造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 I 頁造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要 造紙術(shù)是我國(guó)古代四大發(fā)明之一，有著悠久的文明歷史。隨著日常生活對(duì)紙張品質(zhì)要求的不斷提高，造紙機(jī)也正向著大型、高速、高效的方向迅速發(fā)展，這就對(duì)造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的要求。面對(duì)日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)造紙業(yè)已經(jīng)步入“質(zhì)量效益主導(dǎo)型”的新階段，其中造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為保障紙張質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)引起了我國(guó)造紙企業(yè)的高度重視。首先，本文對(duì)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要的介紹，并介紹了造紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及造紙的工藝流程。接著，詳細(xì)的分析了速度鏈、負(fù)荷分配以及紙幅張力等影響電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的諸多因素

2、，并給出了造紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。通過對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)工藝的進(jìn)一步分析，計(jì)算了影響電氣傳動(dòng)品質(zhì)的相關(guān)參數(shù)。同時(shí)給出了速度鏈、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、張力需求的計(jì)算公式以及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的離散化方程。最后，根據(jù)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，給出了造紙機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中變頻器的相關(guān)參數(shù)及變頻器的選型并對(duì)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：造紙機(jī)；電氣傳動(dòng)控制；速度鏈；張力控制；交流變頻調(diào)速;變頻器 THE DESIGN OF PAPER MACHINE ELECTRICAL DRIVING SYSTEMABSTRACTPaper-making technique is one of ancient

3、 Chinas four great inventions,has a long history of civilization.With the increasing demand for paper quality,paper machine towards the development of large-scale,high-speed,efficient direction,which also put forward higher requirements for paper machine control system.With increasingly fierce marke

4、t competition, Chinese paper industry has started to enter into a new development stage of “quality and efficiency-oriented”.And the paper machine electrical driving control as the paper quality protection technology,has been widely favored by the paper companies at home.First,the article made a pre

5、sentation on the paper machine control system development in the world.At the same time,introduces the mechanical structure and the technological process of papermaking.Then analyzed the speed chain,load distribution and paper tension on the driving control system and many factors of the influence o

6、f the electrical drive control system, and give the basic requirements of the electric drive control system.In this thesis analyzed the theoretical transmission parameters of the driving system,calculated all the relevant factors affecting the transmission quality to achieve a good control effect.At

7、 the same time, the speed link,the dynamic load and the tension demand are calculated,and the electromagnetic torque of the motor is discretized.Finally,according to the application of AC variable frequency speed control system,the correlation parameters of the inverter and the converter selection o

8、f the inverter in practical application are given.And the paper makes a reasonable design for the electric drive control system of paper machine.Keywords:Paper machine;Electric drive control;Speed chain;Tension control;AC frequency converter;Frequency converter目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.1 課題研究背景11.2造紙機(jī)電氣傳

9、動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及已有成果21.3本文主要工作32造紙機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及造紙工藝流程52.1造紙機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)52.1.1 造紙機(jī)網(wǎng)部62.1.2 造紙機(jī)壓榨部62.1.3 造紙機(jī)壓光部62.1.4 造紙機(jī)干燥部和卷取部62.2 造紙工藝流程72.3 本章小結(jié)73 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制策略分析83.1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)概述83.1.1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求83.1.2造紙機(jī)傳動(dòng)功率計(jì)算83.1.3造紙機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算93.2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略分析93.2.1速度鏈控制103.2.2負(fù)荷分配控制103.2.3紙幅張力控制113.3 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制工作原理圖123.4 本章小結(jié)

10、144 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)分析154.1 紙輥電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算154.2 紙輥卷徑計(jì)算分析164.3 速度鏈計(jì)算分析164.4 紙幅張力值的估算與分析174.4.1 基于紙輥參數(shù)的紙幅實(shí)際張力估算174.4.2 張力值的估算184.4.3 張力傳感器張力值檢測(cè)184.5 本章小結(jié)195 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)215.1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算依據(jù)215.1.1 造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)215.1.2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)紙輥電機(jī)設(shè)備參數(shù)215.1.3 紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率的計(jì)算及選擇225.2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件配置235.2.1 交流變頻調(diào)速基本原理235.2.2 ACS

11、800 變頻器性能245.2.3 ACS800 變頻器主要參數(shù)設(shè)置255.2.4 變頻器的容量選擇265.3 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)275.3.1 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)275.3.2 紙輥電機(jī)的控制策略285.4 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)軟件選型305.4.1 控制系統(tǒng)概述305.4.2 S7-400H 冗余系統(tǒng)305.4.3 過程設(shè)備管理305.5 本章小結(jié)31結(jié)論32致謝33參考文獻(xiàn)34第 34 頁遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1緒論1.1 課題研究背景隨著全球造紙業(yè)及其相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，人們不僅對(duì)紙張質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)紙張依賴性也變的越來越強(qiáng)。尤其是近幾年，造紙業(yè)已

12、經(jīng)成為國(guó)際化程度非常高的行業(yè)之一，一個(gè)國(guó)家各類紙張的消費(fèi)水平，在某種程度上標(biāo)志了這個(gè)國(guó)家的文明程度。我國(guó)現(xiàn)在仍是個(gè)造紙產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是個(gè)造紙產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國(guó)，與造紙產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)造紙業(yè)還有相當(dāng)大的差距。同時(shí)我國(guó)的造紙業(yè)面臨著很大的困難，即造紙業(yè)一方面要實(shí)現(xiàn)“十二五”期間低污染、低消耗、低排放、大量推廣先進(jìn)造紙技術(shù)與造紙裝備以及提高造紙業(yè)自動(dòng)化技術(shù)水平的目標(biāo)；另一方面正遭遇著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，像國(guó)際紙頁（International Paper）、斯道拉恩索（Stora Enso）、芬歐匯川紙業(yè)（UPM）等超級(jí)造紙業(yè)集團(tuán)在我國(guó)都有造紙業(yè)投資和發(fā)展的規(guī)劃。 在造紙業(yè)中，起著保障紙張最終品質(zhì)的重要聯(lián)合

13、裝備是造紙機(jī)（Paper Machine），它可以把符合造紙?zhí)匦缘募埩侠w維懸浮液經(jīng)濾網(wǎng)成形、機(jī)械擠壓脫水、烘缸干燥、表面施膠、壓光機(jī)壓光、卷紙機(jī)卷取等過程抄制成成品紙幅，在此過程中它不僅要保證紙品優(yōu)質(zhì)性，還要滿足抄紙生產(chǎn)運(yùn)行的連續(xù)性、高效性及可控性。然而，由于造紙機(jī)實(shí)際抄紙運(yùn)行工況復(fù)雜，工作車速波動(dòng)控制要求非常嚴(yán)格，速度非常低就出現(xiàn)紙張嚴(yán)重竄邊；速度非常高就出現(xiàn)紙張的殘余應(yīng)力過大而使紙張損壞紙邊或斷頭。因此，造紙機(jī)若想制造出質(zhì)量合格的成品，其必須擁有良好的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，做到合理、高效地修正紙張實(shí)時(shí)線速度、紙輥電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩及紙幅實(shí)時(shí)張力等參數(shù)于相應(yīng)的設(shè)定值區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而來保障優(yōu)質(zhì)的紙張形態(tài)。目

14、前，為了設(shè)計(jì)出適用于制造不同紙種的造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，市面上已經(jīng)出現(xiàn)和利時(shí)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)、ABB造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)、西門子造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)以及上海華章電氣造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)現(xiàn)代造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，其中以西門子造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)最為常見，本課題也主要以國(guó)內(nèi)西門子高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)為研究和設(shè)計(jì)的對(duì)象。圖 1.1 所示為某5800/1600國(guó)內(nèi)西門子造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。 圖 1.1 5800/1600 西門子造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)1.2造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及已有成果國(guó)外的造紙業(yè)強(qiáng)國(guó)對(duì)造紙機(jī)系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了豐碩

15、的成果，尤其是大大提升了造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)整體自動(dòng)化水平，包括：操作更加方便簡(jiǎn)潔，適用于100多個(gè)紙種，實(shí)現(xiàn)了造紙、成本調(diào)控動(dòng)作過程的全自動(dòng)化，而且整個(gè)設(shè)計(jì)車速也已經(jīng)超過2000m/min，工作車速也超過了1500m/min。并且在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域，國(guó)外各大電氣傳動(dòng)集團(tuán)公司已經(jīng)設(shè)計(jì)出了用于造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制的軟件和硬件，如：西門子造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)、ABB造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)及分別針對(duì)它們最典型的西門子公司6SE70系列交流變頻器，ABB公司的ACS800交流調(diào)速變頻器。可以看出這些國(guó)外造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)不但有自己的電機(jī)交流變頻調(diào)速裝置，還有針對(duì)性很強(qiáng)的系統(tǒng)專用控制面板或軟

16、件系統(tǒng)。造紙?jiān)谖覈?guó)擁有悠久的歷史，我國(guó)也是一個(gè)造紙大國(guó)，造紙工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占的地位非常重要。目前，我國(guó)造紙工業(yè)的主要特點(diǎn)是：造紙企業(yè)數(shù)目眾多，但普遍規(guī)模較小，并且所生產(chǎn)紙張品種單一，技術(shù)含量較低，自動(dòng)化水平較低，污染也較為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的中型造紙企業(yè)大概有3000多家，這些造紙企業(yè)大多使用的都是低速造紙機(jī)，所謂低速造紙機(jī)指的是車速在300m/min以下的造紙機(jī)，并且這些造紙機(jī)控制系統(tǒng)大多采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)；對(duì)于車速在300m/min至550m/min之間的中速造紙機(jī)而言，則經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)速度鏈同步不理想以及斷紙等生產(chǎn)事故，而且均沒有考慮故障診斷和容錯(cuò)控制等問題，極易導(dǎo)致誤停車，造成生產(chǎn)事

17、故，使企業(yè)損失重大。造紙機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)內(nèi)該方面研發(fā)實(shí)力又落后于國(guó)外，因此必須加快研制高檔造紙機(jī)的速度，同時(shí)逐步完善中檔造紙機(jī)的控制系統(tǒng)，爭(zhēng)取盡快擴(kuò)大國(guó)內(nèi)造紙機(jī)械的市場(chǎng)占用率。一直以來，直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能以及負(fù)載率大等優(yōu)點(diǎn)在造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)著很大的比例。然而，直流調(diào)速系統(tǒng)也存在著很多缺點(diǎn)，比如：直流電動(dòng)機(jī)的成本比較高，電刷維護(hù)困難，有些場(chǎng)合（如防爆、防腐蝕、防潮等場(chǎng)所）不能使用等等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及智能控制理論的逐步完善和快速發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。交流變頻調(diào)速與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，其具有容量大、維護(hù)方便、節(jié)約

18、能耗以及價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)較為成熟，使交流調(diào)速系統(tǒng)也擁有了調(diào)速性能好、過載力矩和起動(dòng)力矩大、啟動(dòng)平滑等等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。另外，交流調(diào)速系統(tǒng)還具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）使用場(chǎng)合比直流調(diào)速系統(tǒng)更廣泛。 （2）安裝維護(hù)方便，能使用標(biāo)準(zhǔn)化的電機(jī)電纜。 （3）電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制變得更簡(jiǎn)單。 （4）避免了直流電動(dòng)機(jī)的電刷粉塵對(duì)生產(chǎn)過程的影響。 近年來，采用可編程序控制器（PLC）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速同步控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)推薦方案。從以上的分析可以看出，在現(xiàn)階段，造紙機(jī)電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于我國(guó)造紙業(yè)的發(fā)展有著非

19、常重要的理論和實(shí)踐意義。1.3本文主要工作通過對(duì)國(guó)外高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，本文設(shè)計(jì)了國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，優(yōu)化了造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制策略并對(duì)國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，由實(shí)際造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制工程項(xiàng)目檢驗(yàn)了理論研究的成果和PLC軟件控制算法的正確性。具體進(jìn)行的主要工作如下：（1）為了獲得良好的抄紙紙頁，進(jìn)行了造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)。 （2）造紙機(jī)通常運(yùn)行在高速的狀態(tài)下，且其工況會(huì)經(jīng)常變化，其系統(tǒng)參數(shù)化分析就必然顯得格外重要，本文對(duì)速度、負(fù)荷、張力等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和優(yōu)化分析。 （3）本文具體的進(jìn)行了造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)硬件的配置、

20、軟件的選型、變頻器的參數(shù)設(shè)置以及選型。特別是進(jìn)行了冗余控制設(shè)計(jì)，設(shè)備過程管理（PDM）設(shè)計(jì)等。 2造紙機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及造紙工藝流程2.1造紙機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)造紙機(jī)（paper machine）是紙張抄造的聯(lián)合裝備，從第一臺(tái)造紙機(jī)1803年問世至今，造紙機(jī)整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)在逐漸的完善，并有了固定的造紙工業(yè)技術(shù)規(guī)范，即整個(gè)抄紙過程由濕部和干部構(gòu)成，濕部包括：漿料流送裝置（流漿箱）、網(wǎng)部（成形部）以及壓榨部；干部包括：干燥部、涂布部、壓光部以及卷紙部。而現(xiàn)代造紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)于生產(chǎn)不一樣的紙種必須用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，即在于不一樣的網(wǎng)部（成形部）設(shè)計(jì)、壓榨部設(shè)計(jì)、干燥部設(shè)計(jì)。如圖 2.1 所示為造紙機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示

21、意圖。 1-漿流分部器 2-流漿箱 3-胸輥 4-案輥 5-真空吸水箱 6-真空伏輥 7-壓榨毛毯 8-第一道壓榨輥 9-導(dǎo)紙輥 10-通風(fēng)罩 11-干燥帆布 12-烘缸 13-通風(fēng)系統(tǒng)電機(jī) 14-冷缸 15-紙幅 16-卷取機(jī) 17-壓光機(jī) 18-導(dǎo)網(wǎng)輥 19-張緊輥 20-校正輥 21-導(dǎo)紙輥 22-第二道壓榨輥 23-第三道壓榨輥 24-烘缸組 圖 2.1 造紙機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1.1 造紙機(jī)網(wǎng)部 造紙機(jī)網(wǎng)部又稱成形部，是紙漿纖維脫水成濕紙幅的重要分部間,其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由成型網(wǎng)、胸輥、案輥、吸水箱、伏輥等重要成形部件組成，此外，還有成型網(wǎng)網(wǎng)案的支撐機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、校正機(jī)構(gòu)、舒展機(jī)構(gòu)

22、和清洗的輔助機(jī)構(gòu)和抄紙中的操縱控制機(jī)構(gòu)。2.1.2 造紙機(jī)壓榨部對(duì)成形后的濕紙頁以加壓的方式進(jìn)一步脫水。它由輥面硬和軟的兩個(gè)輥?zhàn)樱缡伜湍z輥相配組成一組壓榨，并分別由各自電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)里，每組壓榨上輥石輥和壓榨下輥膠輥均為主傳動(dòng)點(diǎn)。2.1.3 造紙機(jī)壓光部 為了使抄紙紙頁有良好的光澤度與平滑度，紙頁的厚度必須得到均勻的一致性控制，即紙頁必須進(jìn)行多重壓光整飾處理。軟壓光機(jī)與壓光機(jī)就是能實(shí)現(xiàn)上述功能效果的技術(shù)裝置，壓光機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)通常有310個(gè)輥筒，其中23個(gè)為造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)主傳動(dòng)點(diǎn)。2.1.4 造紙機(jī)干燥部和卷取部造紙機(jī)干燥部的機(jī)械結(jié)構(gòu)由多組烘缸構(gòu)成，并采用了雙列

23、的烘缸結(jié)構(gòu)形式，上下兩層烘缸均配置有干毯，干燥部的最后，通常配置有12個(gè)冷缸，使水氣能在冷缸面上凝聚。造紙機(jī)卷取部的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是由卷紙機(jī)（復(fù)卷機(jī)）組成，它可以靠卷紙輥的自身重量及冷缸轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力將壓光機(jī)整飾好的成品紙頁卷曲成為筒體。在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，卷紙機(jī)的卷紙輥通常為傳動(dòng)點(diǎn)，并要求這個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)做好紙幅張力控制，以防紙頁斷頭或出現(xiàn)褶皺。2.2 造紙工藝流程造紙的原料主要有兩種：一種是含纖維的植物，還有一種就是現(xiàn)在比較環(huán)保的廢紙?jiān)诨厥铡５谝环N原料造紙比較復(fù)雜一點(diǎn)，先要切碎，在加高濃度堿水進(jìn)行高溫蒸煮，還要經(jīng)過CX篩、高頻震動(dòng)篩、洗漿機(jī)、壓濾機(jī)等機(jī)械去除原槳中含有的堿水，然后進(jìn)行漂白。漂

24、白后經(jīng)洗滌加水配成0.03%的槳液就可以造紙了。第二種就簡(jiǎn)單一點(diǎn)了,將廢紙、工業(yè)雙氧水、脫墨劑、堿、水按一定比例配好，用水力碎槳機(jī)打一定的時(shí)間；最后用跳篩篩去雜質(zhì)就可以造紙了。不管用什么方法造紙，原理都是一樣，就是把造紙?jiān)系睦w維打碎，再經(jīng)高溫從新結(jié)合。造紙的工藝流程由如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)組成制漿段：原料選擇蒸煮分離纖維洗滌漂白洗滌篩選濃縮或抄成漿片儲(chǔ)存?zhèn)溆贸埗危荷{除雜質(zhì)精漿打漿配制各種添加劑紙料的混合紙料的流送頭箱網(wǎng)部壓榨部干燥部表面施膠干燥壓光卷取成紙涂布段：涂布原紙涂布機(jī)涂布干燥卷取再卷超級(jí)壓光加工段：復(fù)卷裁切平板（或卷筒）分選包裝入庫結(jié)束造紙機(jī)部分工藝流程如圖 2.2 所示。圖 2.2

25、 造紙工藝部分流程圖2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了造紙機(jī)整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及各分部的電氣傳動(dòng)點(diǎn)，簡(jiǎn)要的介紹了造紙的工藝流程，這為造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略和參數(shù)分析提供了良好的支持。 3 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制策略分析3.1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)概述造紙機(jī)電氣傳動(dòng)往往包含兩種基本傳動(dòng)方式：總軸傳動(dòng)和分部傳動(dòng)。總軸傳動(dòng)也叫單機(jī)傳動(dòng)，它的動(dòng)力源僅僅來源于某個(gè)主變頻電動(dòng)機(jī)，這種傳動(dòng)方式往往被使用在工作速度比較低的小型造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中。分部傳動(dòng)也叫多電機(jī)傳動(dòng)，它的動(dòng)力源往往來自于多個(gè)主變頻電動(dòng)機(jī)，這種傳動(dòng)方式經(jīng)常被用在工作車速較高的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中。分部傳動(dòng)的控制方式不僅操作方便運(yùn)行安全可靠，還能讓造紙

26、機(jī)各分部的速比關(guān)系保持不變,這種傳動(dòng)方式還可以做傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，從而使速度調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大且速度調(diào)節(jié)效果更好，這種傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)約電能，操作更加簡(jiǎn)便，滿足了本設(shè)計(jì)的大型高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的傳動(dòng)方式。3.1.1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是造紙機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)抄紙的穩(wěn)定性、紙張的質(zhì)量有著非常重要的影響。為了可以生產(chǎn)出品質(zhì)較高的紙品，在造紙工業(yè)中，對(duì)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)提出了如下基本要求： （1）整機(jī)實(shí)際工作速度的有效調(diào)節(jié) （2）保證實(shí)際工作車速的恒定 （3）各分部良好的動(dòng)態(tài)調(diào)整 （4）維持分部間定速比關(guān)系的恒定不變 （5）穩(wěn)定的爬行速度3.1.2

27、造紙機(jī)傳動(dòng)功率計(jì)算 在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)裝置所產(chǎn)生的傳動(dòng)功率主要用于抵消摩擦損耗，所以造紙機(jī)的實(shí)際傳動(dòng)功率主要由造紙機(jī)的實(shí)際工作車速以及相關(guān)實(shí)時(shí)參數(shù)所決定。把造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中所有的傳動(dòng)部件做在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其實(shí)際功率的損耗，并用1m凈紙幅寬與1m/min工作車速來表示造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的必需功率。即：P = Kbv (3.1) 式中： K 造紙機(jī)一個(gè)單位功率損耗的衡量因子 b 造紙機(jī)實(shí)時(shí)幅門寬度 v 造紙機(jī)實(shí)際工作車速 3.1.3造紙機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算為了精確的表示造紙機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)效率，造紙工業(yè)常用造紙機(jī)每小時(shí)的產(chǎn)量來衡量，即： G=0.06bvq (3.2) 式中： b 卷紙機(jī)未切邊的實(shí)

28、際紙寬 v 造紙機(jī)工作車速 q 紙頁的實(shí)際定量 3.2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略分析造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略分析是造紙機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，隨著造紙業(yè)科技的不斷發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的造紙機(jī)（特別是高速造紙機(jī)）電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)向高精度、高速度、全智能自動(dòng)化方向發(fā)展，而國(guó)內(nèi)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)抄紙過程主要還是通過手工操作及一般PLC程序進(jìn)行自動(dòng)控制，而此控制方式完全保障不了紙頁質(zhì)量的一致性及抄紙生產(chǎn)的連續(xù)性，這主要是造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)不完善引起的。 本文鑒于國(guó)內(nèi)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展特點(diǎn)以及國(guó)外造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的有利優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略

29、的設(shè)計(jì)，以提高我國(guó)高速造紙機(jī)連續(xù)抄紙水平、產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)。3.2.1速度鏈控制在造紙機(jī)分部傳動(dòng)控制中，根據(jù)對(duì)抄紙工藝的基本要求，分部間各臨近傳動(dòng)點(diǎn)紙幅線速度要有保持不變的比例關(guān)系，且在操作員控制工作車速的情況下，僅改變當(dāng)前級(jí)及當(dāng)前級(jí)后面的速度狀態(tài)而不改變其前面的速度狀態(tài)，即每一傳動(dòng)點(diǎn)速度以前一級(jí)速度為參考的情況下修正，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)鏈?zhǔn)降乃俣瓤刂平Y(jié)構(gòu)，這個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)就是速度鏈。如圖 3.1 所示，本文對(duì)變頻電機(jī)0、1、2、3、4，采用主鏈包含子鏈的控制結(jié)構(gòu)形式，把要做負(fù)荷分配的傳動(dòng)點(diǎn)變頻電機(jī)2、3的速度控制接入速度鏈的子鏈上，這樣傳動(dòng)點(diǎn)變頻電機(jī)2、3速度值做負(fù)荷分配修正的情況下不影響其他傳動(dòng)點(diǎn)變

30、頻電機(jī)0、1、4的速度狀態(tài)。圖 3.1 速度鏈控制原理結(jié)構(gòu)3.2.2負(fù)荷分配控制造紙機(jī)的成形部（網(wǎng)部）、壓榨部以及壓光部是剛性或柔性連接的傳動(dòng)分部間，它們的負(fù)載由兩臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)一起承擔(dān)，造紙工藝控制要求造紙機(jī)所有負(fù)荷分配的輥?zhàn)蛹埛€速度及相互速比關(guān)系可修正的同時(shí)，負(fù)荷承擔(dān)分配率相同的情況下還必須保證速度一致。如圖 3.2 所示，需要負(fù)荷分配控制的紙輥電機(jī)M1、M2、M3、M4、M5、M6，本造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)矩PID控制算法控制其負(fù)載波動(dòng)，并集成現(xiàn)場(chǎng)通訊總線PROFIBU通訊控制技術(shù)，即PLC控制器采集要分配的主、從傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩并做程序化的精確運(yùn)算，再通過PROFIB

31、US通訊技術(shù)來控制變頻器的相關(guān)參數(shù)，這樣做到不斷升高或降低所有負(fù)荷分配電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而使從傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩值的百分比與主傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩值的百分比保持一致。圖 3.2 負(fù)荷分配原理示意圖 3.2.3紙幅張力控制 在造紙機(jī)的施膠部、壓光部和卷紙部，紙頁質(zhì)量與該分部間實(shí)時(shí)張力值息息相關(guān)。由抄紙工藝要求可知，需要通過造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的程序化控制策略控制相關(guān)電機(jī)轉(zhuǎn)速來獲取恰當(dāng)?shù)募堩搹埩?，否則，紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)就會(huì)使紙頁繃得特松或特緊，具體表現(xiàn)為：張力過弱，紙頁則竄動(dòng)而使紙頁褶皺；張力過強(qiáng)，紙頁則繃緊而使紙頁斷頭。其控制原理如圖 3.3 所示。圖 3.3 張力控制原理3.3 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制工作

32、原理圖 以上已經(jīng)對(duì)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)速度控制、負(fù)荷分配控制及張力控制的控制策略做了比較具體的分析，從而設(shè)計(jì)了此造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制方案。如圖 3.4 所示。 說明： n*紙輥電機(jī)給定轉(zhuǎn)速； R2紙輥半徑； K ； C； TPLC采樣周期； n1i轉(zhuǎn)速n1的第i次采樣值，光電編碼器可測(cè)出，i=1，2，3，,N；N指自然數(shù)； k前饋量修正系數(shù)； B1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，其數(shù)值由PLC程序完成； B2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，比B1模塊增加前饋量修正系數(shù)k其數(shù)值由PLC程序完成； B3動(dòng)/穩(wěn)態(tài)切換模塊，其數(shù)值由PLC程序完成； 圖 3.4 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制方案3.4 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要的分析了造

33、紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制策略，對(duì)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)提出了基本要求，并給出了速度鏈控制方案；負(fù)荷分配采用現(xiàn)場(chǎng)總線主從通訊控制策略，其紙輥電機(jī)負(fù)荷分配控制效果穩(wěn)定、無超調(diào)；紙幅張力采用張力傳感器/程序估算張力切換控制方式，使得紙幅抄紙過程張力更加穩(wěn)定，從而降低了紙頁褶皺與斷頭的情況發(fā)生。最后給出了造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制工作原理圖。 4 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)分析造紙機(jī)通常在高速的狀態(tài)下運(yùn)行，且其工況經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)若想達(dá)到高效、精確的控制效果，其系統(tǒng)參數(shù)分析就顯得尤為重要，以下是通過數(shù)學(xué)模型建立來進(jìn)行優(yōu)化并分析造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，包括：紙輥電磁轉(zhuǎn)矩、紙輥卷徑、紙輥電機(jī)速度鏈

34、、紙幅張力值等。4.1 紙輥電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)紙輥電機(jī)的工作原理和其機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)Mm為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，空轉(zhuǎn)紙輥卷徑不計(jì)，則有紙輥轉(zhuǎn)矩平衡方程： (4.1)又根據(jù)紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的運(yùn)算公式： (4.2)因此將（4.1）式右邊的系數(shù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化有： (4.3)再代入（4.1）式可得： (4.4)式中 K、C 為：在上式中，看作常量的有：J0、b、R0、i等，且在造紙機(jī)系統(tǒng)工作速度不變的情況下，K、C也全是常量。則（4.4）式再整理可得： (4.5)將上式代入（4.1）式，有： (4.6)可見（4.6）式是微分方程，其離散化成型式由自動(dòng)化系統(tǒng)PLC實(shí)現(xiàn)程序化，經(jīng)離散化后的差分

35、方程為： (4.7)式中，i=i、i-1、1；TPLC 采樣周期。4.2 紙輥卷徑計(jì)算分析 紙輥卷徑計(jì)算是造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，其計(jì)算準(zhǔn)確度很大程度上影響著整個(gè)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度，由： (4.8)可得： (4.9)式中：v 紙幅實(shí)際線速度； 紙輥減速箱傳動(dòng)減速比； 紙輥電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。4.3 速度鏈計(jì)算分析造紙機(jī)抄紙過程各分部間必須有穩(wěn)定的速差（速比）。設(shè)是造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第i個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，則是下一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)i+1的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，是第i+1個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與第 i個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的比值，是傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與第i個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差。則有:

36、 (4.10) (4.11)其速度控制原理結(jié)構(gòu)如圖 4.1 所示：圖 4.1 速度控制原理結(jié)構(gòu)圖 4.4 紙幅張力值的估算與分析4.4.1 基于紙輥參數(shù)的紙幅實(shí)際張力估算 在造紙機(jī)紙頁張力檢測(cè)中，通過紙輥電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩平衡方程可知紙頁實(shí)際運(yùn)行所必須的張力，其中進(jìn)行計(jì)算的參數(shù)包括：電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際摩擦轉(zhuǎn)矩等等。則有：紙幅張力： (4.12)紙輥慣量轉(zhuǎn)矩的估算 慣量轉(zhuǎn)矩： (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) (4.17) (4.18)上式計(jì)算中已知的有：、b，。摩擦轉(zhuǎn)矩的估算實(shí)際摩擦轉(zhuǎn)矩： (4.19) 且 (4.20) (4.21)

37、4.4.2 張力值的估算在實(shí)際的造紙機(jī)張力控制中，造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置均能做紙輥電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩的計(jì)算工作，于是，造紙機(jī)中紙輥電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以由造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS通訊技術(shù)從紙輥傳動(dòng)裝置中讀取，而紙頁的實(shí)際張力從（4.20）式就能換算得到。如圖 4.2 所示。4.4.3 張力傳感器張力值檢測(cè) 在紙輥兩端分別安放一個(gè)張力傳感器,并根據(jù)張力傳感器計(jì)算出紙幅張力值。從而可以獲得精確的紙幅實(shí)時(shí)張力。其原理如圖 4.3 所示。圖 4.2 紙幅張力估算簡(jiǎn)圖圖 4.3 紙幅張力傳感器工作原理4.5 本章小結(jié)本章主要對(duì)影響造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制效果的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了深入的計(jì)算與分析

38、，其中包括對(duì)紙輥電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、紙輥卷徑、紙輥電機(jī)速度鏈、紙輥電機(jī)負(fù)荷分配、紙幅張力值等給出了精確的數(shù)學(xué)模型建立過程和正確的計(jì)算處理方法及如何進(jìn)行在PLC中程序化，這為下文造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有利的支持和根據(jù)。 5 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算依據(jù)5.1.1 造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù) 紙品品種：高級(jí)瓦楞原紙 定 量：100200g/m2 凈紙幅寬：10200mm 工作車速：1600m/min（最高工作車速） 傳動(dòng)車速：1600m/min 平衡車速：1700m/min 爬行車速：15m/min5.1.2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)紙輥電機(jī)設(shè)備參數(shù)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系

39、統(tǒng)紙輥電機(jī)的選型及其配置參數(shù)是由造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制技術(shù)參數(shù)決定的，包括所生產(chǎn)的紙種類別、紙幅實(shí)際定量大小、實(shí)際紙頁寬度、最高實(shí)際工作車速等參數(shù)，通過這些基本參數(shù)我們可以計(jì)算出造紙機(jī)工作時(shí)的最大實(shí)際總功率，然后從這個(gè)最大實(shí)際總功率和最高工作車速可以確定紙輥電機(jī)的最低實(shí)際功率的大小。如表 5.1 所示為整個(gè)抄紙過程中電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)和相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)?？梢愿鶕?jù)給出的具體參數(shù)來完成各個(gè)紙輥電機(jī)的選型。 表5.1 造紙機(jī)的電器設(shè)備參數(shù)名稱類別數(shù)值網(wǎng)部紙輥電機(jī)參數(shù)壓榨部紙輥電機(jī)參數(shù)干燥部紙輥電機(jī)參數(shù)電樞電流勵(lì)磁電流額定工作轉(zhuǎn)速減速箱的減速比編碼器的型號(hào)電樞電流勵(lì)磁電流額定工作轉(zhuǎn)速減速箱的減速比編

40、碼器的型號(hào)電樞電流勵(lì)磁電流額定轉(zhuǎn)速最高工作轉(zhuǎn)速減速箱的減速比功率編碼器的型號(hào)400A14.2A1800rpm2.24Fins 58_1024400A14.2A1800 rpm2.24Fins 58_1024330 A19.5 A3300 rpm2000 rpm2.5132 kwFins 58_10245.1.3 紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率的計(jì)算及選擇 紙輥電機(jī)的選擇 (1) 最高工作轉(zhuǎn)速 (5.1) (2) 最低工作轉(zhuǎn)速 (5.2) (3) 調(diào)速范圍 (5.3) (4) 紙輥發(fā)電機(jī)功率 (5.4)(5) 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功率 (5.5) 則紙輥電機(jī)總功率 (5.6)5.2 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件配置在造紙業(yè)

41、中，客戶對(duì)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及自動(dòng)化水平要求很高，因此考慮到系統(tǒng)裝置的性價(jià)比，本造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件配置選購(gòu)ABB ACS800交流式變頻器，西門子S7-400H系列冗余PLC、MP277 17 寸智能操作面板及冗余 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線。5.2.1 交流變頻調(diào)速基本原理根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n表示為： (5.7)式中：n異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； s電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； f電機(jī)定子的電源頻率，單位為Hz； p異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由式可見，改變電源頻率就可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。在許多場(chǎng)合，為了保持在調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩不變，同時(shí)也

42、需要維持磁通不變，這需要由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速（VVVF），簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速。5.2.2 ACS800 變頻器性能由于造紙機(jī)運(yùn)行時(shí)紙輥電機(jī)的負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速和恒轉(zhuǎn)矩速度變頻器。因此，本文造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用恒轉(zhuǎn)矩變頻控制的變頻器。即該電氣傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)用 ACS800 DTC 直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速的交流變速策略，同時(shí)在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中采用 ABB 的ACS800 系列交流變頻器。如圖 5.1 所示為 ACS800變頻器的接線圖。圖 5.1 ACS800變頻器接線圖ACS800變頻器是在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，當(dāng)

43、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)變頻電機(jī)傳動(dòng)裝置無光電編碼器或電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)備故障的情況下，仍可以以高精度修正大部分變頻電機(jī)的當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。圖 5.2 表現(xiàn)出造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中ACS800變頻器基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)時(shí)的經(jīng)典轉(zhuǎn)矩控制性能曲線，所以本造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用ACS800變頻器變頻調(diào)速紙輥電機(jī)可滿足國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制的需要。 TN=額定電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tref=轉(zhuǎn)矩給定 Tact=實(shí)際轉(zhuǎn)矩 圖 5.2 ACS800 變頻器轉(zhuǎn)矩控制特性5.2.3 ACS800 變頻器主要參數(shù)設(shè)置在造紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，要監(jiān)控的變頻器的參數(shù)主要是某些基本系統(tǒng)參數(shù)，包括：電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、編碼器的實(shí)時(shí)采集參

44、數(shù)值以及現(xiàn)場(chǎng)總線的通信控制參數(shù)。表 5.2 給出了本造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)紙輥電機(jī) ACS800 變頻器的基本參數(shù)設(shè)定。 表 5.2 造紙機(jī)紙輥電機(jī)變頻器參數(shù)098.01RTAC-SLOT1編碼器參數(shù)設(shè)定123456789101112131415161718192021222324252698.0299.0299.0499.0599.0699.0799.0899.0910.0110.0311.0311.0411.0522.0222.0350.0150.02500651.0151.0251.0351.0451.0551.0651.0751.08FIELDBUSFACTORYDTC380 V139

45、50 HZ1990rpm75COMM CWREQUESTCOMM.REF0200020S20S1024A+ B DIRENCODERDP13500420041042015105現(xiàn)場(chǎng)總線參數(shù)設(shè)定應(yīng)用宏模式電機(jī)當(dāng)前控制模式電機(jī)額定電壓電機(jī)額定電流電機(jī)額定頻率電機(jī)額定速度電機(jī)額定功率電機(jī)啟/停方向電機(jī)運(yùn)行方向外部給定信號(hào)min.REF1max.REF1加速時(shí)間大小減速時(shí)間大小變頻器脈沖數(shù)脈沖計(jì)數(shù)方式反饋方式現(xiàn)場(chǎng)通訊總線僅顯示通訊參數(shù)設(shè)定PPO 的種類寫最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩讀電機(jī)電流寫最小電機(jī)轉(zhuǎn)矩讀電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩5.2.4 變頻器的容量選擇在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中常常采用通用型交流式變頻器，其容量計(jì)算涉及到的關(guān)鍵

46、參數(shù)包括：變頻器使用功率、變頻器輸出容量以及變頻器的額定輸出電流。但在實(shí)際的變頻器容量計(jì)算中，必須使其適用于全部傳動(dòng)場(chǎng)合，絕不可以出現(xiàn)變頻器實(shí)際輸出電流長(zhǎng)時(shí)間大于變頻器額定輸出電流。下面以造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻器容量計(jì)算為例： 在造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，變頻器為紙輥電機(jī)提供能源動(dòng)力時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率超過當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率的狀況下，根據(jù)紙輥電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作的工作狀況，設(shè)PM為電機(jī)負(fù)載工作時(shí)的輸出功率；為電機(jī)工作效率；cos 為電機(jī)有用功率因數(shù)；UM為電機(jī)工頻電壓；IM為電機(jī)的工頻電流；k 為電流波動(dòng)時(shí)的修正因子；PCN為變頻器的額定容量；ICN為變頻器的額定電流。則變頻器容量

47、的選擇可由下式計(jì)算得出： （5.8） （5.9） （5.10）5.3 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)5.3.1 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)在西門子高級(jí)過控系統(tǒng)(SIMATIC PCS7)軟件平臺(tái)上建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線的三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)形式,用西門子S7-400H系列最新PLC S7-414H控制器作為控制中樞，ABB ACS800系列交流變頻器控制并驅(qū)動(dòng)紙輥電機(jī)，用高速通訊的PROFIBUS-D現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)控制傳動(dòng)速度。其整體結(jié)構(gòu)如圖 5.3 所示：圖 5.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5.3.2 紙輥電機(jī)的控制策略為了使造紙機(jī)相鄰傳動(dòng)點(diǎn)速比保持不變，從而保持紙幅張力不變，本文的電

48、氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用直接/間接可切換張力控制、速度鏈開/閉環(huán)控制和具有良好動(dòng)態(tài)調(diào)整的負(fù)荷分配控制方案。這種電氣傳動(dòng)控制方式操作簡(jiǎn)單，控制穩(wěn)定且精度高，非常適用于參數(shù)變化較大的場(chǎng)合，其主程序算法流程如圖 5.4 所示。 其紙輥電機(jī)電氣原理圖如圖 5.5 所示。圖 5.4 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)主程序流程圖圖 5.5 電機(jī)控制原理圖5.4 造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)軟件選型 近幾年來，在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域，控制系統(tǒng)品牌種類繁多，其中較為知名的有：霍尼韋爾、ABB、艾默生、西門子、和利時(shí)等。然而，造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制邏輯很為繁瑣，一般的工業(yè)過程控制軟件很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其完美的控制，通過對(duì)造紙機(jī)控制

49、系統(tǒng)的比較，西門子高級(jí)過程控制系統(tǒng)PCS7可以對(duì)工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域提供無縫的自動(dòng)化解決方案，特別適合應(yīng)用在控制過程及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制場(chǎng)合。5.4.1 控制系統(tǒng)概述西門子高級(jí)過控系統(tǒng)（SIMATIC PCS 7）是西門子分布式控制系統(tǒng)（DCS），它不僅可為造紙工業(yè)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)提供無縫的自動(dòng)化解決方案，還具有PLC程序設(shè)計(jì)開發(fā)的靈活性，并具備比新型智能DCS更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。所以，SIMATIC PCS7若采用自動(dòng)化冗余系統(tǒng)可為整個(gè)抄紙過程的高效性、連續(xù)性提供更可靠的保障。5.4.2 S7-400H 冗余系統(tǒng)在整個(gè)造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，尤其是在烘干部和壓榨部，其傳動(dòng)控制邏輯較高，為了進(jìn)一步提高其實(shí)用性和可靠性，可以通過雙CPU硬冗余控制保障造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。并采用PROFIBUS通訊冗余技術(shù)在整個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)造紙機(jī)重要設(shè)備建立高質(zhì)量、高可靠性的通訊設(shè)計(jì)，從而大大降低抄紙工作停機(jī)耗時(shí)。因?yàn)闊o論電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的故障是出于控制命令錯(cuò)誤、故障還是維護(hù)，其停機(jī)所造成的成本都非常大，所以應(yīng)采用冗余系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅可以防止造紙機(jī)停機(jī)，還能獲得其容錯(cuò)設(shè)備高昂的費(fèi)用。 5.4.3 過程設(shè)備管理 高速造紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)點(diǎn)很多、相互工作狀態(tài)聯(lián)系也較為緊密，這就對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高，一旦電氣傳動(dòng)系統(tǒng)局部裝置（控制器