高速纸机传动控制的关键设计分析

摘要：随着造纸工艺技术的不断革新和人们对效率和品质要求不断提高，凭借操作经验进行人工调节的方式在高速造纸机中已不能满足要求，需要对纸机进行自动控制，造纸自动化和传动控制技术便应运而生。文章对纸机进行自动控制中速度链协调和负荷分配大小协调的问题进行了分析。

关键词：造纸自动化；传动控制；速度链负荷分配

传动控制设计的关键在于速度链和负荷分配。纸浆经由纸机的各个传动部分形成纸张，由于纸张的伸缩度不同，传动各个分部之间的速度也不一样，为了保持传动分部间的纸张的伸缩度和传动分部间的速度差恒定，就要进行分部的速差控制，使各个分部间严格保持一个相对的速度稳定；同时，在有主辊和从辊的分部，还要对主辊和从辊进行负荷分配，使两辊在速度保持一致的同时按不同的比例合理分担负荷的大小。

造纸机主要由网部、压榨部、干燥部、卷取部等部分组成，根据纸种、质量和工艺指标的不同，部分纸机还会增加施胶分部、涂布机、压光机等。分部传动基本构成如下图

随着微机技术以及现场控制总线通信技术进入实用阶段，造纸控制系统基本上采用了基于现场总线的分部同步控制方式、使用公共直流母线供电和数字式的交流变频调速。本文以罗克韦尔工控产品和ControlLogix软件平台作为传动控制系统设计的基础，以下为ControlLogix平台自动控制系统的标准总貌示意图：

在上图中，最基本也是最关键的速度链和负荷分配的设计是必须的。传动控制还提供了系统联锁和系统保护。

下图为某纸机主传动速度链和负荷分配示意图，图中 表示速度主链，虚线表示带有负荷分配及联动的速度支链，实线表示速度支链， 表示张力控制， 表示速度控制， 表示带有负荷分配的转矩控制。

一、 速度链

由上图所示，速度链可以看作是一条由上而下的树状形式，在速度传递方向上主要的分部作为主干，其它从辊或者不重要的分部作为分支。较常见的是以底网驱网辊作为速度链的基准点（源头），主干线是底网驱网辊 三级压榨部主辊 前烘干部 施胶机主辊 施胶烘干部 卷取部。各部的从辊或导辊作为分支，其中网部以底网为中心星型辐射，靠近底网的分网跟随底网，分网内的从辊又跟随主辊，形成层叠形的主从速度跟随关系。在纸机的传动控制中，将各独立的传动分部作为一整体，多台电机带动的分部通过转矩分配并在主辊恒定的速度带动下实现整体控制，主辊保证速度的稳定，从辊通过转矩分配施以一定的转矩，承担一定负载。

根据造纸工艺要求， 纸机车速（v） 和抄纸定量（q） 之间存在下列关系：Δq/ q =Δv/ v （其中Δq 是定量容许公差范围， Δv 是纸机车速容许公差范围）。为了保证纸的定量能够在许可公差范围之内， 要求纸机车速稳定， 速度只能在一定的许可范围内波动， 通常生产时， 纸机车速偏差Δv 不超过±（ 1.5 %～1 %）。稳定的纸机车速能保证纸的定量稳定， 并避免断纸及其它一些问题。在某一品种某一速度区， 各个分部间速度的比例基本不变， 纸机前后各分部间速度是一种比例协调关系，如下图所示

前一分部速度是后一分部速度的Ki 倍。

K1 = N2/N1 N2 = K1•N1

K2 = N3/N2 N3 = K2•N2

K3 = N4/N3 N4 = K3•N3

速度链的设计要以易拉纸、控制容易为主要目标，纸机各分部速度按照前慢后快的方式运转，各分部间利用调节系数控制速差，使纸在高低速时前后速差都能按比例变化。

附：实现速度链控制程序节选。通过一段程序的分析，可以起到一叶知秋的效果。

速度链爬行/运行控制

总车速调节

速度链调节

速度链处理

速度给定

二、负荷分配

纸机的同一分部若有多个电机时还得进行负荷分配控制，各传动点之间要求速度同步的同时还要求负载均衡，否则会影响正常抄纸， 有可能撕坏毛布或造成断纸；另外，负荷分配不平衡可能会造成某一个或多个电机过负荷运转，有时速度过快的电机会拖动速度较慢的电机，增加了电机负荷，影响电机寿命，甚至会烧毁电机。所以有必要在各个分部中的各自传动点之间实施负荷自动分配控制功能。

负荷分配首先需要确定好主辊和从辊，在网部一般是功率大的、包角大的、包胶的辊子作为主辊，简单说就是驱网能力大的分部作为主辊；对于压榨、施胶等分部，一般以固定辊作为主辊，摆动辊做从辊，如果压区合上之前纸张附着的辊子应作为主辊。传动控制要求各传动点电机负载率δ相同，即δPi/ Pie；其中Pi为第i台电机所承担的负载功率，Pie为第i台电机的额定功率。但是在实际控制系统中， 由于电机功率是间接量， 在实际运行中难以测量， 所以通常是以电机转矩电流代替电机功率：

在以上公式中，Ili为第i台电机的转矩电流，Iei为第i台电机的额定电流，Il为负载总电流。负荷分配的通常做法是转矩限制下的速度控制，先给定从辊比主辊略高的速度偏置，再分别读取主从分部当前转矩电流，根据事先确定的比例曲线给定从辊转矩限制，从而使得从辊因转矩限制而降速直到与主辊基本一致，同时保证了从辊与主辊的出力比例。比例曲线的横向坐标可以是总转矩电流，也可以是主辊的转矩电流，转矩电流读上来时可适当滤波。比例曲线采用两点一线法来确定，通过调节两点的坐标位置，可以达到不同的运行效果，即在调整负荷关系时，要应实际情况设置好从辊的最小值、最大值和斜率；从辊的转矩限幅：如下图所示

实际需要应根据现场机械特性确定，目的是保证主从电流分摊尽量一致，包括启动电流。启动时需要较大转矩的设备，分配的比例也要大。

附：实现负荷分配控制程序节选。

负荷分配比例设计

负荷分配控制

三、结论

传动系统和MCS、DCS、QCS等其它控制系统，共同构成了纸机自动控制系统，科学合理的设计使各种控制方式在这里得到和谐的统一。

1．传动技术作为造纸自动化的组成部分，起着举足轻重和不可替代的主导作用；速度链闭环控制、负荷分配控制是整个传动控制系统的核心，其设计至关重要，是造纸机能否正常生产的关键。

2．本程序设计结构清晰、功能明确；得益于微机技术和现场总线技术，使速度链和负荷分配的设计方案得到优化，成功实现了纸机高精度同步控制，达到精确控制的目的。由于使用了先进的软硬件系统，相比现今较为流行的其它工控系统，在运算能力、总线控制手段和网络传输速度等方面有独特的技术优势，具有很好的高速实时响应性，数据传输迅速，提高了系统自动化程度、稳定性、响应速度，并且降低了设备故障率。

3．上位机可以保存各种生产状况数据和报表，极大方便了生产管理人员跟踪查看纸机历史数据，分析并随时调整生产状态。操作屏的应用也极大地方便了现场生产人员的生产操作，通过操作屏现场人员可以非常轻松地对各种生产参数进行设置，生产运行中可以轻松地监控纸机各个部位的实时运行状况，而且操作简单明了，实现高效管理，提高生产效率、成纸品质和产量。

4．纸机传动系统中通常设置吸收馈电的保护装置，一般在直流母线排中接入DBU单元，通过DBU单元测算馈电能量，接入适合的制动电阻，消耗反送的能量。

5．由于采用了通讯网络技术，纸机各传动分部的数据和系统联锁信息能通过通讯网络直接传送到公开信息层网络（ETHERNETIP），因此可以非常简单方便地将数据传送给其它系统（如MCS、DCS和QCS等系统），实现整体自动控制系统的稳定无缝链接，数据共享。

参考文献

[1]吴国庆．纸机传动系统应用手册．

[2]ControlLogix系统概述．罗克韦尔自动化公司．

[3]ControlLogix用户手册．罗克韦尔自动化公司．

作者简介：吴志春（1974- ），男，供职于广东省阳春市华丽高分子材料厂，研究方向：工业自动化生产线机电设备控制的技术研究与管理。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。