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造纸机传动系统设计

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摘 要
纸对于人们而言是必不可少的一种生活用品, 在工作、 学习当中都经常会用到。而且在人类历史的流传以及文化的交流也起着极其重要的作用, 在材料中属于最基本的层次。
在中国历史长河中, 造纸出现的极早, 中国在这个领域当中技术也属于走在世界前沿的, 而这个行业对于中国经济的发展也有着极为重要的作用。当前, 中国这个行业的特色是: 行业内企业数量较多, 但从规模而言都并不大, 而且纸张的品种远远跟不上人们的需求, 技术层次上并没有突破, 大多数工作都要依靠人力进行, 对环境造成了恶劣影响。而根据有关数据显示, 在企业方面规模中等的数量在三千左右, 在造纸时, 选择的都是效率比较低的机器, 也就是速度低于300m/min, 而且在控制系统方面选择的也一般是开环方式; 而速度属于中等范围, 也就是300m/min到550m/min之间的, 在工作时性能极不稳定, 会出现速度链无法达到一致, 有时还会出现断纸的现象, 由此看来在制造机器时并没有将可能发生的故障灯纳入考量范围, 导致生产时出现事故的可能性较大, 对企业也有很大的负面影响; 而技术较为先进的机器, 基本上都是从国外引进, 因此在这方面的开销也较大, 对于企业的压力也有所提升。而且因为这方面的限制, 引进的机器必须包含有关的所有设备, 而且在维修方面因为国内外的差异, 造成了很大的阻碍, 因此这类机器在真正使用时难度系数较大。而相关行业竞争相当激励, 中国技术方面也没有较大的突破, 因此要对这方面予以足够的重视, 而且控制系统也要进行不断完善, 使得中国在竞争当中不至于处于劣势地位。
在上世纪八十年代, 矢量变频技术相对而言已经较为先进, 而且为了在实际应用当中, 少一些阻碍, 以ABB、 SIEMENS、 AB等公司为代表的电气公司着手针对控制系统进行改进, 利用公共直流母线进行技术上的突破, 使得传动更为顺畅, 而且在那个时期将其应用于各种相关的行业当中, 如造纸。而在1994年, 苏州紫兴纸业便逐步开始利用PPS-200系统, 到后期, 便从国外引进了这类系统构成的规模较大的造纸机, 其控制便是利用上述提到的集散控制系统进行的, 而且国内研究人员在国外技术的基础之上, 不断进行学习和研究, 到1997年, 天津电气传动研究所便开发了一种基于上述系统但具有自主知识产权的相似系统, 而且在实际应用中效果也较好, 至此, 中国便在这方面不再需要依赖于国外的机器才能进行相应的生产制造。
本文在简要介绍造纸机的国内外发展情况和造纸机的基本结构, 主要部分的功能以及工艺流程, 机械传动和变频原理的基础上,根据造纸机工艺及传动特点, 选用了ABB公司具有直接转矩控制功能的ACS800系列逆变器和西门子公司的S7-400 PLC组成控制系统。这类机器能够借助参数的变化而改变操作的方式, 以及实现不同的功能, 进而达到目的。本控制系统是由ACS800逆变器经过PROFIBUS-DP通讯板与西门子 S7-400 PLC组成PROFIBUS-DP总线串行通讯控制系统实现对纸机传动点的启动/停止、 增速/减速、 爬行/运行等控制功能。利用PLC编程达到控制的目的, 对于速度链、 负荷分配、 张力等都能够开展, 而且利用上述提到的各种配置组成的闭环控制系统, 在精细程度上也有了大幅度的提升。这种应用PLC和逆变器构成的纸机变频传动控制系统能够较好的完成纸机生产工艺中的多种控制功能。
关键词: 造纸机, 多传动, 可编程逻辑控制器, 系统设计
Paper Machine Common DC Bus System Design
ABSTRACT
This paper is briefly introduces the internal and external development situation and the basic structure of paper machine , the main part of the function and the technological process, based on the principle of mechanical transmission and frequency conversion, according to paper machine process and transmission characteristic, chose ABB ACS800 series with direct torque control inverter and Siemens S7-400 PLC control system. ACS800 inverter can be set parameters to choose different ways of operation and various functions to achieve control of the system. This control system is made up of ACS800 inverter through the Profibus-dp communication board with Siemens S7-400 PLC serial communication of Profibus-dp bus control system of paper machine transmission point start/stop, growth/deceleration, crawl/run control function. Through the PLC programming transmission control technology to realize the speed chain, load distribution and tension control function. Through ACS800 inverter and feedback, pulse encoder board of closed loop control system, the transmission point to realize high precision control to the system. The application of PLC and inverter paper machine frequency conversion transmission control system can better to complete the paper machine in the process of production of a variety of control functions.
KEYWORDS: Paper machine, Multi drive, PLC, System design

1 绪论
1.1 造纸机的发展
现代造纸技术最早出现在17世纪, 发源地是西方国家, 在1799年法国就研发出了连续抄纸的机器, 由罗贝尔特研发, 其组成构建是两个辊子以及在其之间的无端网, 和所需的其它配件。18 , 法国人达都( Leger Didot) 和英国机师唐金( B.Donkin) 在上述机器的基础上进行改良, 创造出来第一台能够在实际生产中大规模使用的机器, 被人们称作唐金纸机。而在19 , 英国纸商福尔德黎尔( Fourdrinier) 兄弟将上述提到的机器都收入囊中, 变成了至今为止这类创造的唯一法。因此能够说, 造纸机是由罗尔贝特创造, 达都和唐金改进设计的, 而由福尔德黎尔兄弟所投资, 因而国外均将长网造纸机称为Fourdrinier造纸机。而根据纸业的结构上的差异能够划分为长网、 圆网和夹网三种。前两种在纸页成型时借助的形式都是单面脱水, 因此在最终纸张上两面会有所差异, 而最后一种利用的是喷浆达到两面一起脱水的目的, 有效减少上述情况发生的可能性。

图1-1 新一代造纸机
在相关造纸步骤中极为重要, 对于纸张最终形成起了决定性的作用, 备受人们青睐。而中国相关行业领域在经过50多年的不断创新和乳品之后, 在技术方面也有了很大的提升, 从刚开始的单机工作, 到如今大规模的生产, 在机器上的发展历经了下述四个时期:
( 1) 起步阶段
从二十世纪五十年代后期, 中国就针对造纸技术开始研发和创新, 在这个时期, 在政府的协助以及相关业界的帮助下, 在上海, 诞生了第一台3150 mm纸机。而在计划经济时期, 相关行业利用的原材料主要是非木纤维, 而且生产的主力军企业规模都并不大, 所用的也基本上都是单机, 发展路径主要为数量型为主。在这个时期, 技术较为落后, 机器配置不够高, 造出的纸张质量较大, 大部分车速都低于160 m/min。
( 2) 第一次提升
而在二十世纪八十年代, 在引进国外技术的基础上, 中国也开展了相关的研究, 在技术上有了新的突破。在后期, 和美国贝洛依特( Beloit) 公司共同创立了西贝造纸胶辊公司, 其工作的范围主要与高压线压胶辊有关; 与芬兰维美德( Valmet) 公司共同创立了西安维美德造纸机械有限公司, 工作内容以挡造纸机为主; 而且还将奥地利福依特( Voith) 位于当时世界前沿的有关部件和刮刀涂布机方面的先进技术也进行引进。在这个时期, 创新发展, 研究出了每天能够制造50～75t的长网文化纸机以及100t的叠网纸板机及多圆网纸机, 而在速度方面也有了新的突破, 达到了最高450 m/min。
( 3) 第二次提升
在二十世纪九十年代, 相关研发进一步深入, 开发出来规模较大的造纸机, 在这个时间段主要突破的为蒸煮、 制浆设备, 利用不同类型的新型流浆箱、 高冲量压榨、 袋通风、 全数字电控系统; 车速最高提到700 m/min, 幅宽达到4～5 m,整机配置水平有较大提高。
( 4) 第三次提升
而在本世纪开始, 相关行业发展的速度日益提升, 在需求上也不断突破, 推动了行业不断进步。尽管如此, 和走在世界前沿的技术之间差异依然很大, 在设备上远远匹配不了相应的需求, 进口设备的数量也在不断提升。而随着行业的兴旺, 国家也将更多的目光放在这方面, 因此设备的研发更加顺畅。而中国几家规模较大的企业和欧洲的几家进行了技术上的合作, 从而使得中国相关技术能够突破到新的层次, 在这个时期, 在机器和有关设备上都有了新的突破。
而造纸行业的不断进步, 而且加上中国的政府的协助, 有了市场需求的刺激, 相关设备制造行业也必然会迎来新的发展热潮。而造纸机对于纸张的形成有着决定性的作用, 结合有关的先进技术, 而且在中国现今科学技术不断突破的时代背景下, 必定在将来的五年计划中有着本质上的突破。
1.2 造纸机的工艺流程
( 1) 打浆与配浆
打浆从其概念上进行分析, 就是将纸浆中的纤维进行处理, 使其更加紧密, 而且纤维在进行这步操作时吸水能够润胀, 从而达到提升弹性的目的。而为了符合相应的标准, 而且完善纸张中的不足, 提升抄造性能, 提升原料利用率, 在实际操作当中往往将数量大于等于二的品种的纸浆以及步骤进行时不小心产生的损纸进行调配, 将这个流程称作配浆。
( 2) 纸料的筛选与净化
而为了进一步提升得到的纸张的品质, 提高抄造速度, 而且减少原料的浪费率, 需要对纸料当中的杂质进行剔除。
( 3) 辅料的添加
辅料的作用是是的纸张的功能能够多样化, 其组成为填料、 胶料、 色料和所需的其它化学助剂。
( 4) 施胶
这步操作作用在于纸和纸板之间的液体能够达到更好的扩散和渗透的效果, 为书写提供便利, 同时还避免了受潮的可能性。
( 5) 染色和调色
染色是指在纸张加工时将所需的色料, 使其达到吸收不需要的光谱, 发射所需的光盘的目的。而调色是在纸浆当中添加符合标准的蓝色、 紫蓝色或紫红色, 使其与纸浆中可能表现出的淡橙、 浅黄或橙黄色经过调配最终呈现出白色。
( 6) 加填
在纤维悬浮液中添加和水的溶解度极小的颜料, 提升和扩展其性质。
( 7) 助留和助滤剂
助留的目的是将体积较小的纤维或者填料变成絮聚物, 使其能够与纤维进行粘附, 从而使其能够不被剔除。助滤是为了提升脱水的效率以及使得滤水达到新的质量层次, 而使用频率较高的是阳离子高分子聚合物。
( 8) 增强剂
分为增湿以及增干强度剂两类。
( 9) 纸料上网
其目的在于不影响机器的车速和最终获得的产品品质的前提下, 将纸料流经过上网前期步骤处理后, 使其得以一种稳定的状态上网。
( 10) 纸页成形
纸料在网上经过滤水操作得到湿纸幅。
( 11) 压榨脱水
湿纸幅借助毛毯到达压榨元件之间的空隙当中, 利用压力进行脱水。
( 12) 纸页干燥
工作的开展位置是干燥部, 这个部件的作用在于对从上一步当中获取的湿纸幅进行干燥操作, 使获得的纸的强度以及平滑度得以进一步提升。
( 13) 纸页压光
操作时要借助压光机, 其目的在于不影响其它方面的基础上, 提升获取的纸张的平滑度光泽度、 厚度和纸幅的均匀性。
( 14) 纸页卷取
卷纸机其作用是将抄造出来的纸卷成卷筒。
( 15) 纸页的完成和整饰
包括复卷、 切纸、 选纸、 数纸、 打包和贮存等过程。
1.3 与传动相关的造纸机主要分部简介
1.3.1 纸浆流送设备与流浆箱
流送系统的工作范围从纸机贮浆槽到流浆箱的堰板。冲浆泵循环回路中主要完成的步骤是纸浆的称量、 浓度降低, 而且将所需的助剂加入, 同时开展所需的筛选净化流程。而在特殊情况下, 将浆槽和精磨机也纳入上述系统。而一般情况下即便纸浆在贮浆槽中已经清理完
全, 但仍需利用筛选机和除砂器进行更深层次的清理, 虽然在这一步筛除的残渣量也极少。而这类系统根据机器的各种性质以及参数和纸张的品质的变化流程会有所差异, 但基本上是没有区别的。其基本流程如
图1-2所:

图1-2 流送系统基本流程图
流浆箱在造纸机当中是至关重要的一部分, 其作用于圆管内的流浆, 使其均一化, 而且在液体中没有絮聚和浆道( 条痕) 。这种设备虽然并不是制成最终纸张的, 但依然制约着纸张是否均已, 若是获得的浆流并没有达到标准状态, 那到后期进行调整所需要的时间会更多。若是在这一步就完善到位, 到网案时就只需要进行流程当中的操作就行, 而这个设备的性能能否达到标准的关键部件在于流通系统和流浆箱。其基本组成如图1-3所示。

图1-3 流浆箱基本组成
A—布浆器 B—堰池 C—堰板 1—方锥形总管 2—孔板( 均布元件) 3—匀浆辊( 布浆器的整流消能装置) 4—堰池 5—匀浆辊( 整流元件) 6—胸辊 7—溢流槽 8—箱体 9—旋转喷水管
这个系统的相关设备和步骤对最终获取的纸张以及运行时的顺畅有着极大的作用。流送系统应该满足下述要求:
( 1) 在一定的造纸机车速下, 送上造纸机的纤维量( 按质量计) 应保持稳定, 其偏差不应超过造纸机产品定量的允许偏差值;
( 2) 保证纸浆中各种组成的配比稳定;
( 3) 保证送上造纸机的纸浆浓度、 温度、 酸碱度等工艺条件稳定;
( 4) 供浆纤维量可按造纸机车速的变动或产品纸种定量要求进行调节;
( 5) 保证纸浆的精选质量。
1.3.2 成形装置
这个装置的目的就在于将纸料经过一系列处理之后变成湿纸幅。需要利用纸料在网上的时间间隔达到目的, 经过滤水和其它所需步骤之后, 使其均一化程度达到标准, 而且所需性能符合要求。而纸张最终形成是利用成形网, 因此又将其称为成型部。部件当中成形器是关键的部件, 按照构架的差异分为圆网、 长网和多网。而较受人们青睐的是长网和夹网成形。其主要由下列部件组成( 如图1-4所示) 。

图1-4 一种长网造纸机网案结构示意图
1—胸辊 2—成型板 3—沟纹案板 4—案板 5—湿吸箱 6—真空吸水箱 7—真空伏辊 8—驱网辊 9—导网辊 10—铜网张紧器 11—铜网校正器
布浆器的作用就在将获取的流浆在网上喷洒均匀, 而且流浆流动的速度和网的速度达到一致。而两者的速度决定着流浆箱的型号。全封闭水力式的工作是利用对冲浆泵压力的调整达到控制速度的目的, 其主要应用于速度较高的纸机; 而气垫式着手调整的方向是借助气垫压力, 开敞式利用箱内浆位高度达到目标, 前者较多应用于速度中等的, 后者用于速度较低的。成形网的类型基本上采用无端环状网, 而且在结构上两个辊部件之间因为构件之间的空间以及高低形成一个平直网面, 用于脱水, 一般将其成为网案, 类型上一般是长网。而若是将这个装置设置在圆形网笼上, 使其形状变成弧形, 那么称作圆网。而若是将有孔眼的设为网面, 利用将其空间内形成真空的方式, 加快脱水的速度, 那么一般将其称作真空圆网或者真空成形网。而若是纸浆的脱水利用两张长网之间的压力进行, 那么部件就称作夹网成形器。这些不同类型的设备, 利用的元件也有所差异, 其目的都在于加快脱水。而元件根据其运作方式分为静态、 动态以及两者兼备。第一种如脱水板、 弧面真空箱等, 第二种如案辊、 真空成形辊等。而除了这些基本的纸机之后, 还有借助多种类型的网综合形成的成形部。
夹网成形器其结构是利用两张网之间的空间达到目的的部件( 如图1-5所示) 。和上述提到的两种器械之间的差异就在于湿纸幅的最终完成形式上的差异。夹网成形器的出现解决了长网造纸机和圆网造纸机存在的纸页两面性差严重、 微观匀度差和纸页的Z向结构分布不均一等问题, 双网的夹持成形克服了”自由网面”的不稳定性, 使纸机的车速得到了很大的提高, 已成为造纸工业界的主流成形装备。其结构上有很多分类方式, 按照安装的位置差异分为立式、 水平式和倾斜式; 按照利用的脱水元件不同分为刮板、 辊筒和辊筒——刮板成型器。

图1-5 夹网成型器的几种结构类型简图
( a) 夹网成型器 ( b) 夹网辊筒成型器( Dominion工程公司) ( c) 夹网刮板成型器( Black Clawson公司) ( d) 夹网辊筒——刮板成型器( Valmet公司)
1.3.3 压榨装置
压榨装置的作用在于使得湿纸页在完成前面的流程之后在更高的压力下脱去更多的水分。如图1-6、 1-7所示。
双辊压榨的构成是两根压榨辊, 上下形成空间。双辊压榨是最基本的压榨形式, 不但广泛应用于低速纸机得到压榨部同时也应用于现代化高速造纸机的压榨部, 由多辊组成的复式压榨也是在它的基础上发展而来的。按照其结构上的差异能够将其划分为普通、 真空、 沟纹、 盲孔、 平滑压榨等等。而且依照压榨部的构件上的数量上的差异分为双辊和复式压榨, 材料的性质上有硬和软两种, 而且还有两者混合使用的, 如石辊和胶辊相配。

图1-6中速造纸机压榨部的一种布置方式
1—驱网辊 2—传递压榨 3—真空压榨 4—吸风式真空压榨 5—烘缸 6—压榨上辊的加压提升装置 7—毛毯张紧器 8—毛毯洗涤装置( 真空毯压榨) 9—真空吸移辊

图1-7 应用复式压榨的一种压榨部布置方式
1—真空伏辊 2—真空吸移辊 3—网毯压榨的衬网 4—毛毯 5—毯压榨 6—石辊 7—平滑压榨辊 8—烘缸 9—真空压辊 10—沟纹压辊
压榨毛毯对于压榨部而言极为重要, 和最终脱水的结果以及纸张最后的性能息息相关, 其作用在于将湿纸幅进行传递, 将多余的水吸收, 而且使得湿纸幅各个位置受到的压力相等, 避免不均匀的现象的出现, 使得纸张的性能进一步提升, 利用真空、 沟纹和盲孔压榨都能够将压力进行平均化, 避免出现”影痕”的现象, 而且使得压榨部能够顺利运行。
在工作时, 借助毛布将纸张拖起来, 而且压力均匀分布, 将不需要的水分进行吸收, 同时进一步提升脱水的效率和性能。而速度较低的机器利用20～60的线压力, 较高的采用高达210线压力, 若是借助高冲量使得速度进一步提升, 可将线压力进一步提升到350, 如湿抄机压榨, 将包胶辊制成真空压辊、 沟纹压辊、 衬网压辊、 盲孔压辊等, 以更有效地将压榨水带离压区, 这些都是50年代以来采用提高压榨脱水效率的新技术。之后又采用复式压榨结构形成封闭引纸, 它由二组或三组压榨合并组成, 由真空吸移辊将湿纸从成形网上剥离, 而利用毛布使其顺利到达压榨部件, 而且纸张传递空间就在压辊间。弥补了传统的纸张还要受到自重的限制, 从最大程度上避免了断头出现的可能性。现在压榨的纸页干度能够从过去的30～37％提高到43～45％, 有的甚至达到50％。纸页接触光滑的硬辊面的次数或是粗糙胶面的次数以及各面的脱水量的多少, 都会影响纸页的表面质量。处理合理则能够明显减少纸页两面平滑度的差异, 反之也能够造成两面平滑度差异增大。
1.3.4 干燥装置
干燥装置绝大多数是由齿轮传动或由毛布带动若干个烘缸为一组, 然后由若干组的烘缸构成干燥部。而这个部件根据最终获取的纸张品种上的差异, 借助干燥元件、 蒸汽系统、 冷凝水排除和处理系统、 表面施胶系统( 根据实际情况) 等达到目的。其中烘缸为干燥部干燥元件的主体。如图1-8所示。
干燥部按照烘缸的个数不同可分为单烘缸干燥部和多烘缸干燥部。后者能够按照内部烘缸的排列的差异分为多排和单排两种。而且内部烘缸的工作效率能够按照实际需求上的差异, 进行调整, 利用速度上的微小变化和纸张在干燥过程中可能产生的收缩现象进行互补。出干燥部的纸页干度一般在92～94％左右。在干燥部末端, 一般配有冷缸, 使水气能在冷缸面上凝聚。冷凝水能够湿润纸页表面以利于在整饰中得到较佳的表面平滑度。其经过实际操作后能够发现直径1.5m最符合标准。而单面光纸能够借助直径较大的获取光泽度较高的纸张, 而其直径波动范围在3～7.5m之间。

图1-8 传统多缸纸机双排烘缸的干燥装置
1—机架 2—下排烘缸 3—上排烘缸 4—烘毯缸 5—导毯辊 6—自动张紧器 7—自动校正器
8—刮刀 9—引纸辊 10—下帆毯 11—上帆毯 12—引纸绳 13—引纸绳自动张紧器 14—裸露( 不包毯) 烘缸
1.3.5 压光机和卷纸机
压光机对于纸张而言作用便在于后期的修饰和调整, 使其更加均匀和光亮, 同时纸张更加平滑。纸张的毛刺更少, 为后期的操作提供便利。
压光机分机( 造纸机) 内和机外两种, 机内压光机位于纸机干燥部与卷纸机之间, 一般是由冷激铸铁或淬硬钢或纸粕辊等材质制造的若干个辊子组成, 垂直或者以一定的角度重叠安装在机架上。经过上述流程后, 纸张的水分基本上脱去, 下一步就是辊压, 在这一步操作之后便是到达卷纸部。压光辊的数量根据纸机的速度变化进行调整, 速度较低一般使用三至六根, 速度较高的则使用八至十根, 特殊情况能够使用十根以上。而压光机根据材料和组成的不同能够分为硬的和软的两种, 其主要组成如下图所示。

图1-9 压光机
( a) 双侧机架 ( b) 单侧机架
1—底辊 2—中间辊 3—顶辊 4—机架 5—加压及提升机构 6—压缩空气引纸装置 7、 8—弧形舒展杆 9—走台 10—中间辊轴承臂
卷纸机是配置在造纸机最末端的一个联动设备。其作用在于使得到达这个部件的纸张卷起来, 为下面的流通提供便利。而辊式卷纸机的主要构成为卷纸缸和一对摇臂支架, 后者还包括卷纸轴。其位置在于前者的上分, 前者的运行方式趋于自动化, 将纸卷起来是借助两者之间因为运动和压力产生的摩擦力进行的, 因此纸张之间的紧密和两者之间的压力息息相关, 而传统的机器中, 就没有这方面的调整不见。而若想纸张之间紧密没有差异, 在之后的设计当中加入了气动加压缸装置。而另外, 为了降低换辊对纸张紧密程度的影响, 有些机器设置了待卷纸轴的加速装置。如图1-10所示。

图1-10 轴式卷纸机结构示意图
1—机架 2—传动侧机座 3—卷芯轴 4—纸卷芯 5—纸卷 6—减速箱 7—电动机 8—离合器
9—引纸辊 10—轴承座
卷纸机在进行工作时并不是自主进行的, 要依靠其它部件进行控制, 而母卷的直径和所需的相同时, 就会转移到换卷的位置上, 而卷轨道又回到新的纸张来的地方, 而空纸轴达到相应的目的之后, 到达卷取滑架上。而到这里纸张就能够被切断, 而一头重新再进行卷纸, 这样往复循环。从中能够看出, 在进行换卷的操作时, 需要借助所需的设备进行控制, 而其中母卷脱离和空轴启卷两步操作的衔接处于被控制的状态, 能够达到顺畅的状态, 使得两者上的纸张受损的可能性降到最低, 进而保障纸张浪费达到最少。
1.3.6 传动系统
传动系统是将纸机各部位联接同步运转, 使机械电气构成一体。由机械减速装置、 调速稳速装置、 分部传动装置等构成, 均采用电力为动力源。分为三级控制:
( 1) 执行对交流电动机的速度、 电流、 张力等参数的控制。
( 2) 操作台配置智能化操作面板与PLC实现高速数据通信。后者是对纸机的相关参数进行调整, 使得不同部件之间能够衔接顺畅, 而且对于获取的指令能够严格执行, 另外, 对于部件的下一步能够进行严格控制。
( 3) 监控系统的作用就在于严格控制所有的传动点, 而且保障系统运行顺畅。监控系统要留有通用管理接口, 供工程维护用。

2 造纸机传动控制系统简介
2.1 造纸机传动控制概述
一般的造纸机如图2-1所示, 由流浆箱、 成形装置、 压榨装置、 干燥装置、 冷缸、 压光部、 卷取部等部分组成。机器工作时, 其工作的流程主要是第一, 将制浆车间传递过来的纸浆进行成形, 后脱水, 再烘干, 最后卷成卷纸。而流浆在传动过程中形成纸张, 过程中由于伸缩度上的差异, 使得不同的构件速度有所不同, 将其称作速查。另外, 为了使得两者也就是伸缩度和速度之间相匹配, 就需要增加一个速度控制系统, 进而保障机器运行的稳定和纸张的平均。不同的纸机, 控制的速差也不一样, 一般低速纸机约为0.1%左右, 高速纸机约为0.05～0.01%左右。

图2-1 长网造纸机的系统结构总图
1—流浆箱 2—成型部分 3—压榨部分 4—烘干部分 5—水平施胶压榨 6—压光机 7—卷纸机
传动方面根据不同的部件划分为总轴和分部两种。前者因为各方面的限制, 特别是速度方面已经基本上不再使用, 当前大多数机器选择都是后种。而过去利用电气系统进行传动, 也进行了创新, 摆脱了模拟可控硅调速方式, 利用科技上的突破, 研发出利用计算机来进行控制速度的系统, 也就是公共直流母线系统, 控制级上也有所突破, 转变为三级控制方。
而在这方面的控制上系统的运行速度以及负载一般不会发生变化, 而根据特性上的差异将其划分为速度、 转矩、 负荷分配三种。而对其要求便是速度保持一致不变, 一旦发生变化能够迅速进行调整, 减小其影响。而其主要控制系统为下列几种:
至下一分部
第一分部
第二分部
第三分部
总车速
加速
减速

第一台变频器
b1
加速
减速
紧纸
松纸
第二台变频器
b2
加速
减速
紧纸
松纸
第三台变频器

图2-2 造纸机速度链结构简图
( 1) 全数字速度链控制: 利用的是自动化的方式, 从第一个点开始, 逐个进行控制, 形成数字化的衔接。如图2-2所示。
( 2) 速度闭环控制: 借助电机进行控制, 而频率上有所变化, 电流方式可分为交流和直流, 而且依照实际要求, 利用光电编码器进行控制和调整, 速度控制精度在0.001～0.1%。如图2-3所示。
调节器
晶闸管
主给定
附加给定

图2-3 造纸机速度闭环控制简图
( 3) 传动组间负荷分配控制: 其控制主要是针对不同的电机之间负荷是否不会对机器有所影响而进行的, 对于设备对电机的要求相匹配, 控制精度一般在2～5%。如图2-4所示。
变频器1
去下分部
变频器3
变频器2
负荷分配控制器
速度链
速度链
速度链

图2-4 造纸机负荷分配简图
( 4) 张力控制: 间接或直接张力控制方式。利用逐个击破的方式, 也就是不同部件分别控制速度的形式来控制张力, 控制精度一般在2～5%。如图2-5所示。
调节器
晶闸管
张力传感器
张力调节

图2-5 造纸机张力控制闭环简图
2.2 公共直流母线技术
这类系统在速度较大的纸机中广受人们青睐, 其具有强大的性能, 如在控制方面能够达到高度同步, 对所需的制动装置数量限制到最低等, 如图2-6所示。
相关新型技术的不断突破, 在造纸行业带来的便是对纸机的控制更为智能化, 基本上都采用了全数字交流变频传动控制技术, 而且降低了电能的浪费率, 运行时稳定系数高, 减少了维修的次数, 尽管这方面费用有所提升。另外, 变频调速这种操控方式, 使得电动机在即将开始工作时, 电压在整流桥两端增加, 而且反向进行, 而对系统输入电压之后, 变化为不可逆二极管整流, 因此最终的结果便是电压过高, 系统跳闸。而且再生制动能量产生的速度比消耗速度高, 变频跳闸、 停机是必然会发生的, 导致机器不能正常工作。而上述提到的技术便是用于这类情况中, 借助整流/回馈装置使得系统获得功率不变的直流电压, 利用逆变器和母线进行衔接, 系统运行时, 电动状态逆变器根据这种结构获取电能; 发电状态, 能量利用这种结构回到电网, 进而不但仅减少了能量的损耗, 同时使得系统运行更加稳定, 由此维修次数能够进一步减少, 系统的体积也会降低。而若没有特殊情况, 整流或者整流回馈单元的容量小于所供电的电机或逆变器的全线交流电机容量之和。

图2-6 公共直流母线系统基本图
具体的说, 公共直流母线有以下优点:
( 1) 高效节能。由上述能够得知这个系统利用了新型的传动技术, 因此减少了电能的浪费率, 而且再加上集中整流技术,因此在过去的基础上再减少了8～15%左右的能量。
( 2) 抗干扰能力强, 稳定性好。借助集中整流技术使得不同的逆变器在内部电压达到一致, 而且母线优势突出, 在稳定方面性能更强, 这类系统对于外界环境的变化适应性更强, 例如对于三相输入电压扰动能够很快适应, 而这种控制方式在精细度方面也有喊打的优势, 在谐波方面能够有效抑制。
( 3) 结构紧凑, 节省空间。这类系统在逆变器上利用的是变频的类型, 因此将整流结构转化为公共单元, 减小了空间浪费, 而且工作性能好, 若是出现突发状况, 如发电功率过高, 这时候能够借助一个总制动系统, 进而减少了这类外围设备的数量, 不再需要额外的制动单元、 电阻等, 和单台的类型相对比, 尺寸较小, 对于熔断器、 开关及网侧进线电抗器等能够集中利用, 减少了空间, 不需要经常维护, 是的设备更加稳定, 性能更高。
( 4) 安全性高, 可靠性好。这类新型系统在泵升压时能够控制其不过度, 在实际应用当中, 能够使得因为其它因素影响导致在发电的电机多余的能量回到母线上, 带动其它电机工作, 除了这些能量大于其它电机工作所需的能量, 剩余的才需要回到电网或者利用制动将能量使用, 这样一来, 减少了跳闸等系统不稳定造成的现象产生的可能性。而且其供电单元变成了可逆整流时, 能量达到了循环的状态, 因此构成了一种四象限系统, 附加有回馈制动, 例如在速度较大的机器当中就能很好的适用。
理想状态中供应的电压呈现的应当是正弦波形, 但在实际操作中, 波形会因为相关因素的影响而达不到标准状态, 也就是导致了谐波的额外产生。究其原因, 根源在于需要供电的设备还包括一些没有线性的电气设备。这种现象导致的后果就是: 加大了能量的损耗和浪费; 相应设备利用的效率有所降低; 需要供电的设备不能顺利运行; 导致电压过高或者电流过大, 使得变压器热度过高; 导致设备当中电容器、 电缆热度过大, 减少了使用周期; 导致公用电网局部谐波, 有可能还会造成两种联接方式的谐振; 使得装置在工作时出错的概率进一步增加。
另外, 谐波可能会导致电气设备无法顺利运行, 如使其产生额外的振动、 噪声, 其使用周期会进一步缩短; 相关用于测量的仪器精密度达不到应有的标准; 对和其相邻对设备系统造成负面影响, 程度较轻的是使其无法顺利工作, 产生过高的噪音, 程度较重导致数据的丢失。由此看来, 谐波导致的负面影响涉及各方面, 因此借助一些设备对其进行控制是必不可少的。整流器在实际运用中在各个领域都较多, 而在设备当中, 交流电源电流类型基本上都是矩形波, 其来源于电流和谐波电流两部分, 借助傅氏级数获得高次谐波分量( 第n次谐波电流有效值) 与基波分量( 基波电流有效值) 之比最大为, 触发控制角α的减小和换相重叠角μ的增大带来的是谐波分量的增大, 各主要国家高次谐波管理标准比较, 如表2-1所示。
表2-1各主要国家高次谐波管理标准比较
电压畸变率%
谐 波
系统电压/KV
奇次%
偶次%
英国
4
3
1.95
6.6～11
美国
一般电力5, 专用8

2.4～69
德国
5.8
3、 7次

10～30
澳大利亚
5

2
33
日本
3

0.75
配电系统
中国
10
5
2
配电系统
根据相关的研究数据和结果进行探讨能够发现: 整流器如何进行工作和谐波电流之间息息相关, 因此在针对这方面进行调整时, 能够借助重叠角、 换相压降以及谐波测算, 进一步提升运行的稳定性, 控制角α接近40°, 重叠角μ在8°左右时一般这时候谐波最大, 因此利用计算的方式, 选择较为正确的变压器, 从而减小谐波。
2.3 PLC在纸机传动中的应用
中国经济的不断进步, 带动人们对于纸张的品种要求更多, 而借助自动化的生产设备能够解放劳动力, 而且还能够提升其品种和产量。在涉及到的有关行业领域当中, 如塑料、 印染等, 涉及到的同步传动单机数量都较大, 而且各自运行。还要求不同的单元生产的产品在线速度上没有差异, 也就是同步运动。而造纸机器从其类型上而言较多, 传动结构差异较大, 但基本组成是相同的, 即压榨、 烘干、 压光、 卷取等构成, 而且不同的构件各自带有电机。而至今为止对于速度的调控性能最高的是变频的方式。而其控制一般是借助两种类型进行的, 其一是PLC控制, 另一类是IPC机或工控机控制。而其关键的器件包括计算机PLC、 DCS等。而规模较大的器械构成的系统需要电机的一般都大于二十个, 电机之间也紧密联系, 在单个环节导致的误差都往往高于造纸。因此在对电机进行控制时要根据相关参数的设定为标准进行, 而PLC在开关量控制方面就较为有利。
下面以西门子S7-400系列为例简要说明造纸机机械的控制系统结。
触摸屏
CPU
通讯板
I/O模板
现场变频器
操作台
MPI接口

图2-7 系统结构图
如图2-7所示, PLC的通讯板进行数据的传输是利用485通讯与各变频器进行的, 工作方式一般都是主动地, 而变频器自己就带有通讯地址。需要进行传输的信号包括控制和转台两方面, 前者包括启动、 停止、 速度设定值, 后者包括: 报警、 当前速度。而另外, 和其相连的还有触摸屏, 借助MPI接口连接CPU, 这个部件的作用就在于随时更改和调整速度, 而且能够进行实时监控, 对有关的数据及时记录, 并将其进行存储以备以后使用。
PLC与操作台相连方式是借助开关量。纸机的规模和操作台数量息息相关, 一般在五至七个之间, 分别是网部1个、 烘干部2个、 干部2个、 卷纸1个。一般的操作台上