电气控制系统在造纸机分部传动中的应用研究.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化15摘要：随着科技的发展和工业生产需求的增长，现代造纸机械发挥着越来越重要的作用。其中，分部传动的应用成为提高造纸设备生产效率和系统可靠性的关键环节。基于此，文章详细阐述了造纸机分部传动的基本原理和特点，分析了电气控制系统在造纸机分部传动中的作用，探讨了电气控制系统存在的问题，并提出了一系列针对造纸机分部传动电气控制系统的改进建议，旨在通过对电气控制系统的研究和优化设计，提高造纸机在分部传动过程中的生产效率，降低故障率，实现良好的经济效益和可持续发展。关键词：电气控制系统；造纸机；分部传动；闭环控制；软件设计分类号：TS7361 造纸机分部传动的基本原理与特点造纸机分部传动是一种先进传动方式，采用电气控制系统调节各分部的工作速度，以实现纸张在整个制造过程中的均匀输送。分部传动主要包括两个方面：（1）通过变频器调节电机转速，实行分组或单独控制；（2）是利用控制器和传感器对各传动部件进行闭环控制，保证纸张张力的均匀。在这种传动方式中，各生产单元之间的速度可以独立调节，也可以配合整个生产线进行联动控制。通过实时监测传感器采集的张力、速度、湿度等数据，控制器可以迅速作出调整指令，使电机采取合适的驱动方式，维持纸张在生产过程中的平稳传输1。造纸机分部传动的实现依赖于电气控制系统在各生产单元的精确调控，包括浆料制备、纸张成型、压榨脱水、干燥、卷取等环节。与传统整体传动方式相比，分部传动具有生产效率高、能源消耗低、系统稳定性强、调速范围广和设备寿命长等优点，这种传动方式已广泛应用于造纸、印刷、塑料、橡胶加工等领域，实现了较高生产能力和较低设备故障率。2 电气控制系统在分部传动中的作用2.1 提高生产线可靠性与可控性电气控制系统在分部传动中发挥着关键作用，可显著提高生产线的可靠性和可控性，对电机的精确控制，实现各个生产环节速度的协同和平稳过渡，既降低设备磨损，减少故障风险，又提高了纸张质量和生产效率。电气控制系统还可对各分部传动进行故障诊断和预警，保证造纸机械长时间、高效运行，实时监测和处理来自各传感器的数据，例如纸张张力、湿度、温度等，便于调度人员实时掌握各生产环节的状态，优化生产过程并排除潜在隐患，将生产数据上传至云平台，管理人员也可实施远程监控和数据分析，为制订合理的生产计划、排程及提前预警、维护决策提供有力支持。2.2 提高资源利用率电气控制系统在分部传动中的应用可以提高资源利用率，显著降低能耗。利用先进的控制算法和调速技术，例如直接转矩控制（DTC）和无传感器控制策略，实现各生产单元速度的精确匹配，避免不必要的速度变化和浪费，通过动态调整电机运行参数（如电压、频率、电流等），确保电机始终在最佳工作状态下运行，降低了设备故障率和能源消耗。电气控制系统也支持对生产过程参数的实时监测与优化，对原材料、电力、水等资源的使用进行节能化、合理化调度，从而减少能源开支，提高整体利润率2。2.3 实现制造柔性与智能化生产电气控制系统在分部传动中的应用，为制造柔性与智能化生产铺设了基础。采用现代化的控制策略（如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等）和先进的信息技术，可提高控制精度和响应速度，适应各种复电气控制系统在造纸机分部传动中的应用研究许伟靖1，胡禾永2，王 迪11.沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 1101672.中建铁投路桥有限公司，辽宁 沈阳 110020文章编号：2096-3092（2024）02-0015-03作者简介：许伟靖，女，硕士，讲师，研究方向为智能建筑技术、现代电视技术、建筑电气设计。装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料16杂生产条件和多变需求，有助于实现多品种、小批量、定制化生产，满足客户日益多样化的需求。与工业互联网、物联网、大数据等技术的结合，实现设备间的数据传输与协同，自动化程度和智能化程度不断提高，这种生产模式有助于实现对生产过程的精细管理、人工成本降低、产能提升及消费者满意度的提高，进而在日益激烈的市场竞争环境中，为企业赢得优势。3 现有电气控制系统存在的问题3.1 实时性与稳定性问题现有电气控制系统在分部传动中可能存在实时性和稳定性问题，由于系统硬件和软件性能的局限，例如处理器速度过低、传输延迟较高、控制策略较为简单等，使系统在面对快速变化的工况时，不能及时作出稳定且准确的响应。针对造纸生产线，纸张的张力、湿度以及温度等参数变化对其影响较大，若实时性与稳定性不佳，可能引发纸张生产质量问题以及设备故障风险。现有电气控制系统通信网络架构较为复杂，容易受到外部干扰，影响数据通信的准确性和实时性，这些问题如果没有得到有效解决，将不利于分部传动的高效稳定运行和产线整体性能的提升。3.2 控制精度与智能化水平问题现有电气控制系统在分部传动中可能面临控制精度和智能化水平不足的问题，由于控制器算法和硬件限制，系统不能实现高精度、高速度的闭环控制，使电机调速不精确，从而影响整个生产线的协同和纸张质量。智能化程度不足会导致生产线对工况变化的适应性差，无法调整预热、干燥、卷取等环节的速度以适应纸张制品的不同规格需求，智能化水平不足也会限制制造柔性和生产效率的提高，降低企业在市场中的竞争力。3.3 系统集成与兼容性问题在现有的造纸机械产业中，各个生产环节涉及多种设备和供应商，而电气控制系统在不同设备和生产环节之间的集成难度较大，导致系统在整合过程中可能出现设备之间的通信故障、信号接口的兼容性问题，影响了整个分部传动控制系统的性能表现。由于各厂商制定的标准不一，使现场状况不同的独立设备间兼容性差，系统的调试、维护和升级困难，也可能影响机台间协同的工作效果。另外，面对日益迅猛发展的自动化和信息技术，现有系统在兼容、更新和升级方面也显示出不足，从而制约造纸行业的技术进步和产业升级。4 造纸机分部传动电气控制系统的应用策略4.1 采用闭环控制策略闭环控制可以实时监测和调整造纸过程中的纸张张力、湿度、速度等参数，以实现最佳生产效果。通过比例-积分-微分（PID）控制器，精确控制生产环节的速度，减少速度波动对纸张质量的负面影响。此外，先进的控制策略，如模型预测控制（MPC）、自适应控制（AC）和模糊控制等，能够进一步提高系统对突发变化和非线性过程的响应能力和控制精度。闭环控制通过执行器和传感器的互动，实时收集生产参数并与设定值比较，通过控制器快速调整执行器状态。系统可以根据实际生产需求，采用兼容 MPC、AC、模糊控制等策略的控制算法，识别不稳定因素并调整以确保生产线高效运行。采用闭环控制策略实施分部传动电气控制系统，可提高造纸生产线的稳定性、响应速度和准确性，降低纸张质量波动，提高设备利用率和生产效率。4.2 优化硬件与软件设计在硬件优化方面，主要包括提高处理器性能、扩大存储容量以及应用更通信接口。采用高速处理器和高性能 I/O 模块有助于缩短系统反应时间，确保造纸生产线在各种工况变化下具备良好的容错能力。硬件优化还涉及传感器性能的提升、信号处理能力的增强与电气元器件的高集成度，高性能传感器和增强信号处理能力有助于获取生产过程中的关键参数，提高对纸张质量的监测，具有高集成度的电气元器件可降低系统布局的复杂性，进而减少空间占用，方便维护和调试。在软件优化方面，关键措施包括更新控制算法、使用先进的编程语言、采纳模块化及面向对象的设计思维，优化软件架构和算法，降低系统故障率，以适应各工况需求，采用新一代实时操作系统和创新的控制策略将有助于保证系统在失稳工况下的稳定运行和及时响应，从而显著提升整体系统性能。在软件优化中，可以考虑引入人工智能和机器学习技术，运用这些先进技术对控制策略进行优化和自动调整，有助于系统更加智能地识别和适应各种生产环境，进一步增强系统对纸张制造过程的自适应控制能力，要关注系统的安全性和适应不同设备的兼容性，实现跨厂商设备间造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化17的无缝对接，使整个生产线的运行更轻松、高效。4.3 引入智能化管理智能化管理是提升分部传动电气控制系统的效能的有效措施，可以借助物联网（IoT）、大数据等尖端技术的融合应用，实时获取、处理和分析设备运行的各项数据，运用人工智能与机器学习算法，使系统能够在生产过程中自动诊断、预测并排除异常问题，从而增强系统的错误容忍性和自适应能力，依靠工业互联网平台实现对生产线的远程监测和调度，以及智能维护、故障预警和生产流程可追溯性分析等功能，为企业管理层提供有力数据支持，有助于提升产品品质、降低制造成本，同时提高生产效率。智能化管理还有助于数字孪生技术在造纸产业的运用，数字孪生在虚拟环境与现实世界之间建立双向联系，为生产过程提供虚拟仿真实验和优化建模，从而为实际生产带来精确而有效的指引，结合智能传感器和边缘计算技术，使分部传动电气控制系统在分析纸张张力、湿度、速度等关键参数时具备更高的精确性和实时性，确保整个生产过程的稳定性和高效运行。在实施智能化管理的过程中，还可以利用深度学习、强化学习等先进算法，发掘合适的控制模型和优化方法，以便更好地适应生产过程中复杂且多变的工况，为分部传动电气控制系统提供更稳定、高效的控制策略，结合云计算技术和数据挖掘分析，实现生产数据的集中存储和深度分析，从而帮助企业实施精细化管理，提升整体竞争力。5 实际应用案例与效果评价在某造纸厂的生产线上，为提高造纸机分部传动的效能，提升产品质量及生产效率，采用了一种新型的电气控制系统，并对其进行了现场应用及效果评价，该电气控制系统基于先进的工业自动化技术，可以用于精准控制与调节生产过程中的各环节，如纸浆制备、成型、压榨、干燥和卷取等。在对造纸机分部传动的硬件设置进行优化的过程中，选择高性能的可编程序控制器（PLC）和人机界面（HMI），并采用具有高速通信接口的网络模块和I/O 模块。控制系统硬件的升级优化大幅提高了数据通信速率，降低了系统反应延迟。新型电气控制系统采用典型的闭环控制策略，以实现对各分部传动参数的精确调节，利用安装在各个关键节点处的传感器，监测传送过程中纸张张力、温度、湿度等关键参数，并将实时数据传输至控制系统。控制系统根据实际测量值及设定目标值，通过 PID 调节器的调节，为各电机设定合适的驱动参数，如转速、转矩等，以实现纸张在传送过程中的平稳运行。软件方面，通过优化自适应与神经网络控制策略，进一步提高了系统对纸张传送过程中工况变化的响应速度和控制精度，采用升级后的控制系统，在更复杂、多变的运行条件下保持了较高的电气控制性能。另外，实现了智能化管理，利用物联网技术获得设备数据，通过大数据平台进行数据挖掘与分析，系统能够自动诊断生产过程中的异常情况，实时作出预测和排除，确保系统的容错能力和自适应性。同时，通过工业互联网平台实施远程监控和调度、智能维护与故障预警、生产过程可追溯性分析等功能，进一步提高了产品质量及生产效率。该实际应用案例在造纸厂投入使用后，经过为期3 个月的生产运行与效果评估，最终取得了显著的效果。在新型电气控制系统的应用后，生产线上纸张的断裂数量明显减少，质量稳定性得到提升，产品合格率从 93%提高到 98%。同时，生产线的设备故障率也有明显降低，降低了维护成本，提高了生产效率。这既提高了生产过程中纸张的一致性，保障了最终产品质量的稳定，又降低了生产线故障率与维护成本，实现了生产效率和盈利能力的提升。从效果评价来看，新型电气控制系统在分部传动中的应用为造纸设备制造业带来了显著的技术创新和经济效益。6 结束语造纸机分部传动电气控制系统作为生产过程中的核心环节，其稳定性和效能对整个造纸生产线的运行至关重要，通过闭环控制策略、优化硬件与软件设计、引入智能化管理等方案，有助于有效解决现有电气控制系统中的问题和挑战，这些改进措施将为整个造纸产业带来更高的生产效益、降低生产成本和提高产品质量。在面临国际市场竞争以及可持续发展挑战的今天，要不断优化和提升造纸机分部传动电气控制系统，推动造纸行业的源头创新，实现产业转型升级，为企业在激烈的市场竞争中赢得更多机遇。参考文献1 王文林,高世杰.造纸机电气传动自动化变频调速控制方法研究J.造纸科学与技术,2023,42(6):33-37,102.2 周慧.电气自动化和变频调速控制在造纸机传动系统中的应用J.造纸装备及材料,2023,52(11):10-12.