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摘要：為了增強造紙企業(yè)的核心競爭力，提高造紙品質(zhì)和生產(chǎn)效率，造紙機自動化作業(yè)是關(guān)鍵。造紙機自動化作業(yè)的核心環(huán)節(jié)是造紙機電氣傳動系統(tǒng)。文章圍繞造紙機電氣傳動全數(shù)字自動化控制系統(tǒng)進行研究，簡述了造紙機基本結(jié)構(gòu)和造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線的三級控制方案進行了系統(tǒng)研究和設(shè)計。

關(guān)鍵詞：造紙機；自動化控制系統(tǒng)；電氣傳動；造紙技術(shù)；PLC

造紙術(shù)是我國古代四大發(fā)明之一，具有悠久的歷史，造紙工業(yè)也為我國經(jīng)濟發(fā)展作出了重要的貢獻。但受到外界和自身因素的影響，造紙業(yè)發(fā)展中存在較大問題，如企業(yè)規(guī)模小、生產(chǎn)效率較低，無法緊跟時代的發(fā)展。基于此，需要利用當前先進技術(shù)，系統(tǒng)化研究造紙機，使其向電氣傳動全數(shù)字自動化控制方向發(fā)展。當前，隨著社會快速發(fā)展，造紙已經(jīng)從手工制作轉(zhuǎn)變成為機械化生產(chǎn)，能夠在保證紙張質(zhì)量的基礎(chǔ)上，不斷提升造紙效率，加快造紙企業(yè)發(fā)展速度。其中，造紙機起著至關(guān)重要的作用，直接決定著造紙的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益。有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，世界上第一臺造紙機出現(xiàn)在1789年的法國，為造紙行業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。如今，歷經(jīng)時代變遷，科學(xué)技術(shù)水平顯著提升，造紙機也隨著社會的變化而不斷完善，生產(chǎn)出高質(zhì)量的紙張，滿足人們對紙張的要求。

1造紙機的基本結(jié)構(gòu)及主要工作流程

1.1造紙機的基本結(jié)構(gòu)

造紙機是將符合造紙要求的紙漿水懸浮體經(jīng)過濾網(wǎng)脫水成形、機械擠壓脫水和干燥等過程而抄制成紙的機器。根據(jù)抄造工藝的需要，紙機結(jié)構(gòu)形式多樣，通常由成形、壓制、干燥、整理、卷繞和傳送等部件以及輔助系統(tǒng)組成[1]。

1.2造紙機的主要工作流程

經(jīng)過施膠、填充和凈化后，紙漿以0.3%～1.3%的濃度進入造紙機的紙漿流設(shè)備。此外，在紙張通過紙漿流分配器和紙漿流箱來分配和平整紙漿之后，紙張均勻且穩(wěn)定地流向在此移動的成形網(wǎng)的表面。紙漿流到網(wǎng)殼上靠近胸輥中心線的網(wǎng)面后，逐漸過濾并脫水，形成連續(xù)的濕紙幅。凈箱一般配有成型脫干元器件，如箱輥、真空泵吸濕箱和伏輥。當濕紙幅脫水到一定的干燥度（通常約為20%）時，可以將其從紙幅上剝離，并送到壓榨部進一步脫水。

2造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)

正常情況下，造紙機電氣傳動主要包括兩種傳動方式，一種為分部傳動，另一種為總軸傳動。其中，總軸傳動又稱為單機傳動，主要動力來源為一個主變頻電動機，可以將其應(yīng)用于工作效率較低的造紙機。分部傳動又稱為多電機傳動，是由多個主變頻電動機提供動力，維持其正常工作[2]。分部傳動具有較高的可靠性，操作比較簡單，并且能夠充分保證造紙的質(zhì)量，確保造紙機速度比穩(wěn)定。與其他傳動方式相比，其具有較高環(huán)保性，能夠減少各種能源的消耗量，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。若想保證造紙機長期處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)，應(yīng)確保機械電氣傳動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，這直接決定著紙張的質(zhì)量。實際工作過程中，相關(guān)企業(yè)應(yīng)做好以下工作：調(diào)整好機械設(shè)備；確保工作車速處于穩(wěn)定狀態(tài)，避免忽快忽慢；調(diào)整好機械各個部分的狀態(tài)；確保分部間定速比關(guān)系不發(fā)生變化；確保機械具有穩(wěn)定可靠的爬行速度[3]。另外，造紙機運行過程中，應(yīng)采取科學(xué)合理的措施，控制電氣傳動系統(tǒng)。具體可以從以下三個方面入手：速度鏈控制，保證每個傳動點速度穩(wěn)定，促使造紙機處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)；負荷分配控制；紙幅張力控制。造紙機運行過程中，紙張的質(zhì)量情況與分部件張力值密切相關(guān)[4]。當前紙機傳動方式發(fā)生較大的改變，造紙機逐漸引用一些先進的技術(shù)和工作理念，使其能夠更好地適應(yīng)時代的發(fā)展，滿足人們對造紙機的要求，促進其可持續(xù)發(fā)展。有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，當前應(yīng)用最頻繁的造紙機傳動控制系統(tǒng)為三級控制模式，其中控制方式為數(shù)字控制和模擬控制。造紙機模擬控制系統(tǒng)構(gòu)造比較簡單，操作流程簡單明了，對工作人員沒有過高的技術(shù)要求，這就能降低操作失誤現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，延長造紙機使用壽命。模擬控制模式下的造紙機工作效率較高，具有較高的可靠性，可長時間開展工作[5]。數(shù)字控制系統(tǒng)是社會快速發(fā)展的產(chǎn)物，主要被使用于一些高速紙機，通過科學(xué)合理地應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù)，促使紙機逐漸向全數(shù)字化方向發(fā)展，充分保證設(shè)備良好運轉(zhuǎn)。數(shù)字控制模式下的造紙機器的最大優(yōu)勢是具有較高的穩(wěn)定性，不易受到內(nèi)部和外部因素的干擾，抗干擾能力較強，還具極高的分辨率，符合一些大型機械設(shè)備對高精度控制的要求。另外，還可以節(jié)省人工成本，能夠在保證工作質(zhì)量的前提下提高工作效率。

3造紙機電氣傳動自動化控制系統(tǒng)研究成果

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，國外造紙業(yè)已經(jīng)得到有效發(fā)展，各國投入了大量的時間和精力，對電氣傳動自動化控制系統(tǒng)展開深入研究，取得了良好的研究結(jié)果，顯著提升了造紙機自動化和數(shù)字化水平。設(shè)計研發(fā)的造紙機操作流程更加簡單，對工作人員要求較低，可以生產(chǎn)出100多種類型的紙張，并且生產(chǎn)效率顯著提升，充分實現(xiàn)了造紙和成本管理工作自動化，降低了對人工的依賴程度，減少了各項成本的投入，實現(xiàn)了經(jīng)濟利益最大化[6]。設(shè)計車速顯著提升，行駛速度200m/min，工作車速達到1500m/min。國外一些發(fā)展較快的企業(yè)，如西門子、ABB等，還研發(fā)出了造紙機電氣傳動控制的軟硬件。我國造紙行業(yè)呈現(xiàn)規(guī)模小、分布不均勻等特點，并且紙張生產(chǎn)種類比較單一，缺少技術(shù)含量，大多都是由具有較多工作經(jīng)驗的人員，每天進行大量的重復(fù)性工作內(nèi)容。傳統(tǒng)造紙技術(shù)對周圍環(huán)境破壞程度較高，并且資源浪費現(xiàn)象嚴重。據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，目前我國現(xiàn)存造紙企業(yè)3000多家，大多企業(yè)都采用機械生產(chǎn)方式，雖然在一定程度上提高了工作效率，但由于機械比較落后，生產(chǎn)過程中存在較大的安全風險，威脅著工作人員的生命安全，極易產(chǎn)生較大的安全事故，給企業(yè)帶來嚴重損失[7]。

4造紙機電氣傳動全數(shù)字自動化控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段，電子技術(shù)水平提升，機械制造業(yè)發(fā)展速度不斷加快，顯著優(yōu)化了造紙流程，提高了紙張的質(zhì)量。其中電氣傳統(tǒng)控制是造紙行業(yè)中不可缺少的一項內(nèi)容，其數(shù)字化和自動化水平關(guān)系到造紙行業(yè)未來發(fā)展方向。當前，數(shù)字化和自動化已經(jīng)成為社會發(fā)展的顯著特點，各個行業(yè)逐漸向數(shù)字化方向發(fā)展，提升企業(yè)的市場競爭力，加快其發(fā)展速度，以使其能夠在市場競爭中取得勝利，獲得更高的經(jīng)濟效益。基于此，造紙行業(yè)應(yīng)重視對造紙機電氣傳動全數(shù)字自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計，并進行系統(tǒng)性分析，保證整個過程的合理性和科學(xué)性，以顯著提升紙張的生產(chǎn)效率。因此，文章通過采用PROFIBUS現(xiàn)場總線的三級控制方案，進行系統(tǒng)性研究。

4.1造紙機變頻傳動控制系統(tǒng)

變頻傳動控制系統(tǒng)屬于一種負載穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速恒定的系統(tǒng)，可以將其分成張力控制、轉(zhuǎn)矩控制等方式，具體包括以下內(nèi)容。（1）速度控制。此種方式主要通過光電編碼器反饋，展開合理的速度閉環(huán)控制，主要分為兩種形式：一是速差控制，通過速差給定的方式，促使操作人員能夠靈活調(diào)整操作面板；二是速率控制。（2）主速度控制。加大對整機速度的控制力度。（3）轉(zhuǎn)矩控制。可以根據(jù)兩輥壓信號，之后合理利用主傳動點，進行有效轉(zhuǎn)矩輸出。（4）張力控制。其主要工作任務(wù)是調(diào)節(jié)某一部位速度，實現(xiàn)對紙頁張力的合理控制。參考當前企業(yè)生產(chǎn)對造紙機的要求，需要在其具體作業(yè)過程中，在壓光機前加入張力傳感器，之后開展PID調(diào)節(jié)，再通過對輸出值進行合理分析，保證紙頁的張力恒定。如今，社會已經(jīng)逐步進入信息化時代，造紙工藝設(shè)備和流程不斷被改革和創(chuàng)新，對紙機傳動控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此需重視對傳動系統(tǒng)的革新和優(yōu)化，確保造紙機能夠穩(wěn)定運行。

4.2速度鏈控制系統(tǒng)

在對造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)進行分析時，主要通過科學(xué)合理地利用PLC，快速實現(xiàn)對所有控制對象的檢測工作，重點檢測內(nèi)容為數(shù)字信號。通過將PLC與變頻器有效結(jié)合的方式，合理控制造紙機車速，避免車速忽快忽慢等情況，從而提高紙張質(zhì)量和生產(chǎn)效率。另外，相關(guān)工作人員也可以通過控制操作頁面，重新定義造紙機所有功能的參數(shù)，對其展開全方位調(diào)控，優(yōu)化工作流程。之后傳動控制系統(tǒng)將通過現(xiàn)場總線的方式，將每個傳動點車速準確傳輸?shù)较鄳?yīng)的驅(qū)動器，實現(xiàn)車速均勻化的目標，保證工作的有效性。造紙機系統(tǒng)速度鏈控制方式如下：首先將現(xiàn)場控制系統(tǒng)輸入PLC中，然后將現(xiàn)場總線傳輸?shù)絇LC，最后由現(xiàn)場總線將速度鏈傳輸?shù)矫總€變頻器中。具體方案設(shè)計過程中，主要參考二叉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，完成整個造紙機速度鏈的構(gòu)建工作，促使造紙機具有全自動化功能，降低人工成本的投入，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。在對控制系統(tǒng)進行設(shè)計和分析過程中，變頻器會通過PROFIBUS-DP協(xié)議與PLC連接，提高各項信息傳遞效率，使其能夠第一時間發(fā)現(xiàn)機械中存在的問題，及時展開系統(tǒng)性維修，提高造紙機的可靠性和安全性，加快運行效率。另外，PLC還能全方位系統(tǒng)監(jiān)控機械運轉(zhuǎn)效率并能合理調(diào)整機械車速。機械具體運行過程中，當PLC完成對第一臺變頻器速度調(diào)控工作之后，此臺變頻器會在實際工作中對第二臺產(chǎn)生一定的影響，并成為因變量[8]。當對速度鏈進行設(shè)計時，需要根據(jù)函數(shù)形式，系統(tǒng)性地對每個傳動單元展開抽象處理，并將每個傳動點進行編號，確保整個過程的合理性，每個傳動編號都有相應(yīng)的變頻器地址，再將傳動編號與函數(shù)傳輸?shù)郊拇嫫髦校瑥亩M足要求的速度鏈結(jié)構(gòu)，促使傳動控制系統(tǒng)可以正常運行。造紙機正常運行過程中，能夠根據(jù)每個傳動點的減速比，準確計算電機轉(zhuǎn)速，具體計算公式如下：（1）（2）式中：n為電動機同步轉(zhuǎn)速；p為電動機極對數(shù)；v為線速度；i為每個傳動點的減速比；f為電動機頻率；D為烘缸直徑。電動機定子電力計算公式如下：（3）式中：ILi為全部電動機運行過程的總電流；IL為電動機實際電流；Iei為額定電流。

4.3負荷分配的控制

要想確保造紙機正常運行，需要多臺電機同時運行，以保證傳動分部可以正常運行。基于此，在對造紙機電電氣傳動全數(shù)字自動化控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)保證合理控制負荷分配，實現(xiàn)均勻分配。正常情況下，造紙機網(wǎng)部主要包括真空伏輥和驅(qū)網(wǎng)輥兩個傳動點。當造紙機正常運行時內(nèi)部存在三個傳動點，則說明負荷分配控制系統(tǒng)的基本組成為5個變頻器及負荷分配控制器。另外，分配系統(tǒng)在具體運行過程中，還要引入傳動分部電動機，利用其具體運行轉(zhuǎn)矩參數(shù)，保證系統(tǒng)發(fā)揮作用，并要在這一過程中，對轉(zhuǎn)矩進行計算。負荷分配的主要原則：確保機械傳動點中的表面輥筒線速度維持不變，但在具體機械運行過程中，不同位置傳動點功率驅(qū)動輥筒的直徑大相徑庭，導(dǎo)致其包角各不相同，促使存在不同的負荷分配原則，需要根據(jù)紙機的具體情況，針對性地開展負荷分配。

5結(jié)束語

總而言之，對于造紙產(chǎn)業(yè)來說，應(yīng)積極引進先進的生產(chǎn)技術(shù)和理念，并增加資金的投入，購買現(xiàn)代化機械設(shè)備，促使造紙行業(yè)能夠持續(xù)長遠發(fā)展。因此，在造紙機電氣傳動全數(shù)字自動化控制系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，相關(guān)研究人員應(yīng)進一步加大研發(fā)力度，根據(jù)市場變化情況，對系統(tǒng)展開合理改進和優(yōu)化，從而為造紙行業(yè)發(fā)展作出貢獻。

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作者：宋永昌 單位：開封技師學(xué)院