【文章內容簡介】 動 WinDrumM 型的復卷機（抄速 3000m/min,幅寬 6000mm）,已投入生產。我國的南平、齊齊哈爾和華泰等廠家也都引進了高速復卷機，并都投入了生產?！癯霈F了適用不同紙種、紙板復卷的各種型號的現代復卷機。在現代復卷機制造技術方面，居于領先地位的有三家公司， Voith Sulzer（伏依特蘇爾壽）公司， Valmet（維美德）公司和 Metso（美卓）公司。Metso 公司先后推出了 3 種有代表性的現代復卷機：WinDrum（雙鼓復卷機） 、WinBelt （皮帶床復卷機）機和 WinRoll 復卷機。Valmet 推出了 WinAir（氣墊減壓式復卷機）和 JR1000E 復卷機。Voith Sulzer 公司也推出了 ToroTD 復卷機、 Toro Combi 復卷機和 ToroSD 復卷機?！駶M足了市場對大直徑卷筒紙的需求，由原來的只能復卷直徑為 1100~1250mm 的卷筒紙，逐步發(fā)展到復卷直徑為 1500~1800mm 的卷筒紙。最大凈紙寬度也達到了2800mm?！瘳F代復卷機先進的控制系統，采用了模塊化結構。最新的控制系統包括具有 100多項選擇參數的復卷配方庫和復卷監(jiān)控系統，選擇參數包括車速、加速度、復卷力、液壓和力矩等。值得一提的是，WinBelt/WinDrum Pro 復卷機配有獨特的振動測量系統，從而保證了對某些特種紙引起的復卷故障趨勢加以分析?！瘳F代復卷機連續(xù)復卷方法的全面自動化功能將人工作業(yè)降到最低，并將操作人員的角色變成復卷過程的監(jiān)控員。這意味著復卷已變成了單人作業(yè)。下述連續(xù)復卷功能可實現全面自動化，并且在操作人員在控制室監(jiān)控時加以完成紙卷和卷紙輥處理及更換 ：①換卷時的粘接 ②全幅引紙 ③紙芯處理 8④紙尾在紙芯和成紙卷上的固定 ⑤幅寬變換 ⑥紙卷更換●現代復卷機的設備利用率普遍提高，已由過去的 ~ 提高到 ~，甚至達到了 ~?？梢钥闯觯壳皣H上復卷機的發(fā)展方向是高車速、大成品紙卷、大幅寬、高利用率，其最終目的是提高生產效率，從而降低對資源的消耗和浪費。而自動化程度的大幅提高，保證了設備使用率的提高，這就對復卷機設計車速的要求沒有那么苛刻了，也就是說，復卷機的設計車速不一定非要達到造紙機設計車速的 2～3 倍。國外生產的高檔復卷機，幾乎所有的操作均實現了自動化，即所謂的全自動復卷機，不僅提高了效率，同時也保障了操作人員的安全。比之于國外復卷機的發(fā)展情況，國產復卷機則相對落后得多。首先，國產復卷機的工作車速一般不高，大都集中在 1500 米/分鐘以下，車速超過 2022 米/ 分鐘的不多。其次，國產復卷機的品種比較單一，主要是上、下引紙兩種。而作為代表目前復卷機發(fā)展方向的下引紙復卷機，也只是以雙底輥復卷機為主，表明我國復卷機生產制造廠家對復卷機的復卷機理以及與紙張之間的適應性研究不夠，因此也就限制了復卷機工作車速和復卷質量的提高。比之于進口復卷機，國產復卷機的另一個弱勢是自動化程度不高。由此帶來的問題是，復卷機的實際效率大打折扣，則抄紙機的車速必然受到限制，從而對生產效率的提高和生產成本的控制產生不利影響。綜觀我國造紙設備制造業(yè)的發(fā)展現狀，抄紙機的工作車速可以達到 800 米/分，甚至更高。那么對復卷機的要求就是其工作車速必須達到抄紙機的 2～3 倍以上，即 1500~2500 米/分以上。如前所述，這恰恰是國產復卷機難以做到的。但是由于進口設備價格非常昂貴，并非國內所有企業(yè)都能夠承受，因此目前國內很多企業(yè)所采取的措施是，以增加生產線來彌補生產效率的低下。導致我國大多數造紙企業(yè)仍然停留在低效率、高成本，以規(guī)模效益為主的層面上。這無疑是對我國有限的土地資源、水資源、能源以及原材料資源的浪費。因此說，目前國內業(yè)內對高速復卷機的研究已經滯后于生產發(fā)展的需要，成為制約我國造紙行業(yè)進一步提升行業(yè)水平的瓶頸之一。9第二章 課題的提出 背景分析在第一章中，已經簡要地敘述了復卷機的工作情況以及當前國產復卷機所處的地位和現狀?；谇拔乃龅那闆r，以及當前國內造紙行業(yè)飛速發(fā)展的要求和國內、國際用紙市場的需求，因此研究高速復卷機的性能和要求，提高國產復卷機的速度和完善國產復卷機的性能，克服這些限制我國造紙行業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸，已愈發(fā)顯得必要和緊迫。復卷機是一種機電高度結合的機電一體化設備，從全面提升復卷機速度和性能的角度來看，離不開對設備加工安裝方面的改進和完善，也需要對設備的結構以及復卷機理的進一步深入研究，這是一個綜合工程，需要多方面的配合才能實現。同時也是一個逐漸積累，逐漸完善的過程，只有不斷從各方面的進行提高，才能有助于復卷機整體性能10的提高和完善。如第一章所述，整個復卷機控制系統主要是解決對紙幅的張力控制、壓區(qū)壓力控制、前后底輥扭矩控制（即 TNT）三個核心問題，國產低速復卷機在這方面已經基本上很好的解決了這些問題。相對而言，壓區(qū)壓力控制以及扭矩控制，由于其控制對象相對較為單一，控制手段較為明確，控制過程易于實現，所以對這兩個控制環(huán)節(jié)的研究，不在于怎樣去實現控制，而在于如何評價控制效果的優(yōu)劣，從而能夠得到針對不同紙種的最佳控制曲線，進而提出對設備結構的改進意見。因此對這兩個環(huán)節(jié)的研究，其意義重大，然而卻需要多方面的配合才能完成。相比之下，紙幅張力控制效果的好壞，則在很大程度上依賴于控制系統本身的設計是否科學合理。其中牽扯到驅動電機的選擇、驅動裝置的選擇、控制方案的制定等等因數。而控制方案的制定無疑是問題的關鍵，目前國產復卷機的控制系統，大致可以分為兩類：直接張力控制方案、間接張力控制方案。而在電機的選擇上，幾乎全部是直流電機驅動，即所稱的直流復卷機。從控制方案上看，所謂直接張力方案，是指系統安裝有張力傳感器，從而形成張力閉環(huán)。這種方案的優(yōu)點是控制結構簡單，控制響應迅速，但很難兼顧控制響應的快速性和控制的平穩(wěn)性。例如當車速發(fā)生變化，尤其是在降速時，由于張力檢測的失效，會導致系統作出過激反應，從而造成斷紙 [38]。間接張力控制方案是指系統沒有張力反饋，對張力的控制是建立在對紙幅張力的理解上，配合驅動裝置，實現對張力的恒值程序控制。兩種控制方案各有優(yōu)缺點，對于直接張力方案而言，它不僅有難于兼顧穩(wěn)定性的缺點，同時在實現上也有一定難度。首先是其價格問題，國產復卷機的市場售價普遍偏低，而張力傳感器的價格基本要占到總成本的 10%；其次，抗震動性能差，復卷機是高速運轉的設備，整機的震動情況是比較惡劣的。引起震動的原因，不僅存在于設備制造、安裝的精度上，同時紙卷在高速旋轉時也是很大的震動源。在進口的高檔復卷機中，為了減小震動的影響，在成品紙機架上安裝有震動傳感器，當設備的震動超過一定限度后，會自動降低車速 [6][8]。另外由于紙張的橫向（垂直于運動方向）定量不可能達到完全一致，例如克重、水分含量等指標常常在橫向上呈不規(guī)則分布，從而導致紙卷（包括原紙卷和成品紙卷）的圓度不規(guī)則，尤其對于成品紙卷而言，由于其硬度很高，橫向上定量偏差的累積會逐漸偏大，最終形成不規(guī)則的圓柱體，高速旋轉下將產生劇烈震動。因此高速11復卷機的震動是難以避免的，只能通過提高機加工精度、安裝精度以及嚴格控制抄紙工藝來盡量減弱，而不能絕對消除 [6][8]。在這種情況下，張力傳感器信號的有效提取就碰到了障礙，所以完全依賴于張力傳感器，建立單一的張力閉環(huán)控制系統是有問題的，常常不能取得理想的控制效果。綜合幾個因數來考慮，直接張力控制應當與間接張力控制方案相結合，才能發(fā)揮其響應快速的優(yōu)勢，同時避免其它方面的不足。而目前情況下，在設計復卷機電控系統時，以間接張力為主，張力反饋為輔的設計思路才是切實可行的。上述復卷機電控系統的設計主要建立在低速復卷機的基礎上的，但隨著復卷機車速的提高，相應地會出現一些在低速時不會產生的問題，比如退紙輥在不斷的加速旋轉時的轉動慣量問題、對控制系統各參數的優(yōu)化問題、控制系統在高速時通訊速率問題、轉動慣量的出現對系統電機功率選擇的影響問題以及高速復卷機運行時產生的震動等問題，所以在設計高速復卷機控制方案時，不僅要考慮系統功能的實現，而且要解決車速的提高給系統帶來的上述問題。 課題的提出目前在對國內復卷機電控系統進行設計時，大多采用直流電機驅動的模式，通過前后底輥電機來驅動整個系統，控制退紙輥電機（驅動原紙卷）的電磁制動轉矩來控制紙幅的張力，再輔以壓紙輥壓力控制和底輥的扭據控制以達到成品紙卷的控制要求。如圖21 的簡化結構圖所示。為了產生紙幅張力，需要使退紙輥電機工作在回饋制動狀態(tài)。紙幅的行走速度為 V，方向如箭頭所示，當張力恒定為 F 時，對于退紙輥電機來說，紙幅負載是恒功率負載。目前國內的研究，都是基于這個原理展開，由負載功率得到電機的電磁功率，從而得到電機的電磁制動轉矩的計算控制量 [28][38][39][43]。在大部分相關論述中，鮮有對原紙卷轉動慣量進行認真考慮并仔細研究的。在我們目前所做的項目中，也大都沒有考慮到原紙卷轉動慣量的影響，而是近似地認為退紙輥電機的電磁功率等于紙幅負載功率。12 n1n2Mc 1MC 1VFF前 前 前 前 前 前 圖 21 紙幅張力子系統 The paper tension subsystem事實上，隨著復卷的進行，原紙卷的半徑越來越小，在線速度恒定的情況下，原紙輥處于旋轉加速狀態(tài)，因此負載功率除了要平衡電機的電磁吸收功率外，還要負擔原紙卷的加速功率。所以只有在工作車速不高的情況下，才可以令負載功率近似等于電磁功率，因為由于紙張厚度很薄的原因，在車速不高時，角加速度較小。但對于高速復卷機的設計而言，不考慮原紙卷轉動慣量的影響，將是控制策略制定上的一大缺陷，而且必然是失敗的。在控制裝置的參數設置方面，現有的低速復卷機一般采用裝置本身默認的參數即可滿足生產的要求，但對于高速復卷機來說，裝置本身默認的參數已經不能滿足控制的需要，必須根據系統本身的控制要求進行計算優(yōu)化才能達到控制的要求。與此同時國外高速復卷機控制系統通常將所有的控制策略以及控制算法集中在一個控制器中（如 PLC） ，這樣便于對整個系統的參數進行優(yōu)化，還便于和上位控制系統通訊，由于整個系統高速運行，而且不停地在交換數據，這就對系統的通訊速率有一定的要求，現在常被采用的MODBUS 總線和西門子 S7－200PLC 顯然已經不能滿足系統的要求，這就需要選擇通訊速率更高的總線和計算速度更快處理器。另外目前國內的復卷機幾乎全部采用直流裝置進行控制，而引進的進口高檔復卷機，大多都是交流復卷機 [6][8][11][37]，說明國外廠家對復卷機的研究不僅在設備制造方面走在了前面，而且在控制策略的制定方面也有獨到之處，這也是將來高速復卷機發(fā)展方向。2022 年陜西科達電氣公司在浙江衢州仙鶴紙業(yè)獨立研發(fā)設計了兩臺交流復卷機，所采用的方法是通過轉速控制來控制紙幅的張力，并且使用了張力傳感器。具體方案是以轉速控制為主要控制量，張力傳感器信號作為輔助控制，以抵消張力波動的影響。這個項目13的實施，具有很高的參考價值，它證明通過控制電機轉速來控制紙幅張力是切實可行的，應該說這是一個成功的案例，總結歸納出一套張力開環(huán)的轉速控制方案，將十分有利于國產交流復卷機上生產和推廣?；谏鲜龅姆治?，本論文將結合在實際調試設備中的經驗和教訓，對高速復卷機控制系統進行較為深入地探討，力圖在理論上對國產直流復卷機在高速運行時的影響因數進行分析和描述，還將對影響恒張力控制系統的諸多因素進行初步的研究，這幾方面是：? 在高速復卷機中，原紙卷轉動慣量的影響以及相應的解決方案? 高速復卷機控制系統的參數優(yōu)化? 影響恒張力控制系統因素的研究 課題內容與分布本論文在第三章中將集中討論原紙卷慣性轉矩對高速復卷機恒張力的影響，并給出相應的解決方案。首先討論原紙卷轉動慣量的計算，從而制定出考慮轉動慣量補償的控制方案，并對補償與未補償的兩個方案在恒定車速下的控制效果進行量上的對比。在第四章中，將討論高速復卷機系統參數的優(yōu)化問題以及影響恒張力控制的諸多因素。14第三章 原紙卷轉動慣量對恒張力控制的影響 現行控制方案介紹在討論原紙卷慣性轉矩對高速復卷機恒張力控制的影響之前，有必要對現在國內常用的控制方案做一個簡單的介紹。 方案簡介 [28]37][38][44]首先，在復卷機中，紙幅張力的產生在于退紙輥驅動電機工作于回饋制動狀態(tài)。紙幅張力的大小，或者張力的穩(wěn)定與否，都在于對退紙輥電機的控制精度如何，所以在以后的討論中，都是針對退紙輥電機而言的。復卷過程中，原紙卷在紙幅張力的作用下順時針旋轉，如圖 31 所示，并設順時針方向為正向。為了產生張力作用，退紙輥電機雙閉環(huán)控制器的速度環(huán)給定為一個負值，即速度給定是逆時針方向的。由于實際轉向與給定方向相反，因此速度環(huán)很快就進入了負飽和狀態(tài)，此時起作用的是電流環(huán)，電流環(huán)的輸入等于轉矩模塊的限幅值（參見圖 32） 。紙幅負載力矩是隨著復卷過程的進行、15 前 前前 前 前前 前 前 前前 前 前前 前 前 前 前 前V1V2FF 圖 31 復卷機工作示意圖 Sketch map of rewind machine原紙輥半徑的減小而減小的，為了使得張力平穩(wěn)，則電機電磁轉矩也應隨之逐漸減小，若令負載功率近似等于電機電磁功率 [28]，則電磁轉矩就近似等于負載轉矩，并且隨著負載轉矩的變化而變化，是