造紙機電氣傳動全數字自動化控制成果

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摘要：為了增強造紙企業的核心競爭力，提高造紙品質和生產效率，造紙機自動化作業是關鍵。造紙機自動化作業的核心環節是造紙機電氣傳動系統。文章圍繞造紙機電氣傳動全數字自動化控制系統進行研究，簡述了造紙機基本結構和造紙機電氣傳動控制系統，采用PROFIBUS現場總線的三級控制方案進行了系統研究和設計。

關鍵詞：造紙機；自動化控制系統；電氣傳動；造紙技術；PLC

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

1造紙機的基本結構及主要工作流程

1.1造紙機的基本結構

造紙機是將符合造紙要求的紙漿水懸浮體經過濾網脫水成形、機械擠壓脫水和干燥等過程而抄制成紙的機器。根據抄造工藝的需要，紙機結構形式多樣，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組成[1]。

1.2造紙機的主要工作流程

經過施膠、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，紙張均勻且穩定地流向在此移動的成形網的表面。紙漿流到網殼上靠近胸輥中心線的網面后，逐漸過濾并脫水，形成連續的濕紙幅。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

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量，確保造紙機速度比穩定。與其他傳動方式相比，其具有較高環保性，能夠減少各種能源的消耗量，符合可持續發展戰略。若想保證造紙機長期處于安全穩定運行狀態，應確保機械電氣傳動控制系統的穩定，這直接決定著紙張的質量。實際工作過程中，相關企業應做好以下工作：調整好機械設備；確保工作車速處于穩定狀態，避免忽快忽慢；調整好機械各個部分的狀態；確保分部間定速比關系不發生變化；確保機械具有穩定可靠的爬行速度[3]。另外，造紙機運行過程中，應采取科學合理的措施，控制電氣傳動系統。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定，促使造紙機處于安全穩定運行狀態；負荷分配控制；紙幅張力控制。造紙機運行過程中，紙張的質量情況與分部件張力值密切相關[4]。當前紙機傳動方式發生較大的改變，造紙機逐漸引用一些先進的技術和工作理念，使其能夠更好地適應時代的發展，滿足人們對造紙機的要求，促進其可持續發展。有關調查結果顯示，當前應用最頻繁的造紙機傳動控制系統為三級控制模式，其中控制方式為數字控制和模擬控制。造紙機模擬控制系統構造比較簡單，操作流程簡單明了，對工作人員沒有過高的技術要求，這就能降低操作失誤現象出現的概率，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]。數字控制系統是社會快速發展的產物，主要被使用于一些高速紙機，通過科學合理地應用數字通信技術，促使紙機逐漸向全數字化方向發展，充分保證設備良好運轉。數字控制模式下的造紙機器的最大優勢是具有較高的穩定性，不易受到內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備對高精度控制的要求。另外，還可以節省人工成本，能夠在保證工作質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研究成果

在經濟飛速發展的今天，國外造紙業已經得到有效發展，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展開深入研究，取得了良好的研究結果，顯著提升了造紙機自動化和數字化水平。設計研發的造紙機操作流程更加簡單，對工作人員要求較低，可以生產出100多種類型的紙張，并且生產效率顯著提升，充分實現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，實現了經濟利益最大化[6]。設計車速顯著提升，行駛速度200m/min，工作車速達到1500m/min。國外一些發展較快的企業，如西門子、ABB等，還研發出了造紙機電氣傳動控制的軟硬件。我國造紙行業呈現規模小、分布不均勻等特點，并且紙張生產種類比較單一，缺少技術含量，大多都是由具有較多工作經驗的人員，每天進行大量的重復性工作內容。傳統造紙技術對周圍環境破壞程度較高，并且資源浪費現象嚴重。據有關調查結果顯示，目前我國現存造紙企業3000多家，大多企業都采用機械生產方式，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，極易產生較大的安全事故，給企業帶來嚴重損失[7]。

4造紙機電氣傳動全數字自動化控制系統

現階段，電子技術水平提升，機械制造業發展速度不斷加快，顯著優化了造紙流程，提高了紙張的質量。其中電氣傳統控制是造紙行業中不可缺少的一項內容，其數字化和自動化水平關系到造紙行業未來發展方向。當前，數字化和自動化已經成為社會發展的顯著特點，各個行業逐漸向數字化方向發展，提升企業的市場競爭力，加快其發展速度，以使其能夠在市場競爭中取得勝利，獲得更高的經濟效益。基于此，造紙行業應重視對造紙機電氣傳動全數字自動化控制系統的設計，并進行系統性分析，保證整個過程的合理性和科學性，以顯著提升紙張的生產效率。因此，文章通過采用PROFIBUS現場總線的三級控制方案，進行系統性研究。

4.1造紙機變頻傳動控制系統

變頻傳動控制系統屬于一種負載穩定、轉速恒定的系統，可以將其分成張力控制、轉矩控制等方式，具體包括以下內容。（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）轉矩控制。可以根據兩輥壓信號，之后合理利用主傳動點，進行有效轉矩輸出。（4）張力控制。其主要工作任務是調節某一部位速度，實現對紙頁張力的合理控制。參考當前企業生產對造紙機的要求，需要在其具體作業過程中，在壓光機前加入張力傳感器，之后開展PID調節，再通過對輸出值進行合理分析，保證紙頁的張力恒定。如今，社會已經逐步進入信息化時代，造紙工藝設備和流程不斷被改革和創新，對紙機傳動控制系統的要求越來越高，因此需重視對傳動系統的革新和優化，確保造紙機能夠穩定運行。

4.2速度鏈控制系統

在對造紙機電氣傳動控制系統進行分析時，主要通過科學合理地利用PLC，快速實現對所有控制對象的檢測工作，重點檢測內容為數字信號。通過將PLC與變頻器有效結合的方式，合理控制造紙機車速，避免車速忽快忽慢等情況，從而提高紙張質量和生產效率。另外，相關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，對其展開全方位調控，優化工作流程。之后傳動控制系統將通過現場總線的方式，將每個傳動點車速準確傳輸到相應的驅動器，實現車速均勻化的目標，保證工作的有效性。造紙機系統速度鏈控制方式如下：首先將現場控制系統輸入PLC中，然后將現場總線傳輸到PLC，最后由現場總線將速度鏈傳輸到每個變頻器中。具體方案設計過程中，主要參考二叉數據結構算法，完成整個造紙機速度鏈的構建工作，促使造紙機具有全自動化功能，降低人工成本的投入，提高企業經濟效益。在對控制系統進行設計和分析過程中，變頻器會通過PROFIBUS-DP協議與PLC連接，提高各項信息傳遞效率，使其能夠第一時間發現機械中存在的問題，及時展開系統性維修，提高造紙機的可靠性和安全性，加快運行效率。另外，PLC還能全方位系統監控機械運轉效率并能合理調整機械車速。機械具體運行過程中，當PLC完成對第一臺變頻器速度調控工作之后，此臺變頻器會在實際工作中對第二臺產生一定的影響，并成為因變量[8]。當對速度鏈進行設計時，需要根據函數形式，系統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的變頻器地址，再將傳動編號與函數傳輸到寄存器中，從而建立滿足要求的速度鏈結構，促使傳動控制系統可以正常運行。造紙機正常運行過程中，能夠根據每個傳動點的減速比，準確計算電機轉速，具體計算公式如下：（1）（2）式中：n為電動機同步轉速；p為電動機極對數；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字自動化控制系統設計過程中，應保證合理控制負荷分配，實現均勻分配。正常情況下，造紙機網部主要包括真空伏輥和驅網輥兩個傳動點。當造紙機正常運行時內部存在三個傳動點，則說明負荷分配控制系統的基本組成為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，利用其具體運行轉矩參數，保證系統發揮作用，并要在這一過程中，對轉矩進行計算。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動輥筒的直徑大相徑庭，導致其包角各不相同，促使存在不同的負荷分配原則，需要根據紙機的具體情況，針對性地開展負荷分配。

5結束語

總而言之，對于造紙產業來說，應積極引進先進的生產技術和理念，并增加資金的投入，購買現代化機械設備，促使造紙行業能夠持續長遠發展。因此，在造紙機電氣傳動全數字自動化控制系統未來發展過程中，相關研究人員應進一步加大研發力度，根據市場變化情況，對系統展開合理改進和優化，從而為造紙行業發展作出貢獻。

參考文獻

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[2]馬文明.基于A-B平臺的造紙機傳動控制系統設計及應用[J].中國造紙,2017,36(4):55-59.

[3]鐘亮.基于PLC的紙機電氣傳動控制系統設計[D].北京:華北電力大學,2014.

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[6]薛志榮.造紙機傳動系統中的應用變頻器系統研究[J].造紙裝備及材料,2021,50(8):13-14.

[7]王彥軍.造紙機電氣傳動應用現狀與自動化技術發展研究[J].造紙科學與技術,2021,40(5):52-54.

[8]張小紅.造紙機電氣傳動系統設計[J].造紙裝備及材料,2021,50(7):6-7,12.

作者：宋永昌 單位：開封技師學院