張 敏，黃啟煌，董劍瑞

（廣東理工學(xué)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(yè)。造紙機把紙漿制作成紙張。該設(shè)備一般是將漿料運送到網(wǎng)部進行脫水、再經(jīng)由烘干部進行烘干、最后壓光以及卷取，實現(xiàn)成品紙的生產(chǎn)。因此，造紙機的主要組成部分包括了網(wǎng)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(xié)調(diào)，容易出現(xiàn)斷紙、不同紙厚等問題。

隨著我國電力電子技術(shù)、機械制造技術(shù)和高性能驅(qū)動器的發(fā)展，造紙工藝得到了大幅度的改進，線軸結(jié)構(gòu)逐漸演變成獨立的交流分段驅(qū)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(qū)動器驅(qū)動，所有的分段驅(qū)動器通過主參考命令同步。這種系統(tǒng)在負載擾動期間，擾動部分的速度將瞬間降低，直到驅(qū)動控制裝置能夠?qū)⑵浠謴?fù)到參考速度。本文闡述分段式傳動紙機結(jié)構(gòu)及傳動操控系統(tǒng)，結(jié)合PLC、變頻器等控制器件，利用威綸觸摸屏設(shè)計可視化監(jiān)控頁面，方便操作人員參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場監(jiān)控等。

1 分段式傳動紙機的結(jié)構(gòu)

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

壓榨部的作用就是用擠壓方式把紙幅內(nèi)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(zhì)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(zhì)量，烘干部的設(shè)備主要是多組烘缸。在經(jīng)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(fā)掉，使成型濕網(wǎng)在該部分被鞏固。烘干部包括主要包括前烘干與后烘干，經(jīng)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?shù)炔僮鳌?/p>

2 分段式傳動紙機的操控系統(tǒng)

典型的造紙機中傳動點主要包括：真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥與傳動導(dǎo)網(wǎng)輥、傳遞壓榨、施膠機、壓光機與卷紙機等。根據(jù)造紙機的類型和傳動速度之間的差異性，傳動點數(shù)量有所不同。紙機傳動操控系統(tǒng)就是對各傳動點內(nèi)驅(qū)動的電機進行相應(yīng)的控制，當造紙機處于運行狀態(tài)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(wěn)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(chǎn)過程中，多電機同步控制是造紙機控制系統(tǒng)設(shè)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(qū)動特性不匹配、運行過程系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化、摩擦、間隙等導(dǎo)致系統(tǒng)非線性[3，4]。各臺電機實際運行速度需要根據(jù)生產(chǎn)要求及規(guī)律來完成控制，如紙幅存在張緊時，相應(yīng)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(yīng)該相應(yīng)降速，否則會出現(xiàn)紙幅斷裂，給實際生產(chǎn)帶來很大的不便及損失。整個生產(chǎn)過程中，由于各傳動點實時速度的調(diào)節(jié)均無法單獨進行，這讓紙機整體速度的操控呈現(xiàn)出鏈式結(jié)構(gòu)，也就是速度鏈，造紙機速度鏈結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 速度鏈結(jié)構(gòu)

速度鏈中的所有傳動點都是根據(jù)負荷分配組內(nèi)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(nèi)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(nèi)部設(shè)置的，在主鏈內(nèi)部設(shè)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(jù)上級主點實時速度進行相應(yīng)的調(diào)整。子鏈內(nèi)部的從點，其運行的實時速度是參考負荷分配組內(nèi)的主點而確定的，并在主點實際運行速度的基礎(chǔ)上完成自身速度的調(diào)整，從而完成造紙機內(nèi)部速度鏈整體有效操控，為造紙機整體穩(wěn)定的運行提供基礎(chǔ)條件。速度的調(diào)節(jié)采用調(diào)節(jié)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(chǎn)需求的速度比跟生產(chǎn)紙的品種、輥徑等有關(guān)，需要進一步計算。

2.2 負荷分配控制

在整個造紙過程中，網(wǎng)部功能的實現(xiàn)主要是利用了真空伏輥以及驅(qū)網(wǎng)輥完成相應(yīng)的驅(qū)動操作，壓榨部的驅(qū)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(qū)動負載，這樣的系統(tǒng)就是多電機型的傳動控制系統(tǒng)。對紙機中的多電機式傳動分部有效控制，應(yīng)當保持關(guān)聯(lián)傳動輥實際運行速度相同，完成各個傳動電機內(nèi)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(chǎn)過程或產(chǎn)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(tài)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(tǒng)中，重點要實現(xiàn)負荷之間的分配操控。

多電機式傳動系統(tǒng)內(nèi)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(dǎo)致其處于相同速度的時候，可能出現(xiàn)部分電機負載過大、部分電機負載過小，進而導(dǎo)致有的電機出現(xiàn)過載，有的電機出現(xiàn)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(zhuǎn)矩T 等參數(shù)作為檢測量表示電機實際負荷，實踐中，根據(jù)具體情況選擇合適的檢測量作為負荷的分配依據(jù)，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(jié)點，用于維持穩(wěn)定的速度，其他從節(jié)點通過調(diào)節(jié)輸出頻率控制輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)過程中，張力應(yīng)當控制在成形網(wǎng)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(chǎn)生飄動，成形網(wǎng)則無法實現(xiàn)輥筒轉(zhuǎn)動的有效驅(qū)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(wǎng)子實際使用壽命。在紙幅經(jīng)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(xiàn)較大改變。如果張力較大，超出一定值時會導(dǎo)致紙張斷裂，張力過小則會出現(xiàn)飄動，造成起皺以及脫邊等現(xiàn)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(zhì)量得不到保障。要有效避免上述問題造成的不良影響，應(yīng)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(zhì)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(dǎo)紙輥上安裝紙幅張力傳感器，張力傳感器所測的信號經(jīng)過自身的信號處理器進行濾波、放大、轉(zhuǎn)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(jīng)程序處理運算后，得到一個張力偏差值，該偏差值經(jīng)過PLC 內(nèi)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(zhuǎn)速，實現(xiàn)張力的閉環(huán)控制，保證成紙質(zhì)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(jiān)控設(shè)計

在造紙機的生產(chǎn)過程中，采用PLC 構(gòu)成自動控制系統(tǒng)，控制造紙過程中的制漿、造紙和存儲、運輸?shù)炔僮?，同時，對造紙設(shè)備重要的運行參數(shù)及狀態(tài)進行實時監(jiān)測[8]。紙機操控系統(tǒng)的直接參與者是現(xiàn)場操作人員，他們能夠經(jīng)過觸摸屏監(jiān)控畫面實時監(jiān)控紙機實際運行狀態(tài)，應(yīng)當完成各傳動點的啟停操控、速度調(diào)整、能完成紙幅的繃緊以及松弛等控制，且調(diào)節(jié)速度能夠具備較高精度及快速的反應(yīng)。系統(tǒng)調(diào)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(diào)試時能夠獨立運行，但當投入生產(chǎn)時要求能聯(lián)合運行。由于要求紙機實際運行狀態(tài)與運行數(shù)據(jù)要顯示在組態(tài)設(shè)計畫面中當中，能實現(xiàn)可視化監(jiān)控，因此PLC 控制系統(tǒng)與人機界面和變頻器間應(yīng)當完成實時通訊。

用戶界面與監(jiān)控功能由組態(tài)軟件實現(xiàn)控制界面設(shè)計，此處以驅(qū)網(wǎng)輥為例，設(shè)計組態(tài)監(jiān)控畫面，進行組態(tài)過程操作介紹，其仿真畫面如圖4 所示。在系統(tǒng)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(lián)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(shù)據(jù)監(jiān)測，界面中包含了：變頻器頻率設(shè)定與設(shè)備實際運行數(shù)據(jù)、動作數(shù)據(jù)、反饋值數(shù)據(jù)等。

圖4 驅(qū)網(wǎng)輥可視化監(jiān)控界面

4 結(jié)語

本文闡述的分段驅(qū)動造紙機，采用三菱FX3U-64MT 可編程控制器作為控制器，結(jié)合三菱E700 變頻器實現(xiàn)造紙機的傳動點自動化變頻調(diào)速，讓生產(chǎn)的效率實現(xiàn)全面地提升[9]。同時通過威綸通觸摸屏進行現(xiàn)場監(jiān)控，整個控制系統(tǒng)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(chǎn)損失，造紙機運行效果好，這將以良好的精度和可重復(fù)性滿足行業(yè)的要求。當發(fā)生故障時，不需要對電路進行復(fù)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(tǒng)可靠性高。