòng)的速度為爬行速度，當(dāng)控制系統(tǒng)給傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出“開始飛接速度”命令后，放卷輥傳動(dòng)電機(jī)開始降速，在整個(gè)降速這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，放卷輥傳動(dòng)是屬于張力控制模式，當(dāng)其速度到達(dá)飛接速度后，進(jìn)入飛接工序，放卷輥傳動(dòng)的張力調(diào)節(jié)器關(guān)閉，進(jìn)入到速度控制模式，此時(shí)壓區(qū)打開，放卷站夾臂打開，提升臂開始夾住紙輥，放卷輥傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器與紙輥分離，隨后減速至停止。隨后新的大紙卷進(jìn)入到放卷輥傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器位置，在飛接時(shí)，當(dāng)放卷輥傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器要接入大紙卷時(shí)，要用點(diǎn)動(dòng)速度，如下圖3 所示。當(dāng)一次臂傳動(dòng)（放卷輥）電機(jī)聯(lián)軸器還未接入大紙卷時(shí)，該傳動(dòng)電機(jī)以很低的速度正向，反向來回轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)聯(lián)軸器接合大紙卷后，傳動(dòng)電機(jī)速度給定值為零，停止正向，反向來回轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)給傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出“飛接結(jié)束”命令后延時(shí)1 s，放卷輥傳動(dòng)張力調(diào)節(jié)器激活，由速度控制切換為張力控制。

圖3 放卷輥傳動(dòng)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)速度原理邏輯圖Fig.3 The jog speed logic diagram of unwinder driver

為了防止傳動(dòng)電機(jī)輸出力矩過大在接合大紙卷過程中損壞聯(lián)軸器，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行限幅，輸出轉(zhuǎn)矩的上、下限幅為額定轉(zhuǎn)矩的15%或者更低。

當(dāng)進(jìn)入到壓光工序時(shí)，放卷輥傳動(dòng)速度給定值要為零，而通過張力調(diào)節(jié)器的輸出與張力給定值限制放卷輥傳動(dòng)力矩輸出的下限幅來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩，給予紙幅的適度的反向拉力。

3.3 卷取區(qū)域的飛接

飛接開始后，放卷機(jī)架擺動(dòng)開關(guān)關(guān)閉，接著放卷機(jī)架開始居中，二次臂中心輥傳動(dòng)馬達(dá)移到初始位置，加載臂移動(dòng)到水平位置，整個(gè)壓光機(jī)開始降速到飛接車速，二次臂中心輥傳動(dòng)代替一次臂中心輥傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)大紙卷，加載臂在卷紙輥存儲(chǔ)架上取得一空卷紙輥，sensomat 機(jī)架向后移動(dòng)，二次臂中心輥傳動(dòng)將卷好后的大紙卷拖到第二位置，加載臂將空輥放入卷取站，鎖緊臂將其鎖緊，加載臂移回原始位置。Sensomet 壓紙輥壓向空卷紙輥，放卷部開始飛接，飛接輥移到等待位置。預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間到后，紙幅被飛接輥上的鋸齒刀切斷并在吹氣管的作用下卷取到空輥上，卷取部換卷過程結(jié)束。大紙卷在移出臂的作用下，從第二位置移向紙卷輸送軌道的中間存儲(chǔ)站。

3.4 卷紙區(qū)域傳動(dòng)的控制

卷紙區(qū)域共有3 個(gè)主傳動(dòng)，如圖4 所示。分別為sensomet（壓紙輥）傳動(dòng)，一次臂中心輥傳動(dòng)和二次臂中心輥傳動(dòng)。

圖4 卷紙區(qū)域前視圖［1］Fig.4 The front view of rewinder［1］

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)接收到來自控制系統(tǒng)的命令“開始飛接速度”后，卷紙區(qū)中心輥主傳動(dòng)電機(jī)開始減速，當(dāng)速度降到飛接速度（40 m/min），將反饋信號(hào)“飛接速度達(dá)到”給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)命令二次臂中心輥傳動(dòng)速度與一次臂傳動(dòng)同步，一旦二次臂傳動(dòng)與一次臂傳動(dòng)的速度同步后，二次臂聯(lián)軸器開始去連接此時(shí)正在由一次臂傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的大紙輥，如果二次臂傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器與大紙卷接合成功，承荷大紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)逐步從一次臂傳動(dòng)轉(zhuǎn)到二次臂傳動(dòng)上來，也就是說，一次臂傳動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩逐步減少，二次臂傳動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩逐步增加，但兩者輸出的總的轉(zhuǎn)矩要保持穩(wěn)定不變。這樣對(duì)紙的張力就會(huì)保持不變。當(dāng)一次臂傳動(dòng)的輸出力矩下降到零后，它的聯(lián)軸器將與大紙卷分離，然后降速停車。二次臂傳動(dòng)電機(jī)帶著大紙輥以飛接的速度繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)在移動(dòng)小車的帶動(dòng)下移出到行車可吊裝位置?？蛰佂ㄟ^加載臂下降到一次臂傳動(dòng)電機(jī)所在的水平位置后，一次臂傳動(dòng)電機(jī)的聯(lián)軸器在點(diǎn)動(dòng)速度控制下接入空輥，控制系統(tǒng)發(fā)送命令“同步一次臂傳動(dòng)電機(jī)速度”，一次臂傳動(dòng)電機(jī)再次啟動(dòng)并上升到飛接速度，當(dāng)紙幅在風(fēng)管強(qiáng)風(fēng)吹掃下卷取到空輥上后，控制系統(tǒng)發(fā)出命令“一次傳動(dòng)電機(jī)承荷起負(fù)載”，此次一次臂傳動(dòng)將由先前的速度控制切換為張力控制，承載的轉(zhuǎn)矩從二次臂傳動(dòng)轉(zhuǎn)移到一次臂傳動(dòng)上來。飛接結(jié)束后，二次臂傳動(dòng)帶著大紙卷降速至停車，一次臂傳動(dòng)將升速到工作車速。

4 飛接過程中關(guān)鍵難點(diǎn)的解決途徑

4.1 飛接過程中紙幅張力的控制

放卷區(qū)域在飛接過程中，有兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)紙幅張力產(chǎn)生很大的影響，一個(gè)是當(dāng)放卷提升臂夾住大紙輥，同時(shí)放卷輥傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器與大紙輥分離時(shí)，另外一個(gè)是在放卷提升臂夾住的大紙輥與放卷輥傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的大紙輥紙幅粘合的過程中。同樣在卷紙區(qū)域，一次臂傳動(dòng)與二次臂傳動(dòng)在換卷時(shí)也會(huì)對(duì)紙幅張力產(chǎn)生影響。為了盡可能的降低對(duì)紙幅張力的影響，圖5 所示需要對(duì)壓光機(jī)4 個(gè)區(qū)域段內(nèi)（放卷，壓區(qū)，冷缸，卷紙）的張力控制在不同工序階段作出調(diào)整。

圖5 超級(jí)壓光機(jī)張力控制分布圖Fig.5 The tension control sketch map of super calender

在正常工作（壓光）階段，四個(gè)區(qū)域的傳動(dòng)系統(tǒng)張力調(diào)節(jié)器的張力設(shè)定值要根據(jù)紙幅繃緊的程度作出相應(yīng)的設(shè)置，但是進(jìn)入到飛接工序時(shí)，由于壓區(qū)打開，紙幅通過放卷傳動(dòng)馬達(dá)把紙幅放出，中間經(jīng)過壓區(qū)，冷缸區(qū)及至抵達(dá)卷紙輥被收卷，中間沒有被任何外界設(shè)備壓貼。所以前三個(gè)張力調(diào)節(jié)器要關(guān)閉，而且關(guān)閉的順序必須依次為：壓區(qū)，然后冷缸區(qū)，最后放卷區(qū)，但是卷紙區(qū)張力調(diào)節(jié)器不能關(guān)閉，這樣在飛接開始前，能保證在壓區(qū)打開之際，紙幅依然保持適度繃緊狀態(tài)。同時(shí)在飛接過程中，張力設(shè)定值要降到原來值的0.75 倍，因?yàn)轱w接時(shí)，在所有壓區(qū)打開的情況下紙幅不能繃得太緊，否則放卷區(qū)域的紙幅很難銜接。當(dāng)飛接過程結(jié)束后，四個(gè)區(qū)域的張力設(shè)定值要回歸到原值，張力調(diào)節(jié)器激活的順序必須依次為：放卷區(qū)，然后壓區(qū)，最后是冷缸區(qū)。

4.2 飛接過程中換卷時(shí)卷紙區(qū)域一次臂傳動(dòng)與二次臂傳動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩的控制

飛接過程中，一次臂傳動(dòng)與二次臂傳動(dòng)經(jīng)歷從單一驅(qū)動(dòng)紙輥到同時(shí)驅(qū)動(dòng)紙輥再到單一驅(qū)動(dòng)紙輥過程，這個(gè)對(duì)傳動(dòng)控制帶來了難度，如果任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)的輸出力矩控制不好都會(huì)造成聯(lián)軸器無法接入紙卷，或者拉斷紙幅等故障。所以對(duì)這一次臂，二次臂傳動(dòng)的輸出轉(zhuǎn)矩的控制成為關(guān)鍵。

飛接工序開始后，當(dāng)從放卷區(qū)域過來的紙幅接頭抵達(dá)中心輥后，二次臂傳動(dòng)的輸出轉(zhuǎn)矩被限制在15%以內(nèi)，這樣為了防止傳動(dòng)電機(jī)輸出力矩過大在接入大紙輥的過程中損壞聯(lián)軸器，一旦二次臂傳動(dòng)聯(lián)軸器成功接入到大紙輥后，將反饋狀態(tài)信號(hào)“二次臂傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器與大紙卷接合”給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)立即給出命令“二次臂傳動(dòng)電機(jī)承荷起負(fù)載”給傳動(dòng)系統(tǒng)，由紙幅張力產(chǎn)生的負(fù)載將轉(zhuǎn)移到二次臂傳動(dòng)電機(jī)上，由于二次臂傳動(dòng)此時(shí)已經(jīng)由速度控制切換為張力控制，速度處于超調(diào)狀態(tài)，所以我們通過紙幅張力設(shè)定值可以計(jì)算出轉(zhuǎn)矩值，紙幅張力體現(xiàn)在傳動(dòng)上的力矩關(guān)系為：

式中：Tq為 轉(zhuǎn)矩，N?m ；Tn為 張力，N?m ；W為紙幅寬度，m；D為輥直徑，m。

根據(jù)這個(gè)公式將紙幅張力換算成力矩值，再把這個(gè)力矩值作為二次臂傳動(dòng)輸出力矩的上限幅，這樣就可以二次臂傳動(dòng)輸出適度的力矩拉緊紙幅。

當(dāng)負(fù)載全部轉(zhuǎn)移到二次臂傳動(dòng)電機(jī)上后，一次臂傳動(dòng)輸出的力矩要限制為0，并通過液壓裝置將聯(lián)軸器與大紙卷分離。隨后當(dāng)一次臂傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)軸器要接入空輥芯時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩也要被限制在15%以內(nèi)。當(dāng)控制系統(tǒng)給出命令“一次傳動(dòng)電機(jī)承荷起負(fù)載”，此時(shí)的一次臂傳動(dòng)電機(jī)由速度控制切換為張力控制，輸出轉(zhuǎn)矩的上限幅的計(jì)算同樣根據(jù)前面的公式所述。

5 結(jié)論

超級(jí)壓光機(jī)不停機(jī)飛接技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，控制的對(duì)象多而且精度要高，涉及到PLC 控制系統(tǒng)，變頻傳動(dòng)系統(tǒng)以及液壓等機(jī)械系統(tǒng)。通過我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，不斷修正參數(shù)，終于實(shí)現(xiàn)了能夠無需人干預(yù)，能自動(dòng)正確完成更換紙卷，運(yùn)行狀態(tài)良好，大大節(jié)約了時(shí)間，提高了工作效率。目前這套方案在國內(nèi)多個(gè)超級(jí)壓光機(jī)項(xiàng)目上得到了成功的應(yīng)用。

［1］Operation Manual Janust MK 2TMVoith 02/2010.

［2］SINAMICS S120 Commissioning Manual10/2011.

［3］SINAMICS S120 Function Manual 10/2011.