造紙機多電機同步速度鏈控制系統研究?

王建華，詹國兵

（徐州工業職業技術學院 機電工程學院，江蘇 徐州 221140）

1 造紙機工藝流程

造紙機通常由多臺變頻調速控制的異步電動機傳動，屬于典型的多電機控制系統。圖1為造紙工藝流程。按照紙張成形過程，各傳動點依次為網部、壓榨、前干燥、施膠機、后干燥、壓光機和卷紙機等，每一個傳動點都由一臺異步電動機驅動。各傳動點間要求達到線速度的同步，即所有傳動點上的線速度應相等。當總工作車速發生變化時，所有傳動點的速度都將同步發生變化，即線速度同步控制。但是，在造紙機運行中，可能由于紙張自身伸縮等原因導致某些傳動點的紙張過松或過緊，為避免紙張過緊而斷紙，過松而褶皺，因此要求微調該傳動點的速度，并且保證該傳動點前面的速度不變，其后面的傳動點速度相應地按比例進行調整，這就是速度鏈控制功能。造紙機的線速度同步和速度鏈控制是至關重要的，有必要進行研究和試驗［1］。

圖1 造紙工藝流程圖

2 造紙機多電機同步速度鏈控制理論分析

由于造紙機各傳動點的減速器傳動比、輥子直徑等不同，因此其轉速是成比例的，且比例系數恒定。可靠地、高精度地保持這個比例系數恒定，是保證紙張正常生產運行的一個前提條件。造紙機各傳動點的轉速應在緊紙后或在斷電重啟后繼續維持原車速，不需重新調節。

此外，為調節相鄰兩傳動點間的速差，比例系數還應能夠實現微調，避免紙張在傳送過程中出現過緊或松弛現象。轉速微調要求可靠且靈敏，不能在調節過程中出現滯后現象［2］。

造紙機速度鏈需達到如下控制要求：當按下某一傳動點的轉速升或轉速降按鈕時，不但該傳動點的轉速變化，而且其后面的傳動點也跟著變化，但其前面的傳動點轉速不變。

假設造紙機傳動系統有n個傳動點，各傳動點轉速分別為N1，N2，…，Nn，相鄰兩傳動點間的轉速比分別為K1，K2，…，Kn－1，則有如下關系：

N1也稱全線轉速，由上述可知：當全線轉速改變時，其余各傳動點轉速也隨著改變；但改變速比只有這之后的傳動點轉速會隨著改變，之前的各傳動點轉速不變［3］。

3 造紙機多電機同步速度鏈控制方案

造紙機每個傳動組中至少有一個傳動點電機參與速度鏈控制，最終實現多電機同步協調控制。以某長網造紙機為例，其參與速度鏈控制的各傳動點如圖2所示。長網造紙機的驅網輥為速度鏈中的主節點，調節其轉速即可調節整機車速，其余各傳動點的轉速由該點轉速乘以相應的速比得到［4］。

圖3為長網造紙機速度鏈控制方案，該控制方案稱為主從級聯結構的速度鏈控制方案［5］。其控制原理是以前一臺電機的轉速輸出再乘以同步速比系數作為后一臺電機的轉速給定。該控制結構特點是：穩態時同步性能好，前級傳動點的負載擾動或轉速變化對后級的傳動點會產生影響，后級傳動點的負載擾動或轉速變化對前級沒有影響，由于造紙機正常運行時負載保持恒定，負載擾動小，因此可以忽略；此外，造紙機啟動過程中，前后級轉速稍有滯后，但通過后面的現場試驗運行來看，仍然在允許范圍之內。

圖2 造紙機參與速度鏈控制的各傳動點

4 速度鏈控制試驗研究

為檢驗造紙機系統的運行狀態，利用MATLAB開發了系統檢測GUI界面程序“Trace.fig”。信號采集方式為：利用轉速傳感器檢測各傳動點電機的轉速，“Trace.fig”程序接收傳感器采集到的轉速數據，進行濾波處理，并在圖形坐標上顯示數據波形［6］。

現場試驗時，選擇真空伏輥、驅網輥、K壓上輥、大輥壓榨下輥、一烘缸部分進行速度鏈控制試驗，依次編號為1～5。采用5組光電式轉速傳感器（型號LG－930）檢測第1到第5個傳動點電機的轉速。初始狀態下造紙機工作車速（線速度）為1 500m/min，各傳動點轉速分別為：835.1r/min，917.7r/min，955r/min，855.6r/min，896.0r/min。

圖3 主從級聯結構的速度鏈控制方案

增速試驗中，在t＝5s時，調整速比K2（增大1%）后，傳動點1和2的轉速維持不變，而傳動點3～5速度隨之增加，最終分別穩定在964.6r/min，864.2 r/min和905.0r/min。增速后傳動點2、3、5的轉速波形如圖4所示。

圖4 增速后傳動點2、3、5的轉速波形

通過試驗結果可以看出，該速度鏈控制結構穩態時同步性能好；但其缺點是在啟動或調速過程中，后一臺電機要比前一臺電機的轉速稍有滯后，但仍然在允許范圍之內。

5 總結

本文對造紙機多電機線速度同步和速度鏈控制的原理進行了分析與討論，并提出了合理的控制方案，同時，利用MATLAB軟件開發了GUI界面程序“Trace.fig”，“Trace.fig”將采集到的現場信號進行濾波處理，并在圖形坐標上顯示數據波形。試驗研究表明，該控制方案能實時監控造紙機各傳動點的速度，并通過PLC通訊調整各傳動點變頻器的頻率，實現多電機同步速度鏈控制功能，系統自投入運行以來，可靠穩定。

［1］孟彥京，韓旭.速度鏈在紙機傳動中的設計與分析［J］.中華紙業，2009（9）：90－92.

［2］李方園.造紙機械變頻多傳動控制系統的基本原理及應用［J］.中國造紙，2007，26（6）：53－56.

［3］程斯一，紀文剛.多電機同步控制技術研究平臺的設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2014（2）：29－32.

［4］孟憲坤.基于現場總線的紙機電氣傳動控制系統的設計［D］.西安：陜西科技大學機電工程學院，2012：60－62.

［5］張亞東.基于PLC的造紙機自動控制系統設計與研究［D］.合肥：合肥工業大學，2012：21－22.

［6］羅華飛.matlab gui設計學習手記［M］.第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2011.