卷紙機間接張力控制的原理及實現(xiàn)

李明輝， 柴德喜(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 引言

卷紙機是造紙機的最后一個設(shè)備，位于造紙機的末端，用來把紙幅卷成紙卷，卷紙機的性能好壞，直接影響紙的卷取緊度及質(zhì)量，并影響紙的貯存和下一步的加工性能。目前大多數(shù)紙機采用圓筒卷紙機，其操作方便，能卷取較大直徑的紙卷。圓筒卷紙機屬于表面卷取方式，被卷的紙卷被圧靠在被驅(qū)動的卷紙缸上，借摩擦力帶動來卷紙，卷紙缸面的線速恒定，使紙卷有均勻的卷取緊度。由于該卷紙方式唯一依靠表面摩擦力工作，所以可按照卷紙的實際需要，立即產(chǎn)生最大的可達(dá)到的張力。圖1是紙機上常用的一種導(dǎo)軌式圓筒卷紙機。

1 工作原理

蓄熱張力控制使紙頁得以及時舒展和平整，減少折子和斷頭，紙張質(zhì)量品質(zhì)的變化都會在不同程度上影響紙張的拉伸度。用一般的速差控制難以適應(yīng)紙張品質(zhì)的變化，而張力控制卻能很好地解決這一難題。

圖1 導(dǎo)軌式圓筒卷紙機

圖2 卷紙缸傳動示意圖

圓筒式卷紙機傳動結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于卷紙缸和紙卷之間的摩擦力是一對作用力和反作用力，可作為內(nèi)力處理，但隨著紙卷半徑的增大，紙卷的慣量對卷紙缸動態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響比較明顯。

圖2中:T——紙幅張力;

D——卷紙缸直徑;

n——卷紙缸轉(zhuǎn)速;

i——齒輪傳動比;

M機——機械摩擦阻力矩;

M動態(tài)——卷紙缸動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

1.1 張力的產(chǎn)生

從卷紙機運行特點可知，卷紙機的控制關(guān)鍵在于對卷取張力的控制上。設(shè)卷取前一分部壓光機的線速度為v1，卷紙機的線速度為v2，則產(chǎn)生的紙幅張力為

式中:T——紙張承受的張力;

L——卷紙機和壓光機兩傳動點間的距離;

Y，S——紙張的彈性模量、截面積。

從式(1)張力的產(chǎn)生來看:要使張力恒定，必須保持線速度恒定。根據(jù)v=πdn，要使v恒定，必須使電機轉(zhuǎn)速n∝1/d，即N∝1/M，可見卷紙機的負(fù)載特性為恒功率負(fù)載特性。由于張力波動是由線速度波動引起的，所以從直觀來看，張力恒定即線速度恒定，而欲使線速度恒定，就需卷取功率為恒定值。因此，恒張力控制、恒線速度控制、恒功率控制在本質(zhì)上是相同的。按張力控制方式的不同，可分為間接張力控制與直接張力控制兩種。

1.2 間接張力控制

所謂間接張力控制，就是不檢測卷取張力的大小，只對張力主要擾動量進行補償，間接達(dá)到控制卷取張力恒定的目的。張力的擾動分析:張力主要是通過兩個傳動單元之間的線速度差形成的，卷取過程是一個動態(tài)的時變過程。根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)圖中受力關(guān)系，建立動態(tài)平衡方程。

式中:M——電動機電磁轉(zhuǎn)矩;

M機——電動機及傳動機構(gòu)空載轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩;

M動態(tài)——動態(tài)力矩;

i——變速比;

D——卷紙缸直徑。由式(2)、(3)可得出:

從理論上分析，由于i和D為常數(shù)，當(dāng)采用恒轉(zhuǎn)矩控制M為定值時，式(4)具有自衡特性。假定卷紙機前一分部壓光機的速度v1不變，當(dāng)卷紙機穩(wěn)態(tài)運行時，M動態(tài)=0，張力T保持恒定;當(dāng)實際張力T減小時，由于電磁轉(zhuǎn)矩M和機械摩擦轉(zhuǎn)矩M機為定值，則M動態(tài)＞0，使卷紙機加速，從而使張力T增大;同樣，當(dāng)實際張力 T增大時，則M動態(tài)＜0，使卷紙機減速，從而使張力T減小。這樣就構(gòu)成了基于負(fù)反饋的張力閉環(huán)控制，如圖3所示，使張力保持穩(wěn)定。

圖3 張力自動調(diào)整原理示意圖

實際上，卷紙機因機械安裝精度、動平衡、紙卷直徑的變化等因素會造成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的不同程度的波動，而且卷紙機前一分部壓光機的速度v1也不是定值，這些因素都直接影響間接張力控制的效果，尤其是卷紙機的動平衡對轉(zhuǎn)矩的影響最為明顯。如果能把這些因素限定在較小的范圍之內(nèi)，間接張力控制方案雖達(dá)不到直接張力控制的效果，但在成本上有明顯的優(yōu)勢。在實際的工程應(yīng)用上，可以忽略動態(tài)力矩波動的影響，認(rèn)為恒張力卷取時，式(4)右邊的第三項即動態(tài)力矩為零，把M機也看作為常數(shù)，這樣張力T就正比于電機的輸出轉(zhuǎn)矩M，恒張力控制就轉(zhuǎn)化為恒轉(zhuǎn)矩控制。

2 采用ACS800變頻器實現(xiàn)間接張力控制的方法

如前所述，在卷紙機穩(wěn)定運行后將其控制方式由速度控制切換為轉(zhuǎn)矩控制，就可實現(xiàn)其恒張力控制功能。ABB公司的ACS800變頻器采用先進的直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)技術(shù)，內(nèi)置直流電抗器，從而降低進線電源的高次諧波含量，最大起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%的電機額定轉(zhuǎn)矩;ACS800的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差，閉環(huán)時為0.05%，靜態(tài)精度為0.01%。動態(tài)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)時間，閉環(huán)時達(dá)到1～5 ms，即使不使用任何來自電機軸上的速度反饋，傳動單元也能進行精確的轉(zhuǎn)矩控制。圖4顯示了在使用DTC時的典型的轉(zhuǎn)矩控制性能曲線，選用ACS800變頻器可較理想地滿足卷紙機張力控制的需要。

圖4 ACS800轉(zhuǎn)矩控制特性

圖5所示為某紙機卷紙機設(shè)計的間接張力控制操作界面。該紙機采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)控制ACS800系列變頻器，由人機界面、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、變頻器組成三級控制網(wǎng)絡(luò)。其卷紙機的控制原理為起動、引紙采用速度控制模式，引紙完成后按下操作屏上的“投張”按鍵，卷紙機傳動由速度控制模式切換到轉(zhuǎn)矩控制模式，能夠自動調(diào)整卷取和壓光之間的紙幅張力。操作人員還可根據(jù)實際紙幅運行狀況通過“張力增”“張力減”按鍵調(diào)整設(shè)定張力大小。當(dāng)出現(xiàn)斷紙時，速差限幅具有防飛車和自動失張功能，卷紙機自動切換到速度控制模式，速差限幅值一般設(shè)定在10～30 m/min。該紙機正常生產(chǎn)后張力控制精度在5%以內(nèi)，能夠滿足卷紙機對卷取張力控制的要求。

圖5 某卷紙機間接張力控制操作界面

3 結(jié)語

該卷紙機間接張力控制方法被應(yīng)用于某1760/350長網(wǎng)多缸造紙機上，取得了令人滿意的效果。這種張力控制方法不足之處如下:(1)帶轉(zhuǎn)動機械而不帶紙幅運轉(zhuǎn)時，變頻器的實際轉(zhuǎn)矩有一定的上下波動現(xiàn)象，由此帶來所控制的張力產(chǎn)生相應(yīng)波動，造成所控制的張力不夠精確;(2)紙卷從空卷到成卷逐步增大的過程中卷紙系統(tǒng)的負(fù)荷有一定程度的增大，造成所控制的紙幅張力逐步減小，但可通過操作面板的張力調(diào)整按鍵來調(diào)整。由于成本上的極大優(yōu)越性，該張力控制模式還非常適合中小型卷紙機的間接張力控制。

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