【文章內(nèi)容簡介】 動(dòng) WinDrumM 型的復(fù)卷機(jī)（抄速 3000m/min,幅寬 6000mm）,已投入生產(chǎn)。我國的南平、齊齊哈爾和華泰等廠家也都引進(jìn)了高速復(fù)卷機(jī)，并都投入了生產(chǎn)?！癯霈F(xiàn)了適用不同紙種、紙板復(fù)卷的各種型號(hào)的現(xiàn)代復(fù)卷機(jī)。在現(xiàn)代復(fù)卷機(jī)制造技術(shù)方面，居于領(lǐng)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(xiàn)代復(fù)卷機(jī)：WinDrum（雙鼓復(fù)卷機(jī)） 、WinBelt （皮帶床復(fù)卷機(jī)）機(jī)和 WinRoll 復(fù)卷機(jī)。Valmet 推出了 WinAir（氣墊減壓式復(fù)卷機(jī)）和 JR1000E 復(fù)卷機(jī)。Voith Sulzer 公司也推出了 ToroTD 復(fù)卷機(jī)、 Toro Combi 復(fù)卷機(jī)和 ToroSD 復(fù)卷機(jī)?！駶M足了市場(chǎng)對(duì)大直徑卷筒紙的需求，由原來的只能復(fù)卷直徑為 1100~1250mm 的卷筒紙，逐步發(fā)展到復(fù)卷直徑為 1500~1800mm 的卷筒紙。最大凈紙寬度也達(dá)到了2800mm?！瘳F(xiàn)代復(fù)卷機(jī)先進(jìn)的控制系統(tǒng)，采用了模塊化結(jié)構(gòu)。最新的控制系統(tǒng)包括具有 100多項(xiàng)選擇參數(shù)的復(fù)卷配方庫和復(fù)卷監(jiān)控系統(tǒng)，選擇參數(shù)包括車速、加速度、復(fù)卷力、液壓和力矩等。值得一提的是，WinBelt/WinDrum Pro 復(fù)卷機(jī)配有獨(dú)特的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，從而保證了對(duì)某些特種紙引起的復(fù)卷故障趨勢(shì)加以分析?！瘳F(xiàn)代復(fù)卷機(jī)連續(xù)復(fù)卷方法的全面自動(dòng)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(fù)卷過程的監(jiān)控員。這意味著復(fù)卷已變成了單人作業(yè)。下述連續(xù)復(fù)卷功能可實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化，并且在操作人員在控制室監(jiān)控時(shí)加以完成紙卷和卷紙輥處理及更換 ：①換卷時(shí)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(xiàn)代復(fù)卷機(jī)的設(shè)備利用率普遍提高，已由過去的 ~ 提高到 ~，甚至達(dá)到了 ~?？梢钥闯?，目前國際上復(fù)卷機(jī)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(chǎn)效率，從而降低對(duì)資源的消耗和浪費(fèi)。而自動(dòng)化程度的大幅提高，保證了設(shè)備使用率的提高，這就對(duì)復(fù)卷機(jī)設(shè)計(jì)車速的要求沒有那么苛刻了，也就是說，復(fù)卷機(jī)的設(shè)計(jì)車速不一定非要達(dá)到造紙機(jī)設(shè)計(jì)車速的 2～3 倍。國外生產(chǎn)的高檔復(fù)卷機(jī)，幾乎所有的操作均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，即所謂的全自動(dòng)復(fù)卷機(jī)，不僅提高了效率，同時(shí)也保障了操作人員的安全。比之于國外復(fù)卷機(jī)的發(fā)展情況，國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)則相對(duì)落后得多。首先，國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)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(chǎn)復(fù)卷機(jī)的品種比較單一，主要是上、下引紙兩種。而作為代表目前復(fù)卷機(jī)發(fā)展方向的下引紙復(fù)卷機(jī)，也只是以雙底輥復(fù)卷機(jī)為主，表明我國復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)制造廠家對(duì)復(fù)卷機(jī)的復(fù)卷機(jī)理以及與紙張之間的適應(yīng)性研究不夠，因此也就限制了復(fù)卷機(jī)工作車速和復(fù)卷質(zhì)量的提高。比之于進(jìn)口復(fù)卷機(jī)，國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)的另一個(gè)弱勢(shì)是自動(dòng)化程度不高。由此帶來的問題是，復(fù)卷機(jī)的實(shí)際效率大打折扣，則抄紙機(jī)的車速必然受到限制，從而對(duì)生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的控制產(chǎn)生不利影響。綜觀我國造紙?jiān)O(shè)備制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，抄紙機(jī)的工作車速可以達(dá)到 800 米/分，甚至更高。那么對(duì)復(fù)卷機(jī)的要求就是其工作車速必須達(dá)到抄紙機(jī)的 2～3 倍以上，即 1500~2500 米/分以上。如前所述，這恰恰是國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)難以做到的。但是由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格非常昂貴，并非國內(nèi)所有企業(yè)都能夠承受，因此目前國內(nèi)很多企業(yè)所采取的措施是，以增加生產(chǎn)線來彌補(bǔ)生產(chǎn)效率的低下。導(dǎo)致我國大多數(shù)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(duì)我國有限的土地資源、水資源、能源以及原材料資源的浪費(fèi)。因此說，目前國內(nèi)業(yè)內(nèi)對(duì)高速復(fù)卷機(jī)的研究已經(jīng)滯后于生產(chǎn)發(fā)展的需要，成為制約我國造紙行業(yè)進(jìn)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(jīng)簡要地?cái)⑹隽藦?fù)卷機(jī)的工作情況以及當(dāng)前國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)所處的地位和現(xiàn)狀?；谇拔乃龅那闆r，以及當(dāng)前國內(nèi)造紙行業(yè)飛速發(fā)展的要求和國內(nèi)、國際用紙市場(chǎng)的需求，因此研究高速復(fù)卷機(jī)的性能和要求，提高國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)的速度和完善國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)的性能，克服這些限制我國造紙行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，已愈發(fā)顯得必要和緊迫。復(fù)卷機(jī)是一種機(jī)電高度結(jié)合的機(jī)電一體化設(shè)備，從全面提升復(fù)卷機(jī)速度和性能的角度來看，離不開對(duì)設(shè)備加工安裝方面的改進(jìn)和完善，也需要對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及復(fù)卷機(jī)理的進(jìn)一步深入研究，這是一個(gè)綜合工程，需要多方面的配合才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)也是一個(gè)逐漸積累，逐漸完善的過程，只有不斷從各方面的進(jìn)行提高，才能有助于復(fù)卷機(jī)整體性能10的提高和完善。如第一章所述，整個(gè)復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)主要是解決對(duì)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(gè)核心問題，國產(chǎn)低速復(fù)卷機(jī)在這方面已經(jīng)基本上很好的解決了這些問題。相對(duì)而言，壓區(qū)壓力控制以及扭矩控制，由于其控制對(duì)象相對(duì)較為單一，控制手段較為明確，控制過程易于實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)這兩個(gè)控制環(huán)節(jié)的研究，不在于怎樣去實(shí)現(xiàn)控制，而在于如何評(píng)價(jià)控制效果的優(yōu)劣，從而能夠得到針對(duì)不同紙種的最佳控制曲線，進(jìn)而提出對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)意見。因此對(duì)這兩個(gè)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(tǒng)本身的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理。其中牽扯到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、驅(qū)動(dòng)裝置的選擇、控制方案的制定等等因數(shù)。而控制方案的制定無疑是問題的關(guān)鍵，目前國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)的控制系統(tǒng)，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(jī)的選擇上，幾乎全部是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即所稱的直流復(fù)卷機(jī)。從控制方案上看，所謂直接張力方案，是指系統(tǒng)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(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單，控制響應(yīng)迅速，但很難兼顧控制響應(yīng)的快速性和控制的平穩(wěn)性。例如當(dāng)車速發(fā)生變化，尤其是在降速時(shí)，由于張力檢測(cè)的失效，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)作出過激反應(yīng)，從而造成斷紙 [38]。間接張力控制方案是指系統(tǒng)沒有張力反饋，對(duì)張力的控制是建立在對(duì)紙幅張力的理解上，配合驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的恒值程序控制。兩種控制方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于直接張力方案而言，它不僅有難于兼顧穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)上也有一定難度。首先是其價(jià)格問題，國產(chǎn)復(fù)卷機(jī)的市場(chǎng)售價(jià)普遍偏低，而張力傳感器的價(jià)格基本要占到總成本的 10%；其次，抗震動(dòng)性能差，復(fù)卷機(jī)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，整機(jī)的震動(dòng)情況是比較惡劣的。引起震動(dòng)的原因，不僅存在于設(shè)備制造、安裝的精度上，同時(shí)紙卷在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也是很大的震動(dòng)源。在進(jìn)口的高檔復(fù)卷機(jī)中，為了減小震動(dòng)的影響，在成品紙機(jī)架上安裝有震動(dòng)傳感器，當(dāng)設(shè)備的震動(dòng)超過一定限度后，會(huì)自動(dòng)降低車速 [6][8]。另外由于紙張的橫向（垂直于運(yùn)動(dòng)方向）定量不可能達(dá)到完全一致，例如克重、水分含量等指標(biāo)常常在橫向上呈不規(guī)則分布，從而導(dǎo)致紙卷（包括原紙卷和成品紙卷）的圓度不規(guī)則，尤其對(duì)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(huì)逐漸偏大，最終形成不規(guī)則的圓柱體，高速旋轉(zhuǎn)下將產(chǎn)生劇烈震動(dòng)。因此高速11復(fù)卷機(jī)的震動(dòng)是難以避免的，只能通過提高機(jī)加工精度、安裝精度以及嚴(yán)格控制抄紙工藝來盡量減弱，而不能絕對(duì)消除 [6][8]。在這種情況下，張力傳感器信號(hào)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(tǒng)是有問題的，常常不能取得理想的控制效果。綜合幾個(gè)因數(shù)來考慮，直接張力控制應(yīng)當(dāng)與間接張力控制方案相結(jié)合，才能發(fā)揮其響應(yīng)快速的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免其它方面的不足。而目前情況下，在設(shè)計(jì)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)時(shí)，以間接張力為主，張力反饋為輔的設(shè)計(jì)思路才是切實(shí)可行的。上述復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要建立在低速復(fù)卷機(jī)的基礎(chǔ)上的，但隨著復(fù)卷機(jī)車速的提高，相應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)一些在低速時(shí)不會(huì)產(chǎn)生的問題，比如退紙輥在不斷的加速旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量問題、對(duì)控制系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化問題、控制系統(tǒng)在高速時(shí)通訊速率問題、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的出現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電機(jī)功率選擇的影響問題以及高速復(fù)卷機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)等問題，所以在設(shè)計(jì)高速復(fù)卷機(jī)控制方案時(shí)，不僅要考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，而且要解決車速的提高給系統(tǒng)帶來的上述問題。 課題的提出目前在對(duì)國內(nèi)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，大多采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式，通過前后底輥電機(jī)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，控制退紙輥電機(jī)（驅(qū)動(dòng)原紙卷）的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)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(jù)控制以達(dá)到成品紙卷的控制要求。如圖21 的簡化結(jié)構(gòu)圖所示。為了產(chǎn)生紙幅張力，需要使退紙輥電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)。紙幅的行走速度為 V，方向如箭頭所示，當(dāng)張力恒定為 F 時(shí)，對(duì)于退紙輥電機(jī)來說，紙幅負(fù)載是恒功率負(fù)載。目前國內(nèi)的研究，都是基于這個(gè)原理展開，由負(fù)載功率得到電機(jī)的電磁功率，從而得到電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算控制量 [28][38][39][43]。在大部分相關(guān)論述中，鮮有對(duì)原紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行認(rèn)真考慮并仔細(xì)研究的。在我們目前所做的項(xiàng)目中，也大都沒有考慮到原紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，而是近似地認(rèn)為退紙輥電機(jī)的電磁功率等于紙幅負(fù)載功率。12 n1n2Mc 1MC 1VFF前 前 前 前 前 前 圖 21 紙幅張力子系統(tǒng) The paper tension subsystem事實(shí)上，隨著復(fù)卷的進(jìn)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(zhuǎn)加速狀態(tài)，因此負(fù)載功率除了要平衡電機(jī)的電磁吸收功率外，還要負(fù)擔(dān)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(fù)載功率近似等于電磁功率，因?yàn)橛捎诩垙埡穸群鼙〉脑?，在車速不高時(shí)，角加速度較小。但對(duì)于高速復(fù)卷機(jī)的設(shè)計(jì)而言，不考慮原紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)設(shè)置方面，現(xiàn)有的低速復(fù)卷機(jī)一般采用裝置本身默認(rèn)的參數(shù)即可滿足生產(chǎn)的要求，但對(duì)于高速復(fù)卷機(jī)來說，裝置本身默認(rèn)的參數(shù)已經(jīng)不能滿足控制的需要，必須根據(jù)系統(tǒng)本身的控制要求進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化才能達(dá)到控制的要求。與此同時(shí)國外高速復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)通常將所有的控制策略以及控制算法集中在一個(gè)控制器中（如 PLC） ，這樣便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還便于和上位控制系統(tǒng)通訊，由于整個(gè)系統(tǒng)高速運(yùn)行，而且不停地在交換數(shù)據(jù)，這就對(duì)系統(tǒng)的通訊速率有一定的要求，現(xiàn)在常被采用的MODBUS 總線和西門子 S7－200PLC 顯然已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的要求，這就需要選擇通訊速率更高的總線和計(jì)算速度更快處理器。另外目前國內(nèi)的復(fù)卷機(jī)幾乎全部采用直流裝置進(jìn)行控制，而引進(jìn)的進(jìn)口高檔復(fù)卷機(jī)，大多都是交流復(fù)卷機(jī) [6][8][11][37]，說明國外廠家對(duì)復(fù)卷機(jī)的研究不僅在設(shè)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(dú)到之處，這也是將來高速復(fù)卷機(jī)發(fā)展方向。2022 年陜西科達(dá)電氣公司在浙江衢州仙鶴紙業(yè)獨(dú)立研發(fā)設(shè)計(jì)了兩臺(tái)交流復(fù)卷機(jī)，所采用的方法是通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制為主要控制量，張力傳感器信號(hào)作為輔助控制，以抵消張力波動(dòng)的影響。這個(gè)項(xiàng)目13的實(shí)施，具有很高的參考價(jià)值，它證明通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制紙幅張力是切實(shí)可行的，應(yīng)該說這是一個(gè)成功的案例，總結(jié)歸納出一套張力開環(huán)的轉(zhuǎn)速控制方案，將十分有利于國產(chǎn)交流復(fù)卷機(jī)上生產(chǎn)和推廣?；谏鲜龅姆治?，本論文將結(jié)合在實(shí)際調(diào)試設(shè)備中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)高速復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行較為深入地探討，力圖在理論上對(duì)國產(chǎn)直流復(fù)卷機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的影響因數(shù)進(jìn)行分析和描述，還將對(duì)影響恒張力控制系統(tǒng)的諸多因素進(jìn)行初步的研究，這幾方面是：? 在高速復(fù)卷機(jī)中，原紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響以及相應(yīng)的解決方案? 高速復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化? 影響恒張力控制系統(tǒng)因素的研究 課題內(nèi)容與分布本論文在第三章中將集中討論原紙卷慣性轉(zhuǎn)矩對(duì)高速復(fù)卷機(jī)恒張力的影響，并給出相應(yīng)的解決方案。首先討論原紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算，從而制定出考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，并?duì)補(bǔ)償與未補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)方案在恒定車速下的控制效果進(jìn)行量上的對(duì)比。在第四章中，將討論高速復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)參數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)恒張力控制的影響 現(xiàn)行控制方案介紹在討論原紙卷慣性轉(zhuǎn)矩對(duì)高速復(fù)卷機(jī)恒張力控制的影響之前，有必要對(duì)現(xiàn)在國內(nèi)常用的控制方案做一個(gè)簡單的介紹。 方案簡介 [28]37][38][44]首先，在復(fù)卷機(jī)中，紙幅張力的產(chǎn)生在于退紙輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于回饋制動(dòng)狀態(tài)。紙幅張力的大小，或者張力的穩(wěn)定與否，都在于對(duì)退紙輥電機(jī)的控制精度如何，所以在以后的討論中，都是針對(duì)退紙輥電機(jī)而言的。復(fù)卷過程中，原紙卷在紙幅張力的作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖 31 所示，并設(shè)順時(shí)針方向?yàn)檎?。為了產(chǎn)生張力作用，退紙輥電機(jī)雙閉環(huán)控制器的速度環(huán)給定為一個(gè)負(fù)值，即速度給定是逆時(shí)針方向的。由于實(shí)際轉(zhuǎn)向與給定方向相反，因此速度環(huán)很快就進(jìn)入了負(fù)飽和狀態(tài)，此時(shí)起作用的是電流環(huán)，電流環(huán)的輸入等于轉(zhuǎn)矩模塊的限幅值（參見圖 32） 。紙幅負(fù)載力矩是隨著復(fù)卷過程的進(jìn)行、15 前 前前 前 前前 前 前 前前 前 前前 前 前 前 前 前V1V2FF 圖 31 復(fù)卷機(jī)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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也應(yīng)隨之逐漸減小，若令負(fù)載功率近似等于電機(jī)電磁功率 [28]，則電磁轉(zhuǎn)矩就近似等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并且隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，是