論文摘要 本文探討了變頻調(diào)速及其控制技術(shù)在紙機(jī)生產(chǎn)線的上漿系統(tǒng)、分部傳動(dòng)、卷取系統(tǒng)和輔助設(shè)施的廣泛應(yīng)用，并詳細(xì)闡述了具體的控制要求和實(shí)現(xiàn)的控制策略。 1 引言 造紙機(jī)是由一系列配套設(shè)備組成的聯(lián)合機(jī)，分濕部和干部?jī)纱蟛糠?。濕部包括上漿流送系統(tǒng)、網(wǎng)部和壓榨等部分，干部包括烘干、壓光和卷取等部分。其生產(chǎn)流程一般是：漿料通過(guò)上漿流送系統(tǒng)傳送到紙機(jī)生產(chǎn)流水線的前端流漿箱，然后漿流由此依次通過(guò)網(wǎng)部、壓榨、前烘缸、后壓榨、后烘缸、壓光機(jī)和卷紙機(jī)等在內(nèi)的分部設(shè)備，成為原紙；原紙又可以另外進(jìn)入機(jī)外涂布和復(fù)卷機(jī)產(chǎn)出成品紙。 造紙是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。變頻調(diào)速作為90年代中期后最強(qiáng)有力的控制方式進(jìn)入了原本屬于直流調(diào)速（適用于大中紙機(jī)）和滑差電機(jī)（適用于中小紙機(jī)）天下的造紙領(lǐng)域，并已近取得良好的市場(chǎng)效果。 交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式。直流調(diào)速系統(tǒng)在紙機(jī)的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機(jī)存在維護(hù)難、抗環(huán)境能力差等原因，到了90年代已嚴(yán)重制約了造紙整機(jī)的性能價(jià)格比。而變頻調(diào)速技術(shù)能最大程度上發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等），再加上變頻調(diào)速理論業(yè)已形成一門(mén)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科，變頻調(diào)速技術(shù)全面應(yīng)用于紙機(jī)生產(chǎn)線的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了。本文就變頻調(diào)速及其控制技術(shù)在紙機(jī)生產(chǎn)線上的應(yīng)用做進(jìn)一步的闡述。 2 造紙機(jī)上漿系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制 造紙機(jī)上漿系統(tǒng)負(fù)責(zé)將紙漿通過(guò)漿泵、沖漿泵、多級(jí)篩等設(shè)備輸送到紙機(jī)網(wǎng)部流漿箱的過(guò)程，其中漿泵和沖漿泵為最重要的設(shè)備，因?yàn)樗鼈冴P(guān)系到成形紙的質(zhì)量，尤其是克重，因此必須采用變頻控制才能達(dá)到紙機(jī)的設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，安裝變頻裝置能適應(yīng)不同車(chē)速、不同品種的用量變化，使?jié){泵組的運(yùn)行始終處于高效狀態(tài)。另外，采用變頻控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)和漿泵的轉(zhuǎn)速下降，軸承等機(jī)械部件磨損降低，泵端密封系統(tǒng)不易損壞，機(jī)泵的故障率大為降低，維修工作量也隨之減少。 上漿工藝必須符合以下要求：（1）向造紙機(jī)的網(wǎng)部輸送的漿料量一定要穩(wěn)定，誤差不超過(guò)±5%；（2）漿料的配比和濃度要穩(wěn)定、均勻；（3）對(duì)漿料進(jìn)行凈化精選等。因此對(duì)漿泵和沖漿泵的速度控制是保證第（1）、（2）項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的重中之重。 下面以沖漿泵為例來(lái)說(shuō)明速度控制的流程：該變頻控制采用雙閉環(huán)系統(tǒng)的速度控制方式，外環(huán)是速度閉環(huán)（V-控制），內(nèi)環(huán)是電流或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)（I-控制）。沖漿泵速度的設(shè)定值一方面是由漿速和網(wǎng)速比變化而獲得的V設(shè)定，另一方面是來(lái)自于流漿箱的壓力控制器（P－控制）。前者是主調(diào)，后者是微調(diào)。紙機(jī)的漿速和網(wǎng)速比基本上是恒定的，因此紙機(jī)的網(wǎng)速一變化，V設(shè)定也隨著變化，沖漿泵的轉(zhuǎn)速也跟隨變化；為了提高速度調(diào)節(jié)器的精確性和反映流漿箱的實(shí)際工藝過(guò)程，通常還需取流漿箱的壓力PID控制輸出值的±５%的變化來(lái)作為沖漿泵附加的速度設(shè)定值。速度的實(shí)際值（V實(shí)際）取自傳動(dòng)電機(jī)的實(shí)際速度采樣，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)速電機(jī)或光電旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測(cè)裝置獲取。電流的設(shè)定值（M設(shè)定）取自取自速度環(huán)的輸出信號(hào)，電流的實(shí)際值（M實(shí)際）取自各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的交流變頻器輸出端電流互感器的測(cè)量值。 因此對(duì)于沖漿泵的變頻調(diào)速而言，需要對(duì)其進(jìn)行PID控制，需正確選擇速度反饋方式和PID的各類(lèi)參數(shù)。加速時(shí)間0～100%的設(shè)定值一般為60秒，而減速時(shí)間大約為30秒。變頻器的設(shè)定輸入值需具有二至多端的輸入，并能進(jìn)行基本運(yùn)算。反饋信號(hào)需具有接收模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)的端口。了解這一點(diǎn)，對(duì)選擇變頻器的型號(hào)非常重要。 3 造紙機(jī)分部傳動(dòng)的變頻控制 我國(guó)造紙機(jī)分部傳動(dòng)設(shè)備，以前采用SCR直流調(diào)速方式，由于存在滑環(huán)和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導(dǎo)致紙機(jī)的機(jī)械落后，車(chē)速也只有200m/min左右，很難同國(guó)外的1000m/min的高速紙機(jī)相比。由此看來(lái)，造紙機(jī)分部傳動(dòng)機(jī)械的變頻化已是大勢(shì)所趨。 分部傳動(dòng)涉及到紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部、前烘缸、后壓榨、后烘缸、壓光機(jī)等眾多的傳動(dòng)點(diǎn)，由于紙張具有細(xì)薄、脆弱的缺點(diǎn)，因此為了防止紙張出現(xiàn)斷裂、卷曲、褶皺、壓痕，必須對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行高精度的速度控制，并保證紙張按成紙方向所限定的伸展率進(jìn)行延展。也就是說(shuō)，從上漿到上卷的整個(gè)過(guò)程，要保持紙幅一定的速度級(jí)聯(lián)，這樣才有拉力。正是基于分部傳動(dòng)的變頻控制強(qiáng)調(diào)的是各傳動(dòng)點(diǎn)的在線無(wú)級(jí)調(diào)速和同步跟隨性能，因此用在分部傳動(dòng)的變頻器必須具有以下特性：（1）調(diào)速范圍寬，在全速度范圍內(nèi)，效率必須在90%以上；（2）功率因數(shù)高于0.9以上；（3）輸入諧波電流總失真小于3%；（4）采用可靠性高、技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件IGBT；（5）能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果；（6）利用通訊功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。 如某紙廠1臺(tái)1092型水松紙?jiān)旒垯C(jī)的 4個(gè)分部傳動(dòng)傳動(dòng)點(diǎn)的功率分別為壓榨11kW，主缸11kW，組缸7.5kW,卷紙5.5kW。根據(jù)使用廠家的實(shí)際情況和要求，變頻器采用西門(mén)子公司新近推出的MM420系列，PLC采用西門(mén)子S7-200系列。網(wǎng)絡(luò)通訊采用RS485接口，協(xié)議方式采用西門(mén)子USS協(xié)議。主機(jī)調(diào)速及單個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)微調(diào)采用按扭調(diào)速，并且能夠在操作臺(tái)和設(shè)備前兩地調(diào)速。 又如某廠2820型牛皮箱板紙?jiān)旒垯C(jī)，變頻器采用美國(guó)AB公司1336型高功能變頻器，PLC采用AB公司SLC500系列，操作界面采用觸模屏。由上位機(jī)控制運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)表格自動(dòng)生成、生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)打印、故障報(bào)警狀態(tài)分析。網(wǎng)絡(luò)通訊采用國(guó)際通用的PROFIBUS DP通訊網(wǎng)絡(luò)。電動(dòng)機(jī)采用交流變頻電機(jī)，并且應(yīng)用磁通矢量閉環(huán)控制。另外可以通過(guò)對(duì)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際使用功率的計(jì)算控制各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的負(fù)荷分配，并且在生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)點(diǎn)動(dòng)在不影響速度鏈的情況下進(jìn)行局部張緊和松弛。 以上二例是較為典型地應(yīng)用到了分部變頻控制的控制原理，分部傳動(dòng)的控制原理是保持速度級(jí)聯(lián)和高速傳輸，前者利用上位機(jī)（PLC或工控機(jī)）來(lái)進(jìn)行速度級(jí)聯(lián)的計(jì)算，后者是通過(guò)變頻器本身的高速串行通訊能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。怎樣一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)配線簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、信息量豐富且接口兼容，便于實(shí)現(xiàn)FA和管控一體化。 速度級(jí)聯(lián)的結(jié)果是將紙機(jī)分部傳動(dòng)的主傳動(dòng)點(diǎn)形成了一串速度鏈，只要其中的一個(gè)點(diǎn)速度進(jìn)行調(diào)整，其后的每　一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)也隨之快速調(diào)整。在實(shí)際的紙機(jī)控制中，往往還要根據(jù)特定的位置再增加特定的傳動(dòng)控制方式，尤其重要的當(dāng)數(shù)負(fù)荷配比控制。 所謂負(fù)荷配比控制，是指在兩個(gè)嚙合輥中，為保持接觸的緊密性和合理性，需要對(duì)兩個(gè)輥?zhàn)舆M(jìn)行負(fù)荷分配，以達(dá)到最佳效果。在造紙機(jī)壓榨部、壓光機(jī)等嚙合輥控制中，根據(jù)工藝需要，紙幅斷裂時(shí)，嚙合的兩輥?zhàn)犹幱诿撻_(kāi)位置，紙幅通過(guò)時(shí)兩輥?zhàn)犹幱诤仙衔恢?。其中在嚙合輥合上中，為保持兩輥?zhàn)釉跈C(jī)械上的緊密接觸，達(dá)到嚙合的要求，需采取負(fù)荷配比控制方式。 嚙合輥的主傳動(dòng)仍采用速度級(jí)聯(lián)控制方式，從傳動(dòng)采用負(fù)荷配比控制方式。在該負(fù)荷配比控制中，速度閉環(huán)的設(shè)定值在主傳動(dòng)設(shè)定值（V設(shè)定）的基礎(chǔ)上，再增加5%的速度，這樣的話，其速度環(huán)的輸出值即電流環(huán)的設(shè)定輸入值（M設(shè)定）就會(huì)增加，然后主傳動(dòng)速度環(huán)的輸出值乘上負(fù)荷配比百分值去限定從傳動(dòng)電流環(huán)的設(shè)定輸入值（M設(shè)定），也就會(huì)緊緊跟上主傳動(dòng)，使得該兩輥的嚙合程度更加緊密、貼合。 4 卷紙機(jī)、復(fù)卷機(jī)和機(jī)外涂布機(jī)等收放卷系統(tǒng)的張力控制 紙張有二種成型方式即平板紙和卷筒紙，由于高速印刷機(jī)的大量出現(xiàn)，對(duì)于卷筒紙的需求量與日俱增。而且卷筒紙相對(duì)于平板紙來(lái)說(shuō)，更能提高紙機(jī)的車(chē)速。然而紙機(jī)對(duì)于卷筒紙的處理則是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，尤其是在中心卷取的過(guò)程中，隨著卷徑的不斷增加，卷筒輥的速度必須不斷減少，同時(shí)又要保證紙幅的張力相對(duì)平穩(wěn)。因此，對(duì)于收放卷系統(tǒng)而言，進(jìn)行張力控制是核心技術(shù)，也是變頻調(diào)速的難點(diǎn)。 對(duì)如此復(fù)雜的張力控制系統(tǒng)，變頻技術(shù)必須能克服以下4個(gè)技術(shù)問(wèn)題：（1）將復(fù)雜的交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單化；（2）考慮到張力反饋信號(hào)的延后和超調(diào)；（3）將卷繞張力控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)描述成時(shí)變函數(shù)；（4）保證張力閉環(huán)的抗波動(dòng)能力高和即時(shí)調(diào)節(jié)性好。 目前，在卷取中最常用的是以下2種控制方式：（1）速度控制卷?。⊿PW），用PID通過(guò)測(cè)力傳感器的張力反饋，或調(diào)節(jié)輥的位置反饋，來(lái)修正速度給定；（2）電流控制卷?。–PW），用PID調(diào)節(jié)張力給定，可適用于中心卷取的方式，這一類(lèi)型的控制一般是開(kāi)環(huán)的。具有張力控制的變頻控制系統(tǒng)，一般由直徑、補(bǔ)償、轉(zhuǎn)矩和速度計(jì)算等模塊組成。 5 造紙機(jī)輔助部分的變頻控制 造紙機(jī)的輔助部分通常包括白水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、化學(xué)品加藥系統(tǒng)、損紙回收系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。在實(shí)際設(shè)計(jì)紙機(jī)中，為了使紙機(jī)能連續(xù)均衡地運(yùn)轉(zhuǎn)，它的輔助部分，一般都超過(guò)造紙機(jī)最大生產(chǎn)能力的15%～35%。因此，采用變頻調(diào)速及其控制技術(shù)能有效地降低實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中輔助能耗，比如原先采用調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制的風(fēng)機(jī)和水泵、定速運(yùn)轉(zhuǎn)的皮帶傳輸機(jī)等。以下就典型的幾個(gè)方面來(lái)闡述變頻控制的廣泛用途。 5.1 冷凍水變頻調(diào)速 在造紙的輔助設(shè)備中，涂布和施膠經(jīng)常要到用冷凍水來(lái)處理涂料，以保持涂料化學(xué)特性的穩(wěn)定，現(xiàn)在經(jīng)常采用的方法為冷凍水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)。它的控制原理是利用溫度或溫差控制，因?yàn)閺膰?yán)格意義上說(shuō)，冷凍主機(jī)的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從涂料槽帶走的熱量，所以溫差可作為控制依據(jù)。同時(shí)由于冷凍主機(jī)的出水溫度一般較為穩(wěn)定，故實(shí)際上在設(shè)計(jì)中只需根據(jù)回水溫度進(jìn)行控制即可。 冷凍水系統(tǒng)選用的變頻調(diào)速應(yīng)該可設(shè)計(jì)為PID控制，因?yàn)榇蟛糠值淖冾l器都具有PID功能，因此控制回路就非常簡(jiǎn)潔，以回水溫度作為反饋信號(hào)，而目標(biāo)溫度則可以通過(guò)變頻器的面板設(shè)定或是上位機(jī)輸出模擬量信號(hào)設(shè)定。 5.2 損紙皮帶機(jī)變頻調(diào)速 損紙皮帶機(jī)是負(fù)責(zé)將干部的斷紙或處理紙運(yùn)送到干損系統(tǒng)，因?yàn)槠У乃俣韧ǔ６及醇垯C(jī)的最大車(chē)速設(shè)計(jì)的，通常紙機(jī)運(yùn)行的速度在最大車(chē)速的50%～80%之間，皮帶定速運(yùn)行必將浪費(fèi)相當(dāng)大的能量，而且還產(chǎn)生太大的噪音，此時(shí)采用變頻調(diào)速，使皮帶機(jī)的速度跟隨紙機(jī)的車(chē)速，而且使皮帶機(jī)的起動(dòng)頻率為20～30Hz，這樣既能皮帶機(jī)能快速反應(yīng)避免堵紙，又能降低能耗。 6 結(jié)束語(yǔ) 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和成熟，變頻器以其優(yōu)良的調(diào)速性能、操作簡(jiǎn)單、功能完善、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)等諸多優(yōu)點(diǎn)，必將取代紙機(jī)上傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)，而成為紙機(jī)電氣傳動(dòng)的佼佼者。