一种基于干毯辊传动的纸机控制系统研究与设计

作者：郑晓敏

随着纸机运行速度的加快、幅宽变宽，对于烘缸齿轮传动系统而言，往往会出现以下问题：由于负荷增加、疲劳磨损和微动磨损等影响，不可避免地造成烘缸齿轮多次损坏，使故障率提高、操作难度增加；②对于原有纸机改造时，烘缸电机和减速箱不再适用；③烘缸齿轮的进一步增加，使得传动噪音大大增加。鉴于以上问题，结合目前国内外纸机传动现状，本课题对基于干毯辊传动的纸机控制系统进行研究与设计，以实现造纸过程中负载的均衡分配。

1干毯辊传动简介

    1985年，Nekoosa造纸公司计划对位于美国威斯康星州的4#纸机进行改造时，提出了干毯辊传动方案。在该方案中，取消了烘缸部相互联动的齿轮，通过毛毯向烘缸传递能量，并驱动烘缸，而毛毯则由中部的干毯辊驱动，同时毛毯还要向纸张提供一定的压力。干毯辊传动示意图如图1所示，图1中的实心圆为干毯辊，其具体工艺是将所有烘缸分成上下两层，上毛毯用于驱动上层烘缸，下毛毯用于驱动下层烘缸，上下两层烘缸要用校正系统使其同步运行。

由于干毯辊传动取消了烘缸的齿轮，简化了纸机传动侧，从而减少了在烘缸齿轮和传动小齿轮方面的投资，并降低了故障率、减少了传动噪音。但是机械上的简化，必然会增加电控上的难度。由于烘缸为大惯性负载，在启动时不仅要满足负载转矩，还要为克服惯性额外增加启动转矩，在干毯辊传动系统中，根据工艺与实际要求，需要尽可能选择少的传动点来满足其运行要求。此外，为了避免毛毯被扯断，要求毛毯和烘缸在不产生相对滑动的条件下，尽可能地提供有效的传动力。因此，对于同一层烘缸而言，其由多个干毯辊同时拖动，对于多电机驱动同一负载，则必须进行负荷分配；同时为了保护毛毯，干毯辊之间需进行速差控制。对于不同层烘缸而言，由于纸幅在烘缸之间交替通过，故要求上下两层烘缸之间必须进行速差控制，从而保护纸幅。

2  干毯辊传动的特性分析

2.1干毯辊传动的负荷分配

    由图1可知，在干毯辊传动系统中，与传统纸机控制系统中将烘缸作为传动点的情况不同，此处将烘缸和纸幅共同作为负载，并由多个干毯辊同时拖动，而干毯辊则成为干燥部的传动点。

    在干毯辊传动系统中，多个干毯辊电机轴之间通过毛毯连接且共同驱动烘缸，因此必须进行负荷分配。与传统干燥部系统中转矩瞬间完成传递不同，由于毛毯具有弹性，干毯辊电机轴之间转矩的传递先要经过毛毯的拉伸，才能作用到另一台电机的电机轴上，使得另一台电机的转矩发生变化。

    在干毯辊传动系统中，与压榨等分部的负荷分配过程中转矩瞬间完成传递相比，干毯辊部从点的转矩响应时间远小于毛毯传递转矩的时间，进而导致从点转矩响应与负载变化不同步，将使负荷分配的控制过程出现振荡，故传统的转矩限幅式负荷分配方式无法适用于干毯辊部。与网部的负荷分配相比，虽然干毯辊部也是由多个电机同时拖动毛毯的，但是干毯辊部还需驱动烘缸等大惯性负载，故传统的Droop功能同样无法适用于干毯辊部。此外，为避免烘缸启动瞬间的电机过流状况，还要测取干毯辊的实际响应曲线，整定其变频器PID参数，使其响应曲线达到最佳。

2.2干毯辊传动的速差保护

2. 2.1  同一层烘缸的速差保护

    对于同一层烘缸而言，在毛毯与烘缸间不产生相对滑动的条件下，根据胡克定律可知，在毛毯的弹性范围内，毛毯产生的张力大小取决于毛毯的形变量。当干毯辊的主传动点与从传动点都采用速度控制时，毛毯形变量取决于相邻两传动点的速差，此时该张力有极限值，一旦超出此值将会扯坏毛毯，其张力计算见式(2)。

    式中，f为张力，k为弹性系数，为速差。因此，为了保护毛毯，需要在干毯辊间加入速度控制，且当速差超出范围时，需进行报警处理。

    根据干燥部工艺要求，在不扯断毛毯的前提下，应尽可能地获取毛毯的最大张力，以达到驱动烘缸的目的。对于干毯辊传动系统而言，毛毯与传动辊的包角大小已知，毯辊间的静摩擦系数一定，烘缸侧张力示意图如图3所示。

松边毛毯张力计算见式(3)。

纸机的规格确定后K亦得以确定。因此，为了获取环状毛毯的最大张力，应尽可能地将速差逼近其极限值。

2.2.2不同层烘缸的速差保护

 对于不同层烘缸而言，如图1所示，假设纸幅从烘缸下分部a处进入并从b处传出，再进入烘缸上分部c处。若b处速度快且c处速度慢，则会造成纸幅堆积褶皱；若b处速度慢且c处速度快，则会造成纸幅拉扯断裂。因此，需要利用上下层烘缸之间的速度控制来保护纸幅。

为避免纸幅出现褶皱和断裂，在纸张绷紧的前提下，应尽量使上下层烘缸在b、c两处的速度匹配，从而保证上下层烘缸同步运行。

  3基于干毯辊传动的纸机控制系统设计实例

  以云南建水某造纸厂的工程为例，按照纸机设计方案及客户要求，采用干毯辊传动，纸机幅宽为4500 mm，车速为500 m/min，传动点18个，总设计容量为1509 kW。传动点名称及电机容量如表1所示。

    从工程实际出发，选用Rockwell公司的AB1769-L35E作为控制系统PLC，且PLC上配有Compact Logic/1769-SDN Device Net扫描器。变频器采用ABPF753变频器，配有20-COMM-D网络适配器，可与PLC进行通信。控制系统结构示意图如图4所示。

3.1硬件设计

3.  1.1变频器硬件接线

    由于干毯辊传动的纸机比传统烘缸齿轮传动的纸机在机械方面简化，不可避免地使其电控方面的要求提高。但从控制方案上来讲，依然采用原有的三级控制结构。即利用PLC控制变频器，再由变频器驱动电机。其硬件系统与原来没有太大的变化。以1#干毯辊为例，其硬件原理图如图5所示。

3.1.2变频器参数设置

    (1)基本参数设置

    1 #干毯辊电机功率75 kW，额定电压380 V，额定电流204 A，额定转速1485 r/min，参数设置如表2所示。

    (2)变频器自整定调试

    当电机控制模式为感应电机磁通矢量控制模式时，PF753变频器可进行自整定调试，通过自整定调试以设置IR压降、Ix o压降、磁通电流基准值等，参数设置如表3所示。

    (3)速度与转矩控制设定

    本系统中变频器的速度由通信给定，在速度控制下设置K p和K i同时为了保护变频器和设备，必须设定速度限制值，参数设置如表4所示。

    (4)通信模块功能设定

    本系统采用Device Net通信，通信模块插入插槽，参数设置如表5所示。

3.2软件设计

3. 2.1  干毯辊传动的负荷分配设计

    在干毯辊传动系统中，对于干毯辊部负荷分配而言，既不能像压榨部和压光部那样采用传统转矩限幅式的负荷分配方式，也不能像网部那样采用传统Droop功能，而是需要主传动点与从传动点都采用速度控制的负荷分配方式。

    在实际运行过程中，需周期性地采集主从点的转矩。当主点转矩小于从点转矩时，将主点转矩作为从点转矩的限幅值；当主点转矩大于从点转矩时，调用PLC内部PIDE控制模块，以两者之间的转矩差作为输入，并以从点的偏差速度作为输出，来修正从点的给定速度，从而通过微调从点的转矩，使得从点转矩跟随主点转矩，以达到负荷均衡分配的目的。其程序流程图如图6所示。

3.2.2  干毯辊传动的速差保护设计

    由于工艺要求的不同，干毯辊传动的速差保护分为同一层烘缸的速差保护和不同层烘缸的速差保护。

    由式(6)可知，实际中，在进行同一层烘缸的速差保护时应先确定毛毯张力的极限值（一般由机械厂提供）。一般情况下取t=2 s，则可求得速差的极限值，再通过采集相邻干毯辊的转速，以求得两者间的正偏差速度。如果两者间的速差超过其极限值且其时间超过2s，将停止分部并修改速度传动比。其程序流程图如图7所示。

    而对于不同层烘缸的速差保护而言，在实际中，先采集不同层相邻干毯辊的转速，以得到沿纸幅运行方向的不同层烘缸的速差。如果其速差不匹配（即小于设定值）且其时间超过2s，将停止分部并置位报警位。其程序流程图如图8所示。

4结语

以实际工程为背景，采用主从点转速控制的负荷分配方式对基于干毯辊传动的纸机控制系统进行设计。该方案较好地实现了负载的均衡分配，降低了故障率，达到了安全高效生产的目的。同时，也实现了干毯辊传动的速差保护，能够在多电机同步运行的情况下，尽量避免毛毯拉扯，即减小了纸幅的拉扯力度，从而保证了纸幅的质量。

5摘要：结合干毯辊传动系统的构成，分析了其控制系统中电控环节的难点，重点分析和设计了干毯辊传动控制系统的负荷分配和速差保护。利用速度反馈微差法实现造纸过程中负载的均衡分配，从而降低了故障率，保证了纸品的质量。此外，在实际使用中证明了该设计具有良好的效果。