造紙機電氣傳動的現狀和發展趨勢的探討

曹俊濤 楊超勇

【摘 要】隨著科學技術水平的提高，造紙機電氣傳動也有了新的進步，作為人類文明的一項重要內容，造紙機電氣傳動水平的提高，有助于生產效率與生產質量目標的實現。下面我們就對造紙機電氣傳動現狀及發展趨勢展開分析和探討。

【關鍵詞】造紙機；電氣傳動；傳動現狀；發展趨勢

引言

隨著互聯網時代的到來和計算機技術的不斷成熟，在造紙機發展過程中通過借助智能控制、計算機技術不斷提升自身的自動化發展水平，促進造紙機呈現出高速化、大型化、高效化的發展趨勢。同時造紙機的同步控制整體運行環境非常復雜，受外界干擾作用相對較大，具備強耦合、非線性等特點，對速度鏈控制有非常高的要求。可以通過紙張成型原理將造紙機傳動點分為網部、壓榨、前干燥、施膠、后干燥、壓光和卷紙等幾個不同方面，都借助異步電動機驅動，保證線速度同步，就是車速變化傳動點速度也需要與其保持同步變化。

1 造紙機電氣傳動的現狀

從六十年代開始，我國的紙機傳動開始采用模擬系統的直流可控硅調速，對老的發電機組或總軸傳動進行改造。當時的直流可控硅調速是單閉環，系統精度和穩定性都比較差，技術力量強的企業可以掌握，收到了改造的預期效果；技術力量薄弱的企業就出了問題，維護跟不上，出了故障不能及時排除，使抄造率有所下降，不同程度受到損失?！吨袊旒垺冯s志為此發了專刊，技術性能比單閉環優越得多，一下子改變了紙機傳動可控硅應用的被動局面，受到了廣大用戶的普遍歡迎。雙閉環系統不僅在造紙機械上使用，還廣泛用在軋鋼、紡織等各行各業，為可控硅的應用開辟了廣闊前景，風靡了二十世紀七十、八十兩個年代。八十年代后期，由于國產元器件質量不斷下降，制造廠無論在元件篩選上，還是制造工藝、出廠調試等環節上都不能嚴格把關，使產品質量有所下降，使用單位開始反映雙閉環系統不可靠、不穩定的新問題。就使用單位本身而言，由于紙機車速不斷提高，非木材纖維的比例不斷增加，新工人逐漸增多，維護水平有所下降，以致好多機臺不能正常生產。模擬系統面臨著新的挑戰，紙機對電氣傳動提出了新的要求，希望有精度、可靠性、穩定性都更高的系統問世。隨著電子技術的飛速發展，計算機運算速度的提高，國外研制成一種全新概念的全數字調速技術，精度比模擬系統高1一2個數量級，達0.01%，調試簡單，維修方便，可靠性和穩定性都是模擬系統無法比擬的。銀鴿公司率先從西門子公司全套引進了全數字直流調速系統，淘汰了原來從ABB公司引進的模擬直流調速系統，車速提高到1140m/min，由于穩定性和可靠性的提高，沒有因為電氣不穩定而斷紙的現象，使抄造率大大提高，獲得了很好的經濟效益。

2 造紙機電氣傳動發展趨勢

2.1 變頻調速同步控制

造紙生產過程中，傳動系統的工作速度要有較寬、均勻的調節范圍，適應生產不同紙張定量的需要。對于脫水能力和干燥能力一定的紙機，在生產不同定量的紙頁時，工作車速需要進行相應的調整：紙張定量高時，車速要低；而定量低時，車速要高。

2.2 復卷機變頻傳動控制

第一張力控制：對紙張力進行控制的方法有非常多，比較常見的為電氣控制，而電氣控制又分為直接和間接兩種張力控制方式。其中間接張力控制的方式主要是通過對退紙輥電動機的制動功率進行控制，使得其保持恒定。而在間接張力控制方面常見的張力控制方法分為電機的反電動勢恒定和電樞的電流恒定，可以在保持電動機的反電動勢和電流兩者乘積恒定的基礎之上實現數值的可變性。第二點壓力控制：通過對壓紙輥液壓缸的壓力進行控制實現對紙卷和底輥壓力的控制，在紙卷直徑逐漸增大的同時減少壓紙輥液壓缸的壓力，獲取均衡壓力。第三點轉矩控制：在對紙卷直徑進行加大過程中，需要逐漸減小前底輥轉矩，逐漸增大底輥轉矩，保證成品紙卷的質量能夠達到生產要求。第四復卷機停車控制，可以通過直徑、長度、手動停車等幾種不同的停車方式停車，目前這幾種停車方式中應用比較廣泛的是定長停車。

2.3 紙機控制系統結構

我們的選型原則是：優化設計，程序通用化，界面美觀化，使整個控制系統穩定性好、可靠性高等特點。紙機控制系統采用交流變頻傳動控制，三級控制方式。第一級為驅動級，變頻器采用臺達公司vFD-B系列高功能，向量型交流變頻器，由閉環控制編碼器反饋板，組成閉環控制系統。第二級為PLC控制系統，采用西門子S7-300PLC，S7-300與變頻器組成RS485總線控制網絡，通訊速率最高可達19.2kbit/s，并完成自動卷取及輔助部分的機電一體化功能；第三級為上位控制系統，采用DELL公司工控機，用于紙機傳動系統狀態監控，實現整個紙機自動控制。并可通過工業以太網與QCS系統、DCS系統、廠級管理級等聯網，可實現紙機控制系統優化控制。

2.4 變頻器控制方式的介紹

現階段，以變頻器作為交流電機的調速裝置在造紙、冶金等行業得到了廣泛的應用，是未來傳動控制發展的方向。目前變頻器的控制方式主要有：為恒U/f控制；轉差頻率控制；矢量控制；直接轉矩控制；轉矩控制五種。（1）恒U/f控制方式。這種控制方式是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持恒定。這種方式由于結構簡單、成本低的原因，在大多數范圍內得到了廣泛的應用。但是，它也存在缺陷，在低頻時，穩定性差，機械特性也沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能也一般。（2）轉差頻率控制方式。這種控制方式是通過控制轉差頻率來控制轉矩或電流。當頻率不變時，異步電機的電磁轉矩與轉差頻率成正比，機械特性曲線為直線。該控制方式需要有速度反饋，即反饋電機的實時轉速，構成速度閉環，速度調節器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的輸出頻率。由于轉差頻率可以反映出負荷的變化，所以該方式適應于系統負荷變化大的情況。（3）矢量控制（VC）方式。該控制方式的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia，Ib，Ic通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流相當于直流電動機的勵磁電流，Itl相當于與轉矩成正比的電樞電流，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義，能夠使電動機的機械特性達到比較理想的狀態。

2.5 全數字調速系統逐步取代模擬系統

從分析模擬系統的缺點和全數字系統的優點可以看出，全數字調速系統具有模擬系統無可比擬的優點，因而全數字調速系統逐步取代模擬系統是造紙機電氣傳動的發展趨勢。全數字調速技術發展于八十年代初期，在我國為何不能立即推廣，主要原因是新技術剛剛問世，價格昂貴，不要說中小企業不敢問津，就是效益好的大型企業也難以承受。到了八十年代末九十年代初，價格稍有下降，幾家大型企業才相繼全套引進了全數字調速系統，其價格仍是國產模擬系統價格的10倍，要想大面積推廣仍是困難的。近年來，由于國際市場不景氣，外商紛紛瞄準我國市場，分析研究我國市場的潛在能力，推銷系統有困難，就推銷核心部件，讓我國自己成套系統，價格大幅度下降，只比國產模擬系統貴50%左右。從去年開始，幾家有影響的外商，在我國掀起了推銷商戰，不斷降價，不斷推出功能更全、價格更優的新產品。

結語

總的來說隨著科學技術的不斷發展進步，現階段變頻技術也在逐漸的趨于成熟，以變頻技術為依托的變頻器自身的調速性能、自動調節等諸多優勢也更多的顯現出來，已經逐漸取代傳統紙機上的直流調速系統，促進紙機電氣傳動的推廣和長遠發展。

參考文獻：

[1]王建華，詹國兵.造紙機多電機同步速度鏈控制系統研究[J].機械工程與自動化，2015（4）：148—149.

[2]呂常智，劉培.基于神經網絡PID的造紙機多電機同步控制研究[J].包裝工程，2016，37（13）：106—111.

[3]王浩陳，王超，張懿.造紙機分部傳動多電機變頻同步控制系統[J].變頻器世界，2015（5）：58—60.

（作者單位：河南銀鴿實業投資股份有限公司）