【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，我國整個造紙工業(yè)技術(shù)的發(fā)展得到了很大的進(jìn)步，但相對于國外的紙機(jī)，國產(chǎn)紙機(jī)在速度及對其控制的精度和自動化程度都還存在一定的差距，所以要提高整個民族造紙工業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平，不但要順應(yīng)國際化市場的形式及發(fā)展，還要繼續(xù)加大對紙機(jī)控制系統(tǒng)性能的研究與應(yīng)用。圖11紙機(jī)傳動控制系統(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，對紙機(jī)生產(chǎn)的操作也逐漸智能化，該趨勢將成為今后紙機(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，人們對紙機(jī)的生產(chǎn)工藝及其機(jī)械制造、自動化生產(chǎn)技術(shù)等方面的要求也越來越高，尤其是操作人員對在紙機(jī)生產(chǎn)時所要求的能夠采取便捷操作等技術(shù)方面的實時監(jiān)控的要求[6][7][8]。 本文研究主要內(nèi)容在紙機(jī)的傳動控制系統(tǒng)中，電動機(jī)的速度控制是設(shè)計的難點也是重點，因為它直接受紙機(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)計紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于：速度鏈的控制，在紙機(jī)的電氣傳動控制系統(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、聯(lián)動的動作等。對于紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計其主要的難點可歸結(jié)為：高穩(wěn)定性和可靠性是整個紙機(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；如何有效的去實現(xiàn)紙機(jī)整個傳動系統(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，針對負(fù)荷分配和張力所控制對象的非線性和耦合性如何去有效地實施控制；如何消除變頻器和整個控制網(wǎng)絡(luò)的的通信易受外界環(huán)境的干擾而引起的整個控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定[9] [10][11][12]。因此，現(xiàn)場總線通信技術(shù)的特點及應(yīng)用和設(shè)計、PLC與變頻器相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及選型等，最終結(jié)合某紙廠紙機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)及要求設(shè)計基于ProfibusDP總線的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)，利用PLC的模塊化設(shè)計的方法的思想，以上位機(jī)、PLC和變頻器構(gòu)成三級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實現(xiàn)紙機(jī)整個傳動組與各分部傳動的復(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)到對整個紙機(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)是一個系統(tǒng)復(fù)雜的聯(lián)動機(jī)械機(jī)組，其主要設(shè)備可分為干部和濕部兩大部分，有時根據(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，有時也可以簡化為在參考文獻(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，對于漿紙聯(lián)合工廠，漿料準(zhǔn)備始于濃漿稀釋，終于混漿。對于單獨造紙工廠，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)行計量、稀釋，混入助劑，并在網(wǎng)前對漿料進(jìn)行篩選、凈化、脫氣，進(jìn)入流漿箱，其范圍指從紙機(jī)儲漿槽至流漿箱，該系統(tǒng)中沖漿泵是動力源，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)部具有不同的傳動控制，其中單網(wǎng)網(wǎng)部的傳動控制依據(jù)其傳動點只要有～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，同時對各網(wǎng)之間的速差的比值也有一定的要求，所以多網(wǎng)對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垯C(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，對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求也逐步增高，所以簡單的速度鏈結(jié)構(gòu)的控制和對負(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)場總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來解決這個問題[11] [43]。壓光部:該部主要是用輥子進(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個傳動點的四輥壓光機(jī)，通過這僅有的傳動點與紙機(jī)整個傳動部分上速度鏈相連接來實現(xiàn)其運(yùn)行；在正常工作運(yùn)行時該部退紙輥的電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，其它兩點則相應(yīng)的置于電動狀態(tài)，因此采用基于現(xiàn)場總線的PLC控制對其張力進(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)不但具有自動換輥的功能，而且還具有對紙機(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現(xiàn)紙機(jī)的單動、聯(lián)動等控制，在卷紙機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行時其轉(zhuǎn)速的計算公式如下[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)行時要保持其與前后分部所設(shè)計的速度比值的關(guān)系，則要求卷紙機(jī)滾筒的速度實時的隨著所卷曲紙張的厚度的增大而不斷降低，僅僅依靠對整體速度鏈的控制不能保證紙幅卷曲的相對平穩(wěn)，所以需要在卷紙機(jī)及其紙機(jī)的其他分部去實施相應(yīng)的張力控制以確保紙頁的良好卷曲。據(jù)此，紙機(jī)的整個傳動控制系統(tǒng)要采用基于現(xiàn)場總線的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就可以進(jìn)一步的達(dá)到紙機(jī)整體電氣傳動控制系統(tǒng)的要求，更好地確保了紙機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行時的穩(wěn)定性與動態(tài)性能[43]。 紙機(jī)生產(chǎn)能力的計算紙機(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)人員對其設(shè)計相關(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)行時的比率，；一成品率，即所生產(chǎn)合格品的比率，對一般紙張要求達(dá)到93％98％,對薄葉紙張要求達(dá)到88％90％；一平均日作業(yè)時間，即除換網(wǎng)、換毛毯及小修等，平均每晝夜運(yùn)轉(zhuǎn)的小時數(shù)，；通常講的一臺紙機(jī)生產(chǎn)規(guī)模是指該紙機(jī)的年生產(chǎn)能力，計算時以日生產(chǎn)能力乘以330～345即得，這是指每年扣除1530d的大中修時間。 紙機(jī)功率的計算紙機(jī)的功率消耗主要是指在實際生產(chǎn)運(yùn)行中所有傳動裝置的輸入功率在單位時間內(nèi)用于克服軸承間輥筒之間的滾動摩擦以及刮刀對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)在實際生產(chǎn)運(yùn)行中消耗的功率進(jìn)行較準(zhǔn)確的測定，然后再以lm的紙機(jī)幅度寬和車速為lm／min時來計算所需用的功率，計算公式如下[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，其功率大致為生產(chǎn)紙張時的70％75％，出紙時，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器試驗臺制動原理，分析了實車制動的受力狀態(tài)，以及試驗臺的組成，并對其采用技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，著重介紹了電流驅(qū)動技術(shù)，為后面章節(jié)建立電動機(jī)驅(qū)動力電流可觀測的數(shù)學(xué)模型的試驗、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年度陜西西微測控工程有限公司(原陜西科技大學(xué)微機(jī)測控研究所)與陜西西安某紙廠所合作的4400／600紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計項目，其現(xiàn)場實物如圖23所示，并以該項目的紙機(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；傳動車速：600 m／min；傳動形式：變頻傳動。圖23 4400／600紙機(jī)現(xiàn)場實物圖紙機(jī)的種類不同，其所需要配置的傳動參數(shù)也就不同，這里結(jié)合紙機(jī)的具體工藝流程及實際生產(chǎn)情況，上文所述項目中的4400／600紙機(jī)所需要控制的主要傳動點其基本配置參數(shù)如表22所示[41]:表22 4400／600紙機(jī)的基本主傳動配置參數(shù)序號傳動點部位所配電機(jī)功率/Kw傳動點數(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11第3組烘缸3602分部傳動12第4組烘缸1601分部傳動13施膠機(jī)452分部傳動點張控制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分部傳動點張控制17引紙輥助動46分部傳動點張控制18卷紙輥助動1分部傳動點張控制19引紙繩傳動222分部傳動點張控制 紙機(jī)對控制系統(tǒng)的要求在如今倡導(dǎo)追求綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展的社會大背景下，人們對紙機(jī)性價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)計的紙機(jī)的電氣傳動控制系統(tǒng)與以往相比有較大區(qū)別，大多數(shù)都在研究設(shè)計并采用具有全數(shù)字信號通訊控制的現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，整個紙機(jī)生產(chǎn)線的控制通過上位機(jī)或現(xiàn)場的操作面板就可以集中或部分的去控制各個生產(chǎn)流程，逐步實現(xiàn)了無人現(xiàn)場操作化的現(xiàn)代工廠，推動了造紙工業(yè)自動化技術(shù)水平的發(fā)展邁向了新的階段。 現(xiàn)根據(jù)紙機(jī)的工藝流程及其項目所對應(yīng)的工作車速和幅寬，并結(jié)合紙廠的具體情況，紙機(jī)的傳動系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其傳動點多，幾個傳動點帶動一個負(fù)荷運(yùn)動等，在保證紙機(jī)正常運(yùn)行的情況下如何提高紙機(jī)的動、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)對控制系統(tǒng)的主要具體要求為： (1)紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)最重要的一個技術(shù)指標(biāo)就是維持車速的穩(wěn)定，紙機(jī)工藝的改變、機(jī)械傳動條件的變化、電源電壓的波動及網(wǎng)和毛氈的清潔度等都會帶來車速的不穩(wěn)定，最終造成紙張定量的波動及斷頭，給企業(yè)帶了不必要的損失，所以對其速度控制的靜態(tài)精度≤％、動態(tài)精度≤％，兩個相鄰分部之間的速比控制精度≤％，在有干擾時的短時間內(nèi)其速度偏差≤％，在加速和制動的過程中其定速期間的短時間內(nèi)的張力的控制精度≤2％，從定速轉(zhuǎn)換到加速或制動狀態(tài)時的張力的控制精度≤5％，只有滿足以上要