【正文】 00m/min、生產(chǎn)幅寬為6600ram，以上紙機(jī)的機(jī)械裝備及工業(yè)技術(shù)除了個(gè)別關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)引進(jìn)國外，其他的機(jī)械設(shè)備及技術(shù)，我國幾乎都可以完全自我解決。所以總的來說，我國整個(gè)造紙工業(yè)技術(shù)的發(fā)展得到了很大的進(jìn)步，但相對(duì)于國外的紙機(jī)，國產(chǎn)紙機(jī)在速度及對(duì)其控制的精度和自動(dòng)化程度都還存在一定的差距，所以要提高整個(gè)民族造紙工業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平，不但要順應(yīng)國際化市場(chǎng)的形式及發(fā)展，還要繼續(xù)加大對(duì)紙機(jī)控制系統(tǒng)性能的研究與應(yīng)用。圖11紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖隨著現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展及造紙裝備技術(shù)水平的不斷提高，紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)也進(jìn)入了以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的發(fā)展時(shí)期，各類紙張的生產(chǎn)車速越來越高且其幅寬也越來越寬，對(duì)紙機(jī)生產(chǎn)的操作也逐漸智能化，該趨勢(shì)將成為今后紙機(jī)發(fā)展的主要方向。目前，僅有一些特種紙(比如纖維)受其生產(chǎn)工藝與當(dāng)今技術(shù)水平的影響外，其他紙機(jī)的生產(chǎn)均已在高速化、寬幅化等技術(shù)方面取得了較大的進(jìn)步且?guī)砹艘欢ǖ男б?，與此同時(shí)，人們對(duì)紙機(jī)的生產(chǎn)工藝及其機(jī)械制造、自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)等方面的要求也越來越高，尤其是操作人員對(duì)在紙機(jī)生產(chǎn)時(shí)所要求的能夠采取便捷操作等技術(shù)方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求[6][7][8]。 本文研究主要內(nèi)容在紙機(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的速度控制是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)也是重點(diǎn)，因?yàn)樗苯邮芗垯C(jī)的張力、速度、負(fù)荷等不穩(wěn)定的變量和參數(shù)影響以及被影響著，它直接關(guān)系到整個(gè)紙機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性及控制精度，因此，設(shè)計(jì)紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：速度鏈的控制，在紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，其負(fù)荷分配和張力等主要方面的控制都將遞歸到去控制整個(gè)系統(tǒng)的速度鏈；紙機(jī)各分部工作次序的復(fù)雜控制，其控制直接影響著紙機(jī)的正常生產(chǎn)，比如紙機(jī)各分部間及整體的單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)的動(dòng)作等。對(duì)于紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其主要的難點(diǎn)可歸結(jié)為：高穩(wěn)定性和可靠性是整個(gè)紙機(jī)控制系統(tǒng)的重要控制技術(shù)指標(biāo)也是其控制的難點(diǎn)；如何有效的去實(shí)現(xiàn)紙機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所需的大量數(shù)據(jù)的高速通信及其控制；在紙機(jī)高速運(yùn)行生產(chǎn)時(shí)，針對(duì)負(fù)荷分配和張力所控制對(duì)象的非線性和耦合性如何去有效地實(shí)施控制；如何消除變頻器和整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的的通信易受外界環(huán)境的干擾而引起的整個(gè)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定[9] [10][11][12]。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用和設(shè)計(jì)、PLC與變頻器相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及選型等，最終結(jié)合某紙廠紙機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及要求設(shè)計(jì)基于ProfibusDP總線的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，利用PLC的模塊化設(shè)計(jì)的方法的思想，以上位機(jī)、PLC和變頻器構(gòu)成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紙機(jī)整個(gè)傳動(dòng)組與各分部傳動(dòng)的復(fù)雜控制以及各控制部分間數(shù)據(jù)的高速傳輸，在此基礎(chǔ)上結(jié)合二叉樹算法進(jìn)一步的達(dá)到對(duì)整個(gè)紙機(jī)的速度控制,負(fù)荷分配控制以及其他相關(guān)輔助連鎖控制等控制的要求。2 紙機(jī)工藝概述及對(duì)控制系統(tǒng)的要求 紙機(jī)生產(chǎn)工藝的介紹紙機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)機(jī)械機(jī)組，其主要設(shè)備可分為干部和濕部?jī)纱蟛糠?，有時(shí)根據(jù)某些紙種生產(chǎn)工藝的要求還需要配置施膠壓榨、半干壓光、機(jī)內(nèi)涂布以及其他輔助系統(tǒng)單元[13]。濕部主要由上將流送系統(tǒng)、網(wǎng)部、壓榨部等部分構(gòu)成；干部主要由烘干部和涂布部以及卷紙部等部分組成。成漿池中的漿料通過上漿流送系統(tǒng)輸送到紙機(jī)的流漿箱，再經(jīng)過紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部、干燥部及壓光部后，紙漿被制成原紙，又經(jīng)過機(jī)外涂布部和復(fù)卷機(jī)的加工，原紙被加工成成品紙。一般較通用的造紙典型工藝流程如圖21所示，有時(shí)也可以簡(jiǎn)化為在參考文獻(xiàn)上比較多見的圖22所示的流程圖，現(xiàn)就其流程的主要工序做下介紹。 (1)漿料準(zhǔn)備漿料準(zhǔn)備是制漿廠與紙機(jī)之間的分界，對(duì)于漿紙聯(lián)合工廠，漿料準(zhǔn)備始于濃漿稀釋，終于混漿。對(duì)于單獨(dú)造紙工廠，漿料準(zhǔn)備從碎漿開始，直至漿料流送系統(tǒng)，漿料準(zhǔn)備的目的是制備能夠達(dá)到抄造條件的紙漿和助劑，因此需要預(yù)先處理各配料組分，然后將所有組分連續(xù)均一地混合，一般情況下其具體工藝有為碎漿、磨漿、漿料凈化、混漿。 碎漿:通常使用水力碎漿機(jī)將成品漿(如槳板)分散在水中形成泥漿或懸浮液。此工序分為連續(xù)和間歇兩種，最終達(dá)到漿送要求。漿料的凈化:漿料凈化主要是去除漿料的重質(zhì)雜質(zhì)和輕質(zhì)雜質(zhì)。目前使用的設(shè)備主要是除砂器和壓力篩。 磨漿:磨漿或打漿的作用是為了通過回轉(zhuǎn)刀片的機(jī)械作用改變紙漿的纖維狀態(tài)，使其達(dá)到抄紙配料所需最佳狀態(tài)，使用的設(shè)備通常是磨盤?；鞚{：混漿的作用是為了得到連續(xù)均一穩(wěn)定的材料，保持后續(xù)流送系統(tǒng)的穩(wěn)定。(2)紙機(jī)濕部上漿系統(tǒng):指沖漿泵循環(huán)回路，在此系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行計(jì)量、稀釋，混入助劑，并在網(wǎng)前對(duì)漿料進(jìn)行篩選、凈化、脫氣，進(jìn)入流漿箱，其范圍指從紙機(jī)儲(chǔ)漿槽至流漿箱，該系統(tǒng)中沖漿泵是動(dòng)力源，它混合漿料和白水，使?jié){料經(jīng)過篩漿機(jī)去除大雜志、大塊纖維，再用除砂器去除細(xì)小物質(zhì)后，進(jìn)行脫氣，經(jīng)壓力篩后進(jìn)入流漿箱。流漿箱:其作用是接受沖漿泵送來的漿料，將管道漿流轉(zhuǎn)換成與紙機(jī)勻稱的寬度，并在紙機(jī)縱向形成均一流速的矩形漿流，其基本原理都是利用紙漿的重力或施加的壓力，通過堰般控制流量，將流漿均一勻速地流送到網(wǎng)部。 圖21造紙工藝流程圖 1 網(wǎng)部:該部是紙頁成形部位，其原理是通過逐步增大的真空脫水作用，使流漿在網(wǎng)部成形。根據(jù)紙張不同，成形網(wǎng)可分為單網(wǎng)、雙網(wǎng)、三網(wǎng)，其中單網(wǎng)是常用的成形部，根據(jù)其形狀可分為長網(wǎng)和圓網(wǎng)，不同類型的紙機(jī)其網(wǎng)部具有不同的傳動(dòng)控制，其中單網(wǎng)網(wǎng)部的傳動(dòng)控制依據(jù)其傳動(dòng)點(diǎn)只要有～組負(fù)荷分配即可，多網(wǎng)網(wǎng)部需要具備單網(wǎng)所有的負(fù)荷分配的控制，同時(shí)對(duì)各網(wǎng)之間的速差的比值也有一定的要求，所以多網(wǎng)對(duì)控制策略的要求更高。圖22紙機(jī)工藝的流程圖 2 壓榨部:紙機(jī)的壓榨部的主要是對(duì)紙張進(jìn)行固結(jié)成形以及脫水，提高紙張的疏密強(qiáng)度與表面的光滑度，可看作是從網(wǎng)部開始脫水過程的延伸，其主要流程是紙幅從成形部傳遞，并在毛毯上受壓脫水，使紙幅固結(jié)。 (3)紙機(jī)干部干燥部:該部通過熱蒸發(fā)脫去殘余的水分，濕紙幅經(jīng)過一系列旋轉(zhuǎn)的蒸汽烘缸，水分被蒸發(fā)掉并通過排風(fēng)被帶走，是提高高速紙機(jī)性能的重要環(huán)節(jié)。涂布部:紙機(jī)的涂布部是干部的重要組成部分也稱作施膠部，其主要作用是在原紙的表面涂上一定量配比的涂料，以提高紙張的外觀或使用特性?；谌藗儗?duì)紙機(jī)運(yùn)行車速日益提高的要求，涂布機(jī)也得到了較快的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求也逐步增高，所以簡(jiǎn)單的速度鏈結(jié)構(gòu)的控制和對(duì)負(fù)荷分配的控制均已無法很好地滿足涂布生產(chǎn)運(yùn)行過程的需要，據(jù)此本文可采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題[11] [43]。壓光部:該部主要是用輥?zhàn)舆M(jìn)行碾壓，目的是為了獲得光滑的印刷表面。本文所述的紙機(jī)是帶有1個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的四輥壓光機(jī)，通過這僅有的傳動(dòng)點(diǎn)與紙機(jī)整個(gè)傳動(dòng)部分上速度鏈相連接來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行；在正常工作運(yùn)行時(shí)該部退紙輥的電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，其它兩點(diǎn)則相應(yīng)的置于電動(dòng)狀態(tài)，因此采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制對(duì)其張力進(jìn)行控制的方法解決紙張耦合作用的問題[11]。卷紙部:該部將成品的紙張卷成規(guī)定的紙卷，近幾年所投產(chǎn)的具備輥庫設(shè)備的卷紙機(jī)不但具有自動(dòng)換輥的功能，而且還具有對(duì)紙機(jī)的張力控制及其所產(chǎn)紙張的長度顯示的功能，尤其還可以通過其輔助的控制部分多方式的控制去實(shí)現(xiàn)紙機(jī)的單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等控制，在卷紙機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下[11]： （21）式中：一卷紙機(jī)的轉(zhuǎn)速(r／min)；一紙張幅度的運(yùn)行速度(m／min)；一紙張的厚度(m)；、一卷紙輥的始、末半徑(m)。由此可知，在卷紙機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)要保持其與前后分部所設(shè)計(jì)的速度比值的關(guān)系，則要求卷紙機(jī)滾筒的速度實(shí)時(shí)的隨著所卷曲紙張的厚度的增大而不斷降低，僅僅依靠對(duì)整體速度鏈的控制不能保證紙幅卷曲的相對(duì)平穩(wěn)，所以需要在卷紙機(jī)及其紙機(jī)的其他分部去實(shí)施相應(yīng)的張力控制以確保紙頁的良好卷曲。據(jù)此，紙機(jī)的整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)要采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就可以進(jìn)一步的達(dá)到紙機(jī)整體電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，更好地確保了紙機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能[43]。 紙機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算紙機(jī)的生產(chǎn)能力是人們判斷及選購紙機(jī)的最關(guān)鍵參考因素，也是工程技術(shù)人員對(duì)其設(shè)計(jì)相關(guān)控制系統(tǒng)所需要參考慮的最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)能力的計(jì)算公式如下[1]： （22）式中：一造紙機(jī)運(yùn)行生產(chǎn)的能力(t/d)；一造紙機(jī)的車速(m／min)；一紙的抄寬(m)；一紙的定量(g/m2)；一抄造率，即紙機(jī)正常產(chǎn)紙運(yùn)行時(shí)的比率，；一成品率，即所生產(chǎn)合格品的比率，對(duì)一般紙張要求達(dá)到93％98％,對(duì)薄葉紙張要求達(dá)到88％90％；一平均日作業(yè)時(shí)間，即除換網(wǎng)、換毛毯及小修等，平均每晝夜運(yùn)轉(zhuǎn)的小時(shí)數(shù)，；通常講的一臺(tái)紙機(jī)生產(chǎn)規(guī)模是指該紙機(jī)的年生產(chǎn)能力，計(jì)算時(shí)以日生產(chǎn)能力乘以330～345即得，這是指每年扣除1530d的大中修時(shí)間。 紙機(jī)功率的計(jì)算紙機(jī)的功率消耗主要是指在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中所有傳動(dòng)裝置的輸入功率在單位時(shí)間內(nèi)用于克服軸承間輥筒之間的滾動(dòng)摩擦以及刮刀對(duì)輥面和烘缸表面的摩擦等所耗的功率。單位指標(biāo)法是一種估算紙機(jī)功率消耗的方法，它能夠?qū)垯C(jī)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中消耗的功率進(jìn)行較準(zhǔn)確的測(cè)定，然后再以lm的紙機(jī)幅度寬和車速為lm／min時(shí)來計(jì)算所需用的功率，計(jì)算公式如下[41]： （23）式中：一單位功率耗用指標(biāo)，kW／[m(m／min)]；一紙機(jī)的幅門寬度(m)：一紙機(jī)的車速(m／min)：紙機(jī)各分部的平均單位功率耗用指標(biāo)K可參考表21。表21在紙機(jī)上耗用功率的平均單位指標(biāo)紙機(jī)的分布耗用的單位指標(biāo)（kW／[m(m／min)]）備注長網(wǎng)部普通壓榨輥真空壓榨輥光澤壓榨輥烘干部壓光部輥數(shù)8時(shí)滾筒式卷紙機(jī)新聞紙或印刷紙等牛皮紙 一般而言，干燥部的功率消耗占造紙機(jī)全部功率的25％40％，而伏輥和壓光機(jī)則各占12％17％。當(dāng)紙機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其功率大致為生產(chǎn)紙張時(shí)的70％75％，出紙時(shí)，伏輥和壓光機(jī)的負(fù)荷有顯著的增加。 紙機(jī)的技術(shù)參數(shù)本章首先介紹接制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)原理，分析了實(shí)車制動(dòng)的受力狀態(tài)，以及試驗(yàn)臺(tái)的組成，并對(duì)其采用技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，著重介紹了電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為后面章節(jié)建立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力電流可觀測(cè)的數(shù)學(xué)模型的試驗(yàn)、仿真以及控制方法改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。紙機(jī)因其所生產(chǎn)的紙類不同而其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、工作車速、紙幅寬度等技術(shù)參數(shù)也就不同，所以各自所對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)的具體要求也就不一樣，本文結(jié)合2010至201 1年度陜西西微測(cè)控工程有限公司(原陜西科技大學(xué)微機(jī)測(cè)控研究所)與陜西西安某紙廠所合作的4400／600紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖23所示，并以該項(xiàng)目的紙機(jī)為例可得出如下主要基本參數(shù)：生產(chǎn)品種：高強(qiáng)瓦楞紙；紙張定量：100．1509／m2；凈紙寬度：4400 mm；工作車速：450600 m／min；傳動(dòng)車速：600 m／min；傳動(dòng)形式：變頻傳動(dòng)。圖23 4400／600紙機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖紙機(jī)的種類不同，其所需要配置的傳動(dòng)參數(shù)也就不同，這里結(jié)合紙機(jī)的具體工藝流程及實(shí)際生產(chǎn)情況，上文所述項(xiàng)目中的4400／600紙機(jī)所需要控制的主要傳動(dòng)點(diǎn)其基本配置參數(shù)如表22所示[41]:表22 4400／600紙機(jī)的基本主傳動(dòng)配置參數(shù)序號(hào)傳動(dòng)點(diǎn)部位所配電機(jī)功率/Kw傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)量備注1面網(wǎng)付輥1321符合分配 從2面網(wǎng)復(fù)合輥751符合分配 主3芯網(wǎng)驅(qū)動(dòng)輥1601符合分配 主4芯網(wǎng)復(fù)合輥1101符合分配 從5底網(wǎng)助動(dòng)輥451負(fù)荷分配 主6真空付輥3151負(fù)荷分配 從7底網(wǎng)驅(qū)動(dòng)輥3551負(fù)荷分配 主8真空吸移輥552負(fù)荷分配 從9大壓榨輥1324負(fù)荷分配 主10第1組烘缸1601分部傳動(dòng)11第3組烘缸3602分部傳動(dòng)12第4組烘缸1601分部傳動(dòng)13施膠機(jī)452分部傳動(dòng)點(diǎn)張控制14主壓上輥2001負(fù)荷分配 主15主壓下輥2001負(fù)荷分配 從16水平圓筒卷紙機(jī)751分部傳動(dòng)點(diǎn)張控制17引紙輥助動(dòng)46分部傳動(dòng)點(diǎn)張控制18卷紙輥助動(dòng)1分部傳動(dòng)點(diǎn)張控制19引紙繩傳動(dòng)222分部傳動(dòng)點(diǎn)張控制 紙機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求在如今倡導(dǎo)追求綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)大背景下，人們對(duì)紙機(jī)性價(jià)比的要求及其智能化生產(chǎn)的要求也越來越高，現(xiàn)如今所設(shè)計(jì)的紙機(jī)的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)與以往相比有較大區(qū)別，大多數(shù)都在研究設(shè)計(jì)并采用具有全數(shù)字信號(hào)通訊控制的現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)，整個(gè)紙機(jī)生產(chǎn)線的控制通過上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)的操作面板就可以集中或部分的去控制各個(gè)生產(chǎn)流程，逐步實(shí)現(xiàn)了無人現(xiàn)場(chǎng)操作化的現(xiàn)代工廠，推動(dòng)了造紙工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)水平的發(fā)展邁向了新的階段。 現(xiàn)根據(jù)紙機(jī)的工藝流程及其項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的工作車速和幅寬，并結(jié)合紙廠的具體情況，紙機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其傳動(dòng)點(diǎn)多，幾個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)帶動(dòng)一個(gè)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)等，在保證紙機(jī)正常運(yùn)行的情況下如何提高紙機(jī)的動(dòng)、靜穩(wěn)態(tài)精度、高速化與智能化的水準(zhǔn)，得出如下紙機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的主要具體要求為： (1)紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)最重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)就是維持車速的穩(wěn)定，紙機(jī)工藝的改變、機(jī)械傳動(dòng)條件的變化、電源電壓的波動(dòng)及網(wǎng)和毛氈的清潔度等都會(huì)帶來車速的不穩(wěn)定，最終造成紙張定量的波動(dòng)及斷頭，給企業(yè)帶了不必要的損失，所以對(duì)其速度控制的靜態(tài)精度≤％、動(dòng)態(tài)精度≤％，兩個(gè)相鄰分部之間的速比控制精度≤％，在有干擾時(shí)的短時(shí)間內(nèi)其速度偏差≤％，在加速和制動(dòng)的過程中其定速期間的短時(shí)間內(nèi)的張力的控制精度≤2％，從定速轉(zhuǎn)換到加速或制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的張力的控制精度≤5％，只有滿足以上要