变频调速及其控制技术在纸机生产线中的应用

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1 引言 $ f1 D& H% F7 T" n

　　造纸机是由一系列配套设备组成的联合机，分湿部和干部两大部分。湿部包括上浆流送系统、网部和压榨等部分，干部包括烘干、压光和卷取等部分。其生产流程一般是:浆料通过上浆流送系统传送到纸机生产流水线的前端流浆箱，然后浆流由此依次通过网部、压榨、前烘缸、后压榨、后烘缸、压光机和卷纸机等在内的分部设备，成为原纸;原纸又可以另外进入机外涂布和复卷机产出成品纸。
造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。变频调速作为90年代中期后最强有力的控制方式进入了原本属于直流调速(适用于大中纸机)和滑差电机(适用于中小纸机)天下的造纸领域，并已近取得良好的市场效果。
　　交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差等原因，到了90年代已严重制约了造纸整机的性能价格比。而变频调速技术能最大程度上发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，再加上变频调速理论业已形成一门相对独立的学科，变频调速技术全面应用于纸机生产线的时代已经到来了。本文就变频调速及其控制技术在纸机生产线上的应用做进一步的阐述。

2 造纸机上浆系统的变频调速控制

　　造纸机上浆系统负责将纸浆通过浆泵、冲浆泵、多级筛等设备输送到纸机网部流浆箱的过程，其中浆泵和冲浆泵为最重要的设备，因为它们关系到成形纸的质量，尤其是克重，因此必须采用变频控制才能达到纸机的设计要求。实践证明，安装变频装置能适应不同车速、不同品种的用量变化，使浆泵组的运行始终处于高效状态。另外，采用变频控制时，电动机和浆泵的转速下降，轴承等机械部件磨损降低，泵端密封系统不易损坏，机泵的故障率大为降低，维修工作量也随之减少。
上浆工艺必须符合以下要求:(1)向造纸机的网部输送的浆料量一定要稳定，误差不超过±5%;(2)浆料的配比和浓度要稳定、均匀;(3)对浆料进行净化精选等。因此对浆泵和冲浆泵的速度控制是保证第(1)、(2)项实现的重中之重。
　　下面以冲浆泵为例来说明速度控制的流程:该变频控制采用双闭环系统的速度控制方式(如图一所示)，外环是速度闭环(V-控制)，内环是电流或转矩闭环(I-控制)。冲浆泵速度的设定值一方面是由浆速和网速比变化而获得的V设定，另一方面是来自于流浆箱的压力控制器(P－控制)。前者是主调，后者是微调。纸机的浆速和网速比基本上是恒定的，因此纸机的网速一变化，V设定也随着变化，冲浆泵的转速也跟随变化;为了提高速度调节器的精确性和反映流浆箱的实际工艺过程，通常还需取流浆箱的压力PID控制输出值的±５%的变化来作为冲浆泵附加的速度设定值。速度的实际值(V实际)取自传动电机的实际速度采样，可通过旋转测速电机或光电旋转编码器等检测装置获取。电流的设定值(M设定)取自取自速度环的输出信号，电流的实际值(M实际)取自各个传动点的交流变频器输出端电流互感器的测量值。
　　因此对于冲浆泵的变频调速而言，需要对其进行PID控制，需正确选择速度反馈方式和PID的各类参数。加速时间0～100%的设定值一般为60秒，而减速时间大约为30秒。变频器的设定输入值需具有二至多端的输入，并能进行基本运算。反馈信号需具有接收模拟信号或脉冲信号的端口。了解这一点，对选择变频器的型号非常重要。

3 造纸机分部传动的变频控制

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　　我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。由此看来，造纸机分部传动机械的变频化已是大势所趋。
　　分部传动涉及到纸机的网部、压榨部、前烘缸、后压榨、后烘缸、压光机等众多的传动点，由于纸张具有细薄、脆弱的缺点，因此为了防止纸张出现断裂、卷曲、褶皱、压痕，必须对各传动点进行高精度的速度控制，并保证纸张按成纸方向所限定的伸展率进行延展。也就是说，从上浆到上卷的整个过程，要保持纸幅一定的速度级联，这样才有拉力。正是基于分部传动的变频控制强调的是各传动点的在线无级调速和同步跟随性能，因此用在分部传动的变频器必须具有以下特性:(1)调速范围宽，在全速度范围内，效率必须在90%以上;(2)功率因数高于0.9以上; (3) 输入谐波电流总失真小于3%; (4)采用可靠性高、技术成熟的标准器件IGBT; (5)能减少输出谐波分量并有效降低dv/dt噪音和转矩脉动的效果; (6)利用通讯功能实现数据的高速串行传输。
　　如某纸厂1台1092型水松纸造纸机的 4个分部传动传动点的功率分别为压榨11kW，主缸11kW，组缸7.5kW,卷纸5.5kW。根据使用厂家的实际情况和要求，变频器采用西门子公司新近推出的MM420系列，PLC采用西门子S7-200系列。网络通讯采用RS485接口，协议方式采用西门子USS协议。主机调速及单个传动点微调采用按扭调速，并且能够在操作台和设备前两地调速。 又如某厂2820型牛皮箱板纸造纸机，变频器采用美国AB公司1336型高功能变频器，PLC采用AB公司SLC500系列，操作界面采用触模屏。由上位机控制运行参数存储、数据表格自动生成、生产报表自动打印、故障报警状态分析。网络通讯采用国际通用的PROFIBUS DP通讯网络。电动机采用交流变频电机，并且应用磁通矢量闭环控制。另外可以通过对各个传动点的实际使用功率的计算控制各个传动点的负荷分配，并且在生产过程中可以通过点动在不影响速度链的情况下进行局部张紧和松弛。
　　以上二例是较为典型地应用到了分部变频控制的控制原理，分部传动的控制原理是保持速度级联和高速传输，前者利用上位机(PLC或工控机)来进行速度级联的计算，后者是通过变频器本身的高速串行通讯能力来实现的。怎样一来，整个系统配线简单、自动化程度高、信息量丰富且接口兼容，便于实现FA和管控一体化。
速度级联的结果是将纸机分部传动的主传动点形成了一串速度链，只要其中的一个点速度进行调整，其后的每一个传动点也随之快速调整。在实际的纸机控制中，往往还要根据特定的位置再增加特定的传动控制方式，尤其重要的当数负荷配比控制。
所谓负荷配比控制，是指在两个啮合辊中，为保持接触的紧密性和合理性，需要对两个辊子进行负荷分配，以达到最佳效果。在造纸机压榨部、压光机等啮合辊控制中，根据工艺需要，纸幅断裂时，啮合的两辊子处于脱开位置，纸幅通过时两辊子处于合上位置。其中在啮合辊合上中，为保持两辊子在机械上的紧密接触，达到啮合的要求，需采取负荷配比控制方式(如图2)。
啮合辊的主传动仍采用速度级联控制方式，从传动采用负荷配比控制方式。在该负荷配比控制中，速度闭环的设定值在主传动设定值(V设定)的基础上，再增加5%的速度，这样的话，其速度环的输出值即电流环的设定输入值(M设定)就会增加，然后主传动速度环的输出值乘上负荷配比百分值去限定从传动电流环的设定输入值(M设定)，也就会紧紧跟上主传动，使得该两辊的啮合程度更加紧密、贴合。

4 卷纸机、复卷机和机外涂布机等收放卷系统的张力控制

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　　纸张有二种成型方式即平板纸和卷筒纸，由于高速印刷机的大量出现，对于卷筒纸的需求量与日俱增。而且卷筒纸相对于平板纸来说，更能提高纸机的车速。然而纸机对于卷筒纸的处理则是一个相对复杂的过程，尤其是在中心卷取的过程中，随着卷径的不断增加，卷筒辊的速度必须不断减少，同时又要保证纸幅的张力相对平稳。因此，对于收放卷系统而言，进行张力控制是核心技术，也是变频调速的难点。
对如此复杂的张力控制系统，变频技术必须能克服以下4个技术问题:(1)将复杂的交流异步电机的数学模型简单化;(2)考虑到张力反馈信号的延后和超调;(3)将卷绕张力控制过程的动态参数描述成时变函数;(4)保证张力闭环的抗波动能力高和即时调节性好。
目前，在卷取中最常用的是以下2种控制方式:(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通过测力传感器的张力反馈，或调节辊的位置反馈，来修正速度给定;(2)电流控制卷取(CPW)，用PID调节张力给定，可适用于中心卷取的方式，这一类型的控制一般是开环的。
具有张力控制的变频控制系统，一般由直径、补偿、转矩和速度计算等模块组成，图3所示为其卷取系统的基本软件结构:

5 造纸机辅助部分的变频控制

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　　造纸机的辅助部分通常包括白水系统、真空系统、压缩空气系统、冷冻水系统、化学品加药系统、损纸回收系统、通风系统等。在实际设计纸机中，为了使纸机能连续均衡地运转，它的辅助部分，一般都超过造纸机最大生产能力的15%～35%。因此，采用变频调速及其控制技术能有效地降低实际运转中辅助能耗，比如原先采用调节阀门开度来控制的风机和水泵、定速运转的皮带传输机等。以下就典型的几个方面来阐述变频控制的广泛用途。
5.1 冷冻水变频调速
　　在造纸的辅助设备中，涂布和施胶经常要到用冷冻水来处理涂料，以保持涂料化学特性的稳定，现在经常采用的方法为冷冻水泵变频调速系统。它的控制原理是利用温度或温差控制，因为从严格意义上说，冷冻主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从涂料槽带走的热量，所以温差可作为控制依据。同时由于冷冻主机的出水温度一般较为稳定，故实际上在设计中只需根据回水温度进行控制即可。
冷冻水系统选用的变频调速应该可设计为PID控制，因为大部分的变频器都具有PID功能，因此控制回路就非常简洁，以回水温度作为反馈信号，而目标温度则可以通过变频器的面板设定或是上位机输出模拟量信号设定。
5.2 损纸皮带机变频调速
　　损纸皮带机是负责将干部的断纸或处理纸运送到干损系统，因为皮带的速度通常都按纸机的最大车速设计的，通常纸机运行的速度在最大车速的50%～80%之间，皮带定速运行必将浪费相当大的能量，而且还产生太大的噪音，此时采用变频调速，使皮带机的速度跟随纸机的车速，而且使皮带机的起动频率为20～30Hz，这样既能皮带机能快速反应避免堵纸，又能降低能耗。

6 结束语

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　　随着变频技术的发展和成熟，变频器以其优良的调速性能、操作简单、功能完善、易于实现自动调节等诸多优点，必将取代纸机上传统的直流调速系统，而成为纸机电气传动的佼佼者。

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