孟彥京　吳　超

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

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基于干毯輥傳動(dòng)的紙機(jī)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

孟彥京吳超*

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

摘要：結(jié)合干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成,分析了其控制系統(tǒng)中電控環(huán)節(jié)的難點(diǎn),重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)了干毯輥傳動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配和速差保護(hù)。利用速度反饋微差法實(shí)現(xiàn)造紙過(guò)程中負(fù)載的均衡分配,從而降低了故障率,保證了紙品的質(zhì)量。此外,在實(shí)際使用中證明了該設(shè)計(jì)具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)；負(fù)荷分配；速差保護(hù)

在傳統(tǒng)的紙機(jī)干燥過(guò)程中,濕紙幅通過(guò)張緊的干毯包裹,緊壓在充滿(mǎn)熱蒸汽的烘缸上。紙幅在烘缸之間交替通過(guò)時(shí),水分從紙幅與烘缸的接觸側(cè)蒸發(fā)，紙幅得以干燥,通常一組烘缸利用一系列相互聯(lián)動(dòng)的齒輪進(jìn)行傳動(dòng)[1]。隨著紙機(jī)運(yùn)行速度的加快、幅寬變寬,對(duì)于烘缸齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)而言,往往會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：①由于負(fù)荷增加、疲勞磨損和微動(dòng)磨損等影響,不可避免地造成烘缸齒輪多次損壞,使故障率提高、操作難度增加；②對(duì)于原有紙機(jī)改造時(shí),烘缸電機(jī)和減速箱不再適用；③烘缸齒輪的進(jìn)一步增加,使得傳動(dòng)噪音大大增加[2]。鑒于以上問(wèn)題,結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外紙機(jī)傳動(dòng)現(xiàn)狀,本課題對(duì)基于干毯輥傳動(dòng)的紙機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)造紙過(guò)程中負(fù)載的均衡分配。

1干毯輥傳動(dòng)簡(jiǎn)介[3]

1985年,Nekoosa造紙公司計(jì)劃對(duì)位于美國(guó)威斯康星州的4#紙機(jī)進(jìn)行改造時(shí),提出了干毯輥傳動(dòng)方案。在該方案中,取消了烘缸部相互聯(lián)動(dòng)的齒輪,通過(guò)毛毯向烘缸傳遞能量,并驅(qū)動(dòng)烘缸,而毛毯則由中部的干毯輥驅(qū)動(dòng),同時(shí)毛毯還要向紙張?zhí)峁┮欢ǖ膲毫?。干毯輥傳?dòng)示意圖如圖1所示,圖1中的實(shí)心圓為干毯輥,其具體工藝是將所有烘缸分成上下兩層,上毛毯用于驅(qū)動(dòng)上層烘缸,下毛毯用于驅(qū)動(dòng)下層烘缸,上下兩層烘缸要用校正系統(tǒng)使其同步運(yùn)行。

圖1　干毯輥傳動(dòng)示意圖

由于干毯輥傳動(dòng)取消了烘缸的齒輪,簡(jiǎn)化了紙機(jī)傳動(dòng)側(cè),從而減少了在烘缸齒輪和傳動(dòng)小齒輪方面的投資,并降低了故障率、減少了傳動(dòng)噪音[4]。但是機(jī)械上的簡(jiǎn)化,必然會(huì)增加電控上的難度。由于烘缸為大慣性負(fù)載,在啟動(dòng)時(shí)不僅要滿(mǎn)足負(fù)載轉(zhuǎn)矩,還要為克服慣性額外增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,在干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)中,根據(jù)工藝與實(shí)際要求,需要盡可能選擇少的傳動(dòng)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足其運(yùn)行要求。此外,為了避免毛毯被扯斷,要求毛毯和烘缸在不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的條件下,盡可能地提供有效的傳動(dòng)力。因此，對(duì)于同一層烘缸而言,其由多個(gè)干毯輥同時(shí)拖動(dòng),對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載,則必須進(jìn)行負(fù)荷分配；同時(shí)為了保護(hù)毛毯,干毯輥之間需進(jìn)行速差控制。對(duì)于不同層烘缸而言,由于紙幅在烘缸之間交替通過(guò),故要求上下兩層烘缸之間必須進(jìn)行速差控制,從而保護(hù)紙幅。

2干毯輥傳動(dòng)的特性分析

2.1干毯輥傳動(dòng)的負(fù)荷分配

由圖1可知,在干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)中,與傳統(tǒng)紙機(jī)控制系統(tǒng)中將烘缸作為傳動(dòng)點(diǎn)的情況不同,此處將烘缸和紙幅共同作為負(fù)載,并由多個(gè)干毯輥同時(shí)拖動(dòng),而干毯輥則成為干燥部的傳動(dòng)點(diǎn)。

在干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)中,多個(gè)干毯輥電機(jī)軸之間通過(guò)毛毯連接且共同驅(qū)動(dòng)烘缸,因此必須進(jìn)行負(fù)荷分配。與傳統(tǒng)干燥部系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩瞬間完成傳遞不同,由于毛毯具有彈性,干毯輥電機(jī)軸之間轉(zhuǎn)矩的傳遞先要經(jīng)過(guò)毛毯的拉伸,才能作用到另一臺(tái)電機(jī)的電機(jī)軸上,使得另一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。

在干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)中,與壓榨等分部的負(fù)荷分配過(guò)程中轉(zhuǎn)矩瞬間完成傳遞相比,干毯輥部從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于毛毯傳遞轉(zhuǎn)矩的時(shí)間,進(jìn)而導(dǎo)致從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與負(fù)載變化不同步,將使負(fù)荷分配的控制過(guò)程出現(xiàn)振蕩,故傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩限幅式負(fù)荷分配方式無(wú)法適用于干毯輥部。與網(wǎng)部的負(fù)荷分配相比,雖然干毯輥部也是由多個(gè)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)毛毯的,但是干毯輥部還需驅(qū)動(dòng)烘缸等大慣性負(fù)載,故傳統(tǒng)的Droop功能同樣無(wú)法適用于干毯輥部。此外,為避免烘缸啟動(dòng)瞬間的電機(jī)過(guò)流狀況,還要測(cè)取干毯輥的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn),整定其變頻器PID參數(shù),使其響應(yīng)曲線(xiàn)達(dá)到最佳。

圖2　干毯輥轉(zhuǎn)矩傳遞示意圖

圖2描述了干毯輥轉(zhuǎn)矩傳遞的情況,且主傳動(dòng)點(diǎn)與從傳動(dòng)點(diǎn)之間以毛毯軟連接的方式耦合在一起。設(shè)主從傳動(dòng)點(diǎn)間的距離為l(m),毛毯拉伸率為δ(%),毛毯運(yùn)行的線(xiàn)速度為vl(m/min)。當(dāng)主傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí),經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt傳遞給從傳動(dòng)點(diǎn)[5],具體關(guān)系見(jiàn)式(1)。

(1)

目前大多數(shù)變頻器其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間t0只有1～2ms,如果從點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩限幅控制方式,其t0將遠(yuǎn)小于Δt。因此,從點(diǎn)的動(dòng)作快于毛毯張力的變化,將不可避免地出現(xiàn)振蕩,且表現(xiàn)為毛毯間歇式的張緊與松弛。由于從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與負(fù)載變化不同步,當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí),從點(diǎn)會(huì)時(shí)而加速時(shí)而減速,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速無(wú)法穩(wěn)定,從而造成毛毯和紙幅損壞。

2.2干毯輥傳動(dòng)的速差保護(hù)

2.2.1同一層烘缸的速差保護(hù)

對(duì)于同一層烘缸而言,在毛毯與烘缸間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的條件下,根據(jù)胡克定律可知,在毛毯的彈性范圍內(nèi),毛毯產(chǎn)生的張力大小取決于毛毯的形變量[6]。當(dāng)干毯輥的主傳動(dòng)點(diǎn)與從傳動(dòng)點(diǎn)都采用速度控制時(shí),毛毯形變量取決于相鄰兩傳動(dòng)點(diǎn)的速差,此時(shí)該張力有極限值,一旦超出此值將會(huì)扯壞毛毯，其張力計(jì)算見(jiàn)式(2)。

f=k·Δv·t

(2)

式中,f為張力,k為彈性系數(shù),Δv為速差。因此,為了保護(hù)毛毯,需要在干毯輥間加入速度控制,且當(dāng)速差超出范圍時(shí),需進(jìn)行報(bào)警處理。

根據(jù)干燥部工藝要求,在不扯斷毛毯的前提下,應(yīng)盡可能地獲取毛毯的最大張力,以達(dá)到驅(qū)動(dòng)烘缸的目的。對(duì)于干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)而言,毛毯與傳動(dòng)輥的包角大小已知,毯輥間的靜摩擦系數(shù)一定,烘缸側(cè)張力示意圖如圖3所示。

松邊毛毯張力計(jì)算見(jiàn)式(3)。

T2=T1eμα

(3)

圖3　烘缸側(cè)張力示意圖

式中,T1為緊邊毛毯張力(N/m),T2為松邊毛毯張力(N/m),μ為靜摩擦系數(shù),α為毛毯包角(rad)。

毛毯的張力差計(jì)算見(jiàn)式(4)。

ΔT=T2-T1=T1(eμα-1)

(4)

由牽引力法可知,給定張力差的輸出功率見(jiàn)式(5)。

hp=ΔT·ω·vp

(5)

式中,hp為輸出功率(kW),w為毛毯寬度(m),vp為紙機(jī)車(chē)速(m/min),且hp僅取決于兩者之間的張力差。

綜上可得：

(6)

式中,K=k·t·w·vp·(eμα-1)為常數(shù),即當(dāng)紙機(jī)的規(guī)格確定后K亦得以確定。因此，為了獲取環(huán)狀毛毯的最大張力,應(yīng)盡可能地將速差逼近其極限值。

圖4　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2不同層烘缸的速差保護(hù)

對(duì)于不同層烘缸而言,如圖1所示,假設(shè)紙幅從烘缸下分部a處進(jìn)入并從b處傳出,再進(jìn)入烘缸上分部c處。若b處速度快且c處速度慢,則會(huì)造成紙幅堆積褶皺；若b處速度慢且c處速度快,則會(huì)造成紙幅拉扯斷裂。因此,需要利用上下層烘缸之間的速度控制來(lái)保護(hù)紙幅。

為避免紙幅出現(xiàn)褶皺和斷裂,在紙張繃緊的前提下,應(yīng)盡量使上下層烘缸在b、c兩處的速度匹配,從而保證上下層烘缸同步運(yùn)行。

3基于干毯輥傳動(dòng)的紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

以云南建水某造紙廠(chǎng)的工程為例,按照紙機(jī)設(shè)計(jì)方案及客戶(hù)要求,采用干毯輥傳動(dòng),紙機(jī)幅寬為4500 mm,車(chē)速為500 m/min,傳動(dòng)點(diǎn)18個(gè),總設(shè)計(jì)容量為1509 kW。傳動(dòng)點(diǎn)名稱(chēng)及電機(jī)容量如表1所示。

從工程實(shí)際出發(fā),選用Rockwell公司的AB1769-L35E作為控制系統(tǒng)PLC,且PLC上配有Compact Logic/1769-SDN Device Net掃描器。變頻器采用ABPF753變頻器,配有20-COMM-D網(wǎng)絡(luò)適配器,可與PLC進(jìn)行通信。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于巴彥淖爾市境內(nèi)，總灌溉面積57.4×104hm2，有總干渠1條，干渠13條，分干渠48條，各級(jí)灌排渠道6.4萬(wàn)km。該區(qū)屬典型溫帶大陸性氣候，夏季高溫干旱、冬季嚴(yán)寒少雪，年降雨量100～250 mm，蒸發(fā)量2 400 mm，主要種植向日葵、玉米、小麥等作物 [8-10]。根據(jù)監(jiān)測(cè)，河套灌區(qū)2010—2016年單個(gè)面積大于3.33 hm2的淖爾數(shù)量平均為401個(gè)，水面面積平均101.27×102hm2。淖爾多處于低洼地，湖渠交錯(cuò)，周邊耕地資源豐富。

表1　傳動(dòng)點(diǎn)名稱(chēng)及電機(jī)容量

3.1硬件設(shè)計(jì)

3.1.1變頻器硬件接線(xiàn)

由于干毯輥傳動(dòng)的紙機(jī)比傳統(tǒng)烘缸齒輪傳動(dòng)的紙機(jī)在機(jī)械方面簡(jiǎn)化,不可避免地使其電控方面的要求提高。但從控制方案上來(lái)講,依然采用原有的三級(jí)控制結(jié)構(gòu)。即利用PLC控制變頻器,再由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)[7]。其硬件系統(tǒng)與原來(lái)沒(méi)有太大的變化。以1#干毯輥為例,其硬件原理圖如圖5所示。

圖5　1#干毯輥原理圖

3.1.2變頻器參數(shù)設(shè)置

(1)基本參數(shù)設(shè)置

1#干毯輥電機(jī)功率75 kW,額定電壓380 V,額定電流204 A,額定轉(zhuǎn)速1485 r/min,參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　基本參數(shù)設(shè)置

(2)變頻器自整定調(diào)試

當(dāng)電機(jī)控制模式為感應(yīng)電機(jī)磁通矢量控制模式時(shí),PF753變頻器可進(jìn)行自整定調(diào)試,通過(guò)自整定調(diào)試以設(shè)置IR壓降、Ixo壓降、磁通電流基準(zhǔn)值等,參數(shù)設(shè)置如表3所示。

(3)速度與轉(zhuǎn)矩控制設(shè)定

本系統(tǒng)中變頻器的速度由通信給定,在速度控制下設(shè)置Kp和Ki,同時(shí)為了保護(hù)變頻器和設(shè)備,必須設(shè)定速度限制值,參數(shù)設(shè)置如表4所示。

(4)通信模塊功能設(shè)定

本系統(tǒng)采用Device Net通信,通信模塊插入插槽,參數(shù)設(shè)置如表5所示。

3.2軟件設(shè)計(jì)

3.2.1干毯輥傳動(dòng)的負(fù)荷分配設(shè)計(jì)

在干毯輥傳動(dòng)系統(tǒng)中,對(duì)于干毯輥部負(fù)荷分配而言,既不能像壓榨部和壓光部那樣采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩限幅式的負(fù)荷分配方式,也不能像網(wǎng)部那樣采用傳統(tǒng)Droop功能,而是需要主傳動(dòng)點(diǎn)與從傳動(dòng)點(diǎn)都采用速度控制的負(fù)荷分配方式。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,需周期性地采集主從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩小于從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí),將主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩作為從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩的限幅值；當(dāng)主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩大于從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí),調(diào)用PLC內(nèi)部PIDE控制模塊,以?xún)烧咧g的

表3　自整定參數(shù)設(shè)置

表4　速度與轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)設(shè)置

表5　通信參數(shù)設(shè)置

轉(zhuǎn)矩差作為輸入,并以從點(diǎn)的偏差速度作為輸出,來(lái)修正從點(diǎn)的給定速度,從而通過(guò)微調(diào)從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩,使得從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩跟隨主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩,以達(dá)到負(fù)荷均衡分配的目的[8-9]。其程序流程圖如圖6所示。

圖6　負(fù)荷分配的程序流程圖

3.2.2干毯輥傳動(dòng)的速差保護(hù)設(shè)計(jì)

由于工藝要求的不同,干毯輥傳動(dòng)的速差保護(hù)分為同一層烘缸的速差保護(hù)和不同層烘缸的速差保護(hù)。

由式(6)可知,實(shí)際中,在進(jìn)行同一層烘缸的速差保護(hù)時(shí)應(yīng)先確定毛毯張力的極限值(一般由機(jī)械廠(chǎng)提供)。一般情況下取t=2 s,則可求得速差的極限值,再通過(guò)采集相鄰干毯輥的轉(zhuǎn)速,以求得兩者間的正偏差速度。如果兩者間的速差超過(guò)其極限值且其時(shí)間超過(guò)2 s,將停止分部并修改速度傳動(dòng)比[10]。其程序流程圖如圖7所示。

圖7　同一層烘缸速差保護(hù)的程序流程圖

而對(duì)于不同層烘缸的速差保護(hù)而言,在實(shí)際中,先采集不同層相鄰干毯輥的轉(zhuǎn)速,以得到沿紙幅運(yùn)行方向的不同層烘缸的速差。如果其速差不匹配(即小于設(shè)定值)且其時(shí)間超過(guò)2 s,將停止分部并置位報(bào)警位。其程序流程圖如圖8所示。

圖8　不同層烘缸速差保護(hù)的程序流程圖

4結(jié)語(yǔ)

以實(shí)際工程為背景,采用主從點(diǎn)轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷分配方式對(duì)基于干毯輥傳動(dòng)的紙機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案較好地實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的均衡分配,降低了故障率,達(dá)到了安全高效生產(chǎn)的目的。同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了干毯輥傳動(dòng)的速差保護(hù),能夠在多電機(jī)同步運(yùn)行的情況下,盡量避免毛毯拉扯,即減小了紙幅的拉扯力度,從而保證了紙幅的質(zhì)量。

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(責(zé)任編輯：馬忻)

·紙機(jī)控制·

Research and Design of Paper Machine Control System Based on the Dry Felt Roll Drive

MENG Yan-jingWU Chao*

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 1135223630@qq.com)

Abstract：On the basis of introducing the components of dry felt roll drive system and the difficulties of its control system, the load distribution and the speed differential protection were analyzed and designed. During the papermaking process, using speed feedback differential method achieved balanced load distribution, so as to reduce the failure and ensured the quality of the paper products. In addition, the good application results of the system has been proved by practice example.

Key words：dry felt roll drive system； load distribution； speed differential protection

通信作者：*吳超先生，E-mail:1135223630@qq.com。

收稿日期：2015- 06- 09(修改稿)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.012

作者簡(jiǎn)介：孟彥京先生，博士，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng),工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其在電力傳動(dòng)上的應(yīng)用。