1 引言
目前，國際上先進的造紙機都朝高效率、低消耗方向發展，這是市場競爭的需要。而目前有很多正在運行的造紙機在這方面則處于劣勢，有必要進行技術改造進行升級;而對于造紙機械的廠家也必須迎頭趕上，從設計的源頭進行性能提升。
傳動作為造紙機的核心部分，其發展要求是提高車 速和自動化程度?，F在運行中的一些國產造紙機，最快 的只有500~600m/min，而國外造紙機運行速度已達1600~1800m/min，某些甚至超過2000m/min，差距甚大。車速越快效率則越高。同時目前國產造紙機多為人工控制，其自動控制程度也不高，而國外大型造紙機的自動化程度相當高，隨著紙機的高速化和大型化，靠人工控制已是很難的事。
本文將從數字化網絡的造紙機傳動、可控張力和轉矩的復卷機傳動、專用收卷的變頻傳動三個不同的方面來闡述紙機傳動的控制方式和發展趨勢。
2 數字化網絡的造紙機傳動控制系統
目前的造紙機上，對于傳動的控制基本上有兩種:
(1) 模擬控制;
(2) 數字控制。模擬控制的傳動控制系統結構簡單、容易操作，對用戶技術方面的要求不高，速度精度可以滿足用戶的需求，且穩定可靠，同時具有速度統調、微調滿足生產工藝的要求，并可以根據負載結構的變化，靈活的改變控制方式，它還有良好的顯示界面，操作者能夠實施控制設備運行狀況。但它只能適用低速紙機，且不易實現管控一體化。
數字控制的傳動控制系統，可以廣泛應用于線路較長、分部傳動數量較多的中大型高速紙機。如圖1所示，它利用通訊方式實現系統的全數字控制，抗干擾能力強、信號衰減差，分辨率高，可實現高精度控制，同時可以根據紙機工藝要求及負載情況控制更靈活。
圖1 數字化網絡的傳動控制系統
無論是二級控制系統或者三級控制系統，全數字技術的運用不但大幅度提高了紙機車速，而且減輕了工人勞動強度和減少了維修時間。使產量和經濟效益大幅度提高。全數字分部傳動技術是模擬量控制技術和總軸傳動系統無法比擬的。
在目前傳動數字化網絡中，profibus始終是最受歡迎的。profibus-dp現場總線特別適用于需要快速響應和數據交換量不大的現場，是一種開放式現場總線系統，并已標準化。profibus-dp現場總線有以下特點:經過雙絞線或光纜的進行數據傳輸，能進行自動化系統的柔性和模塊化設計、節省接線費用、最多125個節點;最大為12mbps、響應時間短、傳輸距離可達23.8km、通過各種專用集成電路(asic)和接口模板、簡化設備的連接, profibus-dp是“全集成自動化”的系統總線、世界上著名的可編程序控制器銷售商普遍認識到作為現場層標準接口的profibus-dp的優點。基于以上原因在紙機的電氣控制上也大量采用profibus-dp現場總線。
目前國內實現數字化網絡的傳動系統主要有西安寶德自動化的wb-pdd-a系統、杭州華章電氣的hz-ac3000系統、上海造紙電控所的sied紙機電氣二級或三級控制系統等。
wb-pdd-a造紙機控制系統是針對2640/320低定量涂布造紙機設計開發的，電氣傳動系統采用國際標準工業現場總線profibus，以1.5mbps的通訊速率將西門子最新型s7-400plc、6ra24全數字直流傳動裝置、op37智能操作單元等構成現場局域網實現造紙系統的張力、速度、負荷分配等各種參數的設定及控制，可對紙機中的任何一臺傳動裝置進行啟動、停止、爬行、點動、松弛和張力控制。系統環境為中文win95界面，應用軟件采用西門子wincc組態軟件。系統可對每一個傳動控制點的過程參數、故障狀態進行實時顯示、監視、存儲及打印，并提供歷史趨勢圖及完成工藝參數的在線修改與保存。
hz-ac3000造紙系統采用的是基于微處理器的速度環、轉矩環和張力環三環自動調整控制原理，在程序設定中可以自由調整加減速時間及最大/最小速度值。速度閉環控制、負荷分配控制、轉矩/張力控制和松弛等構成了一個開放式的樹狀速度鏈，它是整個傳動控制系統的核心，各種控制方式在這里得到了和諧的統一。對于濕部傳動控制，為了保證紙張的復合效果，決定網部的驅網輥采用速度閉環控制;同一網上的傳動點之間、相互接觸的壓榨輥之間采用負荷分配。而對于干部傳動控制，由于干部的紙張已經建立了張力，所以，干部的控制以張力為目標。對張力容易發生變化的區域內的傳動點采用轉矩/張力控制，而對張力不容易發生變化的區域內的傳動點則采用速度閉環控制。hz-ac3000控制網絡還提供了系統聯鎖(安全聯鎖、工藝聯鎖、起動聯鎖、停機聯鎖、斷紙聯鎖、故障聯鎖等)和系統保護(相序監測、缺相監測、欠壓監測、過壓監測、瞬間過流保護、長時過流保護、編碼器信號丟失報警和保護、超頻、超速報警和保護、接地故障報警、通訊故障報警等)。由于在紙機傳動控制系統中采用了通訊網絡技術，紙機各傳動分部的數據和系統聯鎖信息能通過通訊網絡直接傳送到信息層網絡，即以太網。而以太網采用公開的通訊協議(ethernet ip)，因此能將數據傳送給其它系統(如mcs、dcs和qcs系統)。
sied造紙系統包括三部分:
(1) 工業pc機并預裝先進的工控軟件作為上位機，用于過程、生產流程、機械和設備的可視化操作。通過mpi(多點接口)與plc主站通訊。
(2) plc主站采用先進的高性能plc系統配置，并提供標準工具及軟件對硬件進行配置、參數設置、編程、操作、診斷。通過profibus-dp接口連接到現場級profibus-dp網絡上，以12mbit/s的通訊速度與下一級hmi人機界面或傳動控制裝置通訊。
(3) hmi人機界面或傳動控制裝置通過profibus-dp接口連接到現場profibus-dp網絡上。hmi人機界面或傳動控制裝置完成對現場數據的采集，并通過現場級 profibus-dp 網絡交換數據和接受 plc主站指令并向plc主站發送數據。
3 可控張力和轉矩的復卷機傳動控制系統
復卷機的機械結構決定了電氣傳動系統的控制方案。復卷機電氣傳動控制就是根據紙張通過不同的機械部件，運用不同的控制方法，既保證紙張的質量，又保證復卷機可靠、穩定、連續地高速運行;操作方法科學、簡便、直觀，同時又為生產和設備管理提供有效的途徑。
圖2所示為雙底輥高速復卷機的外觀圖和控制原理，其傳動部分包括退紙架電機m0、前底輥m1和后底輥m2。因為復卷機的運行速度取決于前底輥m1的線速度，同時，前底輥的線速度穩定與否還直接影響張力的穩定性。復卷機傳動系統對于前底輥m1采用了速度閉環控制，控制精度一般控制在萬分之五和千分之一。為保證復卷機正常穩定運行，必須控制紙幅張力f。退紙架m0通過工作在發電機狀態，其產生的制動轉矩t(t)和紙幅張力f(t)及放紙卷半徑r(t)之間滿足:
t(t)= f(t)×r(t)
其中，r(t)可利用光電編碼器測得的前底輥和退紙架電機速度計算得到。
復卷機的傳動控制特點:
(1) 前后底輥m1和m2的力矩差控制，以保證紙卷內外松緊一致性。
(2) 退紙實現自動張力控制和轉矩控制，通過配置張力傳感器能夠有效地保證張力閉環自動控制。
為保證成紙卷的質量，需要控制前后底輥m1和m2的力矩剪刀差(如圖2右所示)。底輥電機m1和m2是控制復卷機的兩個支承輥，在高速復卷機的設計中，兩底輥通常是肩并肩的，并且有不同的直徑(m1直徑較大)和定位高度。隨著復卷的進行，紙卷直徑上升，其重量也上升，紙卷的重量慢慢從m2移至m1上。在紙卷直徑增大的過程中，兩底輥受力的調整叫“負荷分配”，其分配量可由電機電流強度大小(或轉矩大小)來控制。在分配過程控制中通常采用線性一致的原則，即m1的轉矩控制值線性上升、m2的轉矩控制值線性下降，但兩者的總和保持為恒定，因此就形成了類似開口剪刀的轉矩控制圖形，故又被稱為“剪刀差”控制方式。
圖2 復卷機外觀和控制原理示意圖
在退紙架電機的運行狀態中，提供足夠的制動力矩是主要問題。一般情況下，制動力矩有三種情況:
(1) 運行中的轉矩;
(2) 緊急停止時的轉矩;
(3) 正常停車時的轉矩。
運行中的轉矩控制必須保證紙幅的任何一點都能有恒定的張力，因為轉矩＝張力×紙卷半徑，因此隨著半徑的逐步減少轉矩值也隨之減少，同時最大的轉矩值應該是在滿卷時出現。
緊急停車時的轉卷控制一般出現在紙幅斷裂或者安全開關被觸發時，這時必須要有足夠的制動轉矩以保證快速停車。在紙幅斷裂時，轉矩控制要考慮的因素為紙卷的慣量和速度n，其轉矩
t＝gd2×n/(308×t)
轉矩t的單位為磅·英尺;
時間t為緊停時間或者需要最快的時間(s)。
既然滿卷時的慣量為最大值，因此通常都將該值作為最惡劣的情況下紙幅斷裂時的數值，當時的速度n可以通過對線速度v的計算獲得，緊停時間t則一般取2s。
正常停車時的轉矩控制必須保證紙卷在既定的時間內轉速為0，同時在停車過程中保持任何一點都是恒定的張力，這時其轉矩
t＝trun+gd2×n/(308×t)
轉矩trun為正常運行時的轉矩;
時間t為停車時間。
顯然假如按照2s的停車時間進行停車其所需的轉矩比紙幅斷裂時還要大，因為它還必須克服額外的紙幅張力。但通常停車的時間都控制在8~10s左右。
4 專用收放卷的變頻傳動控制系統
在紙和紙板工業生產中, 通常都需要進行卷取控制，以生產符合要求的卷材, 如超級壓光機、復卷機、機外涂布機、分切機等。目前成熟的收卷主要是采用力矩電機、直流電機或者張力控制器進行收卷, 而很少用到非常普及的交流變頻器。
經典的收卷都是采用張力閉環，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設定值構成pid閉環，然后調整變頻器的輸出頻率命令(速度模式)或輸出轉矩指令(轉矩模式)。此方案可以適用于高精度的張力收卷場合，但對于要求并不嚴格、又要求性價比高的收卷來說，本文提出了比較實用的矢量變頻器限轉矩方法，可以省去張力傳感器、pid控制器，而只需要簡單的變頻器加plc控制即可。
圖3 中心收卷示意圖
圖3為中心收卷基本示意圖，采用開環的張力控制來實現收卷。在這種控制方式下，實際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內部的檢測和計算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，降低了系統的成本和難度。
由設定的張力和卷筒的卷徑可以計算出變頻器的轉矩指令，其公式如下:
t=(f×d)/(2×i)
其中: t為變頻器的輸出轉矩指令; f為張力設定指令;d為卷筒的卷徑; i為機械傳動比。
在實際的使用中，卷取控制通常都需要材料張力隨著卷徑增大而相應降低，以防止損傷卷軸和提高產品的卷取質量，這樣的控制就叫“錐度控制”。
張力錐度為:
f=f0×[1-k(1-d0 / d)]
其中: f為實際輸出張力; f0為張力設定指令; k為張力錐度系數; d為卷筒實時卷徑; d0為空心卷筒卷徑。
綜合以上二公式可以得出t是d的一次函數t=f(d)。
在轉矩控制中已經看出，轉矩是直接跟卷徑有關，并且是卷徑的一次函數，因此卷徑的計算是比較重要的。最簡單的當然是直接測量，但實際中我們都會考慮采用間接計算法，以減少成本。
通常計算卷徑有兩種方法:線速度計算和厚度積分。前者是利用線速度除以電機角速度就是卷徑的相對比例，方法比較簡單，但必須注意當線速度運行在低速時由于卷材的線速度和電機的運行頻率都比較低，所以導致誤差比較大，因此通常要采用彌補的方法(比方設定一個最低線速度下限值)。后者按卷筒的旋轉圈數進行卷徑累積，必須注意的是一定要準確知道紙張的厚度，在換品種時必須輸入厚度系數。
矢量控制的變頻器是通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，可以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。
就目前的技術而言，具有收卷和放卷控制的變頻器已經在紙機傳動的很多設備進行了廣泛的應用，并以簡單的配置和靈活的應用獲得了用戶的好評。
5 結束語
傳動的高效率運行將突破紙機生產的技術瓶頸，無論是數字化網絡的紙機傳動，還是可控轉矩和張力的復卷機傳動，以及專用的收放卷變頻系統都將有力地促進紙機效能的提高。隨著傳動技術和變頻器的發展，紙機的控制方式不僅可以獲得快速實現，更能體現柔性驅動。
參考文獻
[1] 杜金城. 電氣變頻調速設計技術[m]. 北京:中國電力出版社,2001.
[2] 復卷機培訓手冊[z]. 寧波中華紙業有限公司,1996.
[3] td3300張力控制專用變頻器[z]. 艾默生網絡能源有限公司,2002.
作者簡介
李方園(1973-) 男 電氣自動化工程師 1995年畢業于浙大電機系工業電氣自動化專業，主要從事輕工機械行業的電氣傳動和fa系統設計。目前已在國內主要專業期刊發表論文50多篇。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
