造纸机电气传动全数字自动化控制成果

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摘要：为了增强造纸企业的核心竞争力，提高造纸品质和生产效率，造纸机自动化作业是关键。造纸机自动化作业的核心环节是造纸机电气传动系统。文章围绕造纸机电气传动全数字自动化控制系统进行研究，简述了造纸机基本结构和造纸机电气传动控制系统，采用PROFIBUS现场总线的三级控制方案进行了系统研究和设计。

关键词：造纸机；自动化控制系统；电气传动；造纸技术；PLC

造纸术是我国古代四大发明之一，具有悠久的历史，造纸工业也为我国经济发展作出了重要的贡献。但受到外界和自身因素的影响，造纸业发展中存在较大问题，如企业规模小、生产效率较低，无法紧跟时代的发展。基于此，需要利用当前先进技术，系统化研究造纸机，使其向电气传动全数字自动化控制方向发展。当前，随着社会快速发展，造纸已经从手工制作转变成为机械化生产，能够在保证纸张质量的基础上，不断提升造纸效率，加快造纸企业发展速度。其中，造纸机起着至关重要的作用，直接决定着造纸的质量和企业的经济效益。有关调查结果显示，世界上第一台造纸机出现在1789年的法国，为造纸行业带来了新的发展机遇。如今，历经时代变迁，科学技术水平显著提升，造纸机也随着社会的变化而不断完善，生产出高质量的纸张，满足人们对纸张的要求。

1造纸机的基本结构及主要工作流程

1.1造纸机的基本结构

造纸机是将符合造纸要求的纸浆水悬浮体经过滤网脱水成形、机械挤压脱水和干燥等过程而抄制成纸的机器。根据抄造工艺的需要，纸机结构形式多样，通常由成形、压制、干燥、整理、卷绕和传送等部件以及辅助系统组成[1]。

1.2造纸机的主要工作流程

经过施胶、填充和净化后，纸浆以0.3%～1.3%的浓度进入造纸机的纸浆流设备。此外，在纸张通过纸浆流分配器和纸浆流箱来分配和平整纸浆之后，纸张均匀且稳定地流向在此移动的成形网的表面。纸浆流到网壳上靠近胸辊中心线的网面后，逐渐过滤并脱水，形成连续的湿纸幅。净箱一般配有成型脱干元器件，如箱辊、真空泵吸湿箱和伏辊。当湿纸幅脱水到一定的干燥度（通常约为20%）时，可以将其从纸幅上剥离，并送到压榨部进一步脱水。

2造纸机电气传动控制系统

正常情况下，造纸机电气传动主要包括两种传动方式，一种为分部传动，另一种为总轴传动。其中，总轴传动又称为单机传动，主要动力来源为一个主变频电动机，可以将其应用于工作效率较低的造纸机。分部传动又称为多电机传动，是由多个主变频电动机提供动力，维持其正常工作[2]。分部传动具有较高的可靠性，操作比较简单，并且能够充分保证造纸的质量，确保造纸机速度比稳定。与其他传动方式相比，其具有较高环保性，能够减少各种能源的消耗量，符合可持续发展战略。若想保证造纸机长期处于安全稳定运行状态，应确保机械电气传动控制系统的稳定，这直接决定着纸张的质量。实际工作过程中，相关企业应做好以下工作：调整好机械设备；确保工作车速处于稳定状态，避免忽快忽慢；调整好机械各个部分的状态；确保分部间定速比关系不发生变化；确保机械具有稳定可靠的爬行速度[3]。另外，造纸机运行过程中，应采取科学合理的措施，控制电气传动系统。具体可以从以下三个方面入手：速度链控制，保证每个传动点速度稳定，促使造纸机处于安全稳定运行状态；负荷分配控制；纸幅张力控制。造纸机运行过程中，纸张的质量情况与分部件张力值密切相关[4]。当前纸机传动方式发生较大的改变，造纸机逐渐引用一些先进的技术和工作理念，使其能够更好地适应时代的发展，满足人们对造纸机的要求，促进其可持续发展。有关调查结果显示，当前应用最频繁的造纸机传动控制系统为三级控制模式，其中控制方式为数字控制和模拟控制。造纸机模拟控制系统构造比较简单，操作流程简单明了，对工作人员没有过高的技术要求，这就能降低操作失误现象出现的概率，延长造纸机使用寿命。模拟控制模式下的造纸机工作效率较高，具有较高的可靠性，可长时间开展工作[5]。数字控制系统是社会快速发展的产物，主要被使用于一些高速纸机，通过科学合理地应用数字通信技术，促使纸机逐渐向全数字化方向发展，充分保证设备良好运转。数字控制模式下的造纸机器的最大优势是具有较高的稳定性，不易受到内部和外部因素的干扰，抗干扰能力较强，还具极高的分辨率，符合一些大型机械设备对高精度控制的要求。另外，还可以节省人工成本，能够在保证工作质量的前提下提高工作效率。

3造纸机电气传动自动化控制系统研究成果

在经济飞速发展的今天，国外造纸业已经得到有效发展，各国投入了大量的时间和精力，对电气传动自动化控制系统展开深入研究，取得了良好的研究结果，显著提升了造纸机自动化和数字化水平。设计研发的造纸机操作流程更加简单，对工作人员要求较低，可以生产出100多种类型的纸张，并且生产效率显著提升，充分实现了造纸和成本管理工作自动化，降低了对人工的依赖程度，减少了各项成本的投入，实现了经济利益最大化[6]。设计车速显著提升，行驶速度200m/min，工作车速达到1500m/min。国外一些发展较快的企业，如西门子、ABB等，还研发出了造纸机电气传动控制的软硬件。我国造纸行业呈现规模小、分布不均匀等特点，并且纸张生产种类比较单一，缺少技术含量，大多都是由具有较多工作经验的人员，每天进行大量的重复性工作内容。传统造纸技术对周围环境破坏程度较高，并且资源浪费现象严重。据有关调查结果显示，目前我国现存造纸企业3000多家，大多企业都采用机械生产方式，虽然在一定程度上提高了工作效率，但由于机械比较落后，生产过程中存在较大的安全风险，威胁着工作人员的生命安全，极易产生较大的安全事故，给企业带来严重损失[7]。

4造纸机电气传动全数字自动化控制系统

现阶段，电子技术水平提升，机械制造业发展速度不断加快，显著优化了造纸流程，提高了纸张的质量。其中电气传统控制是造纸行业中不可缺少的一项内容，其数字化和自动化水平关系到造纸行业未来发展方向。当前，数字化和自动化已经成为社会发展的显著特点，各个行业逐渐向数字化方向发展，提升企业的市场竞争力，加快其发展速度，以使其能够在市场竞争中取得胜利，获得更高的经济效益。基于此，造纸行业应重视对造纸机电气传动全数字自动化控制系统的设计，并进行系统性分析，保证整个过程的合理性和科学性，以显著提升纸张的生产效率。因此，文章通过采用PROFIBUS现场总线的三级控制方案，进行系统性研究。

4.1造纸机变频传动控制系统

变频传动控制系统属于一种负载稳定、转速恒定的系统，可以将其分成张力控制、转矩控制等方式，具体包括以下内容。（1）速度控制。此种方式主要通过光电编码器反馈，展开合理的速度闭环控制，主要分为两种形式：一是速差控制，通过速差给定的方式，促使操作人员能够灵活调整操作面板；二是速率控制。（2）主速度控制。加大对整机速度的控制力度。（3）转矩控制。可以根据两辊压信号，之后合理利用主传动点，进行有效转矩输出。（4）张力控制。其主要工作任务是调节某一部位速度，实现对纸页张力的合理控制。参考当前企业生产对造纸机的要求，需要在其具体作业过程中，在压光机前加入张力传感器，之后开展PID调节，再通过对输出值进行合理分析，保证纸页的张力恒定。如今，社会已经逐步进入信息化时代，造纸工艺设备和流程不断被改革和创新，对纸机传动控制系统的要求越来越高，因此需重视对传动系统的革新和优化，确保造纸机能够稳定运行。

4.2速度链控制系统

在对造纸机电气传动控制系统进行分析时，主要通过科学合理地利用PLC，快速实现对所有控制对象的检测工作，重点检测内容为数字信号。通过将PLC与变频器有效结合的方式，合理控制造纸机车速，避免车速忽快忽慢等情况，从而提高纸张质量和生产效率。另外，相关工作人员也可以通过控制操作页面，重新定义造纸机所有功能的参数，对其展开全方位调控，优化工作流程。之后传动控制系统将通过现场总线的方式，将每个传动点车速准确传输到相应的驱动器，实现车速均匀化的目标，保证工作的有效性。造纸机系统速度链控制方式如下：首先将现场控制系统输入PLC中，然后将现场总线传输到PLC，最后由现场总线将速度链传输到每个变频器中。具体方案设计过程中，主要参考二叉数据结构算法，完成整个造纸机速度链的构建工作，促使造纸机具有全自动化功能，降低人工成本的投入，提高企业经济效益。在对控制系统进行设计和分析过程中，变频器会通过PROFIBUS-DP协议与PLC连接，提高各项信息传递效率，使其能够第一时间发现机械中存在的问题，及时展开系统性维修，提高造纸机的可靠性和安全性，加快运行效率。另外，PLC还能全方位系统监控机械运转效率并能合理调整机械车速。机械具体运行过程中，当PLC完成对第一台变频器速度调控工作之后，此台变频器会在实际工作中对第二台产生一定的影响，并成为因变量[8]。当对速度链进行设计时，需要根据函数形式，系统性地对每个传动单元展开抽象处理，并将每个传动点进行编号，确保整个过程的合理性，每个传动编号都有相应的变频器地址，再将传动编号与函数传输到寄存器中，从而建立满足要求的速度链结构，促使传动控制系统可以正常运行。造纸机正常运行过程中，能够根据每个传动点的减速比，准确计算电机转速，具体计算公式如下：（1）（2）式中：n为电动机同步转速；p为电动机极对数；v为线速度；i为每个传动点的减速比；f为电动机频率；D为烘缸直径。电动机定子电力计算公式如下：（3）式中：ILi为全部电动机运行过程的总电流；IL为电动机实际电流；Iei为额定电流。

4.3负荷分配的控制

要想确保造纸机正常运行，需要多台电机同时运行，以保证传动分部可以正常运行。基于此，在对造纸机电电气传动全数字自动化控制系统设计过程中，应保证合理控制负荷分配，实现均匀分配。正常情况下，造纸机网部主要包括真空伏辊和驱网辊两个传动点。当造纸机正常运行时内部存在三个传动点，则说明负荷分配控制系统的基本组成为5个变频器及负荷分配控制器。另外，分配系统在具体运行过程中，还要引入传动分部电动机，利用其具体运行转矩参数，保证系统发挥作用，并要在这一过程中，对转矩进行计算。负荷分配的主要原则：确保机械传动点中的表面辊筒线速度维持不变，但在具体机械运行过程中，不同位置传动点功率驱动辊筒的直径大相径庭，导致其包角各不相同，促使存在不同的负荷分配原则，需要根据纸机的具体情况，针对性地开展负荷分配。

5结束语

总而言之，对于造纸产业来说，应积极引进先进的生产技术和理念，并增加资金的投入，购买现代化机械设备，促使造纸行业能够持续长远发展。因此，在造纸机电气传动全数字自动化控制系统未来发展过程中，相关研究人员应进一步加大研发力度，根据市场变化情况，对系统展开合理改进和优化，从而为造纸行业发展作出贡献。

参考文献

[1]周晓静.造纸机电气传动全数字自动化控制系统设计研究[J].造纸科学与技术,2020,39(4):4.

[2]马文明.基于A-B平台的造纸机传动控制系统设计及应用[J].中国造纸,2017,36(4):55-59.

[3]钟亮.基于PLC的纸机电气传动控制系统设计[D].北京:华北电力大学,2014.

[4]刘海军,陈重阳.造纸机速度链控制系统设计[J].包装工程,2018,39(13):165-169.

[5]李英杰.基于DCS的造纸自动化控制系统的设计与实现[J].华东纸业,2020,50(3):37-39.

[6]薛志荣.造纸机传动系统中的应用变频器系统研究[J].造纸装备及材料,2021,50(8):13-14.

[7]王彦军.造纸机电气传动应用现状与自动化技术发展研究[J].造纸科学与技术,2021,40(5):52-54.

[8]张小红.造纸机电气传动系统设计[J].造纸装备及材料,2021,50(7):6-7,12.

作者：宋永昌 单位：开封技师学院