關(guān)鍵詞：造紙機 節(jié)能降耗 上位監(jiān)控 變頻器
摘要：目前我國多分部同步速度控制的中小型造紙設備依然采用以直流調(diào)速技術(shù)作為電氣系統(tǒng)的核心來配合工藝要求，耗電量大，在全國節(jié)能降耗的大背景下很有必要對其進行技術(shù)改造。
一 、慨述
造紙企業(yè)是高能耗企業(yè)每噸紙所耗電能在500 度以上，電能消耗十分嚴重。傳統(tǒng)的造紙機械的采用SCR 直流調(diào)速（大功率）和滑差電機（小功率）傳動， 在生產(chǎn)過程中經(jīng)常由于機械磨損、傳動帶的打滑等因數(shù)造成速度匹配失調(diào)，形成斷紙、厚度不均等現(xiàn)象。為了降低能耗、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率、現(xiàn)代化的造紙設備多采用多電機分部傳動，即在每一個傳動分部安裝交流電動機并配制相應的特制變頻器、要求各分部能夠不僅實現(xiàn)同步控制，而且能夠在一定的范圍內(nèi)調(diào)速。全數(shù)字化的控制系統(tǒng)使設備的自動化程度提高了一個檔次， 它特有的全程在線監(jiān)控系統(tǒng)讓用戶非常清晰的了解到設備的生產(chǎn)現(xiàn)狀。
二、 方案設計
1、造紙工藝
造紙機械的基本組成部分按照紙張形成的順序分為網(wǎng)部、壓榨、前干燥、后壓榨、后干燥、壓光機、卷紙機等。其工藝為流漿箱輸出的紙漿在網(wǎng)部脫水成型，在壓榨部進行壓縮使紙層均勻，經(jīng)過前干燥進行干燥，接著進入后壓榨進行施膠，再進入后干燥器烘干處理，然后利用壓光機使紙張平滑，最后通過卷紙機形成母紙卷。
2、控制方案
造紙機傳動控制系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)速恒定、負載基本恒定的穩(wěn)速系統(tǒng)。從控制特性上可分為：速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、負荷分配控制三種基本控制方式，其控制要求為速度長期穩(wěn)定，動態(tài)恢復時間盡可能短。根據(jù)紙機對象特性．控制方案可歸納為多分部同步速度控制鏈控制、負荷分配控制分部控制系統(tǒng)這兩種典型的結(jié)構(gòu)形式。負荷分配控制分部方案通常應用于大型的造紙設備上，具有功率大線速高等優(yōu)點，但其控制系統(tǒng)成本高，不適合應用于中小型造紙機上。多分部同步速度控制是利用恒轉(zhuǎn)矩電機和矢量變頻來實現(xiàn)速度同步功能實現(xiàn)整機同步，同時利用變頻的矢量控制功能來修正設備分部因負荷變化而導致的速度變化。具有調(diào)速廣、成本低、性價比高等優(yōu)點，多用于中小型造紙機。下面我們具體介紹一下造紙機上使用的多分部同步速度傳動系統(tǒng)：
造紙機由紙漿到形成紙張，需經(jīng)過多個分部，因此是一個多單元的速度協(xié)調(diào)系統(tǒng)。各個分部間的速度要求嚴格配合，根據(jù)工藝流程，一般有下表所示關(guān)系，只要其中一個分部速度不穩(wěn)，就會無法維持生產(chǎn)，紙幅不是斷裂，就是松垮下來。如果整臺紙機車速不穩(wěn)，就不能保證紙張的定量(每平方米紙頁的質(zhì)量) 不變。因此要求紙機的各分部都能穩(wěn)速。且各分部之間滿足一定的速比關(guān)系； 此時應采用多分部同步速鏈控制系統(tǒng)。
一般造紙機各分部的速比關(guān)系
造紙機各分部的速比
各部名稱
以粘狀漿制成紙張（如電容紙、仿牛皮紙） 一般紙張（如書寫紙、印刷紙）
伏輥 89-91 94-95.5
第一壓榨 94-96 96-97
第二壓榨 97-98 97.5-98
第三壓榨 98.5-99 98.5-99
干燥部 100 100
壓光機 100.05-100.15 100.05-100.15
卷取機 100.10-100.30 100.10-100.30
1．多分部同步速度鏈控制原理
假設造紙機傳動系統(tǒng)有n 個分部，各分部速度分別為：N1、N2、...、Nn，相鄰
兩個分部速度比分別為K1、K2、...、Kn-1，那么可有如下關(guān)系式：
N2＝K1 N1
N3＝K2 N2＝K2K1 N1
N4＝K3 N3＝K3K2K1 N1
...
Nn＝Kn-1 Nn-1＝Kn-1...K1 N1
上式中N1為第一傳動點的速度，也稱為全線速度。改變?nèi)€速度N1，其余各傳動點速度N2、...、Nn 都會隨之成比例改變，但改變速比K i（i=1、2、...、 n-1），只有第i 個傳動點后面的傳動速度會改變，i 之前的各傳動點速度不會改變。
例如：調(diào)整速比K3，傳動速度N4、N5、...Nn 都會改變，但N1、N2、N3 不會改變
2．多分部同步速度鏈控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
這種系統(tǒng)的特點是各傳動點之間只存在速比關(guān)系，無負荷分配控制。這種系統(tǒng)較為簡單，可以滿足多種紙機和變頻器相結(jié)合的需要，同步速度鏈可以是模擬式速度鏈、數(shù)字式速度鏈以及PLC 程序式速度鏈，以下分別說明其原理。
1）模擬式速度鏈
這種速度鏈在直流傳動時代就已經(jīng)被采用了，其原理如下圖所示。
其中N1是全線速度，只有第一傳動點能改變?nèi)€速度，其余各點只能微調(diào)，范圍大約在5％-10％之間。模擬速度鏈的優(yōu)點是簡單、靈活、成本低，缺點是抗干擾能力較差，當信號線較長時使用受到限制，存在可靠性差、功能不足等缺點。
2）PLC 程序式速度鏈
對于大型多傳動點的紙機能很好的解決模擬式速度鏈的可靠性差、功能不足等問題。該控制器采用進口的可編程序控制器（PLC）作為現(xiàn)場的控制中心，設備所有的輸入控制開關(guān)、保護接點及輸出點通過光電隔離進出PLC，有效屏蔽掉了現(xiàn)場的干擾信號，中央處理器運行的可靠運行得到保障。原來的電氣驅(qū)動部分采用直流調(diào)速。改造后將采用以PLC＋工控機作中央控制器控制多變頻全數(shù)字化的控制系統(tǒng)（見圖1）。依據(jù)具體控制要求設計控制方案如下：
（1）PLC 對八臺特制變頻器均采用閉環(huán)矢量控制，從而增加變頻調(diào)速的控制精度及系統(tǒng)的啟動能力，實現(xiàn)在線無級調(diào)速（見圖2）。各電機之間相互關(guān)聯(lián)同步，驅(qū)動器具有同步加減速功能。
（2）整機速度的調(diào)整可由生產(chǎn)現(xiàn)場的操作工在觸摸屏上輸入數(shù)字完成亦可由值班室人員在工控機上輸入完成。設備生產(chǎn)速度由以下公式計算:
式中:f為電機運行頻率 δ滑差系數(shù) κ機械傳動比 n電機極對數(shù)
由上式可即可計算出設備的生產(chǎn)速度。
（3）同樣的方法亦可以實現(xiàn)各分部電機的獨立調(diào)速和手動偏差修正。
（4）各電機之間運行時利用PLC 以及矢量控制保證電機間的絕對同步，如遇機械或其他原因造成某分部電機速度漂移或負荷突變時系統(tǒng)會指令其他的電機自動跟隨，由此降低斷紙的機率，提高紙張質(zhì)量。
（5）系統(tǒng)設有張力檢測功能，依據(jù)張力自動調(diào)節(jié)各電機的轉(zhuǎn)速。
（6）為方便設備維修系統(tǒng)設有點動爬行功能，可獨立運行各分部，速度一樣可以自由設置。
（7）保留系統(tǒng)原有的控制功能和操作方法。
（8）系統(tǒng)還設有報警提示、各電機轉(zhuǎn)速等工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示功能。（圖3）
（9）工控機還設有報警記錄、產(chǎn)量統(tǒng)計、開機時間等生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄功能
（圖4）
圖一
圖二
圖三
圖四
三、 工作原理
當系統(tǒng)收到運行信號后，首先檢測電機等設備運行必備的條件是否滿足， 若不滿足系統(tǒng)會自動輸出適當?shù)男盘栻?qū)動這些信號的動力源，在設定的時間內(nèi)還不能滿足系統(tǒng)運行要求時系統(tǒng)會自動給出一報警提示，要求用戶去排除故障。
系統(tǒng)啟動條件全部滿足后系統(tǒng)將依據(jù)用戶所設置的整機速度和8 臺電機的運行頻率進行基本運行頻率運算，計算得出的運行頻率由PLC 傳輸給變頻器來控制電機按工藝要求的順序啟動相應的電機，所有電機全部啟動完畢后設備進入正常工作狀態(tài)，同時系統(tǒng)會依據(jù)反饋給系統(tǒng)的最終輸出轉(zhuǎn)速來進行微量補償，從而使設備運行在同步狀態(tài)，系統(tǒng)中設置有張力回饋裝置，實時采集紙張的張力，按照實際工況再自動調(diào)節(jié)各電機運行的頻率，從而達到減少斷紙的機率。在系統(tǒng)運行過程中如遇嚴重故障報警時系統(tǒng)會自動停掉前端的電機，后端電機在運 行一段時間后故障沒有復位或系統(tǒng)沒有收到停機信號時會自動停機。系統(tǒng)停機的過程與啟動的過程相反。
四 、改造優(yōu)勢
1、系統(tǒng)提供的連鎖包括：安全連鎖、工藝連鎖、起動連鎖、停機連鎖、斷紙連鎖、故障連鎖。
2、采用變頻替代直流調(diào)速后能降低企業(yè)能耗。系統(tǒng)有先進的張力控制方法以及同步精度得到了大幅提高，為設備生產(chǎn)的紙張質(zhì)量提供了有力的技術(shù)保障。整機速度調(diào)整方便、平穩(wěn)，調(diào)速范圍廣，線速度調(diào)節(jié)范圍可達0-800m/min。加、減速同步，能滿足多種生產(chǎn)要求。
3、各分部速度以及速比可以獨立調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的負荷比智能分析軟件會依據(jù)負荷的分布狀況自動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩，從而保證設備在任一分部的負荷發(fā)生變化時各分部間的速比不會超出要求范圍；各分部的速度可以上下微調(diào)，并互不影響。
4、系統(tǒng)的檢修模式具有分部點動爬行功能。
5、操作簡單科學、直觀?，F(xiàn)場設備工作狀況在線模擬仿真，讓用戶好像置身于車間現(xiàn)場。
6、提供長時間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄，為管理層安排生產(chǎn)和了解生產(chǎn)進度提供依據(jù)。系統(tǒng)提供的故障記錄功能能更方便用戶的維修工作，故障提示能為維修人員指明維修方向。
7、在線實時監(jiān)控更有利于對產(chǎn)品質(zhì)量的控制和設備運行狀態(tài)的了解，為以后的保養(yǎng)工作提供了參考數(shù)據(jù)。所有操作均設有密碼保護，可對實際操作人員做等級分別，分別授權(quán)和設置不同密碼。
8、設備還可以實現(xiàn)遠程管理功能，系統(tǒng)使用國際標準的通訊協(xié)議，為以后企業(yè)的全面自動化改造提供了良好的兼容性。
