造紙機(jī)多電機(jī)同步速度鏈控制系統(tǒng)研究?

王建華，詹國(guó)兵

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

1 造紙機(jī)工藝流程

造紙機(jī)通常由多臺(tái)變頻調(diào)速控制的異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，屬于典型的多電機(jī)控制系統(tǒng)。圖1為造紙工藝流程。按照紙張成形過(guò)程，各傳動(dòng)點(diǎn)依次為網(wǎng)部、壓榨、前干燥、施膠機(jī)、后干燥、壓光機(jī)和卷紙機(jī)等，每一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都由一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。各傳動(dòng)點(diǎn)間要求達(dá)到線速度的同步，即所有傳動(dòng)點(diǎn)上的線速度應(yīng)相等。當(dāng)總工作車速發(fā)生變化時(shí)，所有傳動(dòng)點(diǎn)的速度都將同步發(fā)生變化，即線速度同步控制。但是，在造紙機(jī)運(yùn)行中，可能由于紙張自身伸縮等原因?qū)е履承﹤鲃?dòng)點(diǎn)的紙張過(guò)松或過(guò)緊，為避免紙張過(guò)緊而斷紙，過(guò)松而褶皺，因此要求微調(diào)該傳動(dòng)點(diǎn)的速度，并且保證該傳動(dòng)點(diǎn)前面的速度不變，其后面的傳動(dòng)點(diǎn)速度相應(yīng)地按比例進(jìn)行調(diào)整，這就是速度鏈控制功能。造紙機(jī)的線速度同步和速度鏈控制是至關(guān)重要的，有必要進(jìn)行研究和試驗(yàn)［1］。

圖1 造紙工藝流程圖

2 造紙機(jī)多電機(jī)同步速度鏈控制理論分析

由于造紙機(jī)各傳動(dòng)點(diǎn)的減速器傳動(dòng)比、輥?zhàn)又睆降炔煌?，因此其轉(zhuǎn)速是成比例的，且比例系數(shù)恒定?？煽康?、高精度地保持這個(gè)比例系數(shù)恒定，是保證紙張正常生產(chǎn)運(yùn)行的一個(gè)前提條件。造紙機(jī)各傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速應(yīng)在緊紙后或在斷電重啟后繼續(xù)維持原車速，不需重新調(diào)節(jié)。

此外，為調(diào)節(jié)相鄰兩傳動(dòng)點(diǎn)間的速差，比例系數(shù)還應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)微調(diào)，避免紙張?jiān)趥魉瓦^(guò)程中出現(xiàn)過(guò)緊或松弛現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速微調(diào)要求可靠且靈敏，不能在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)滯后現(xiàn)象［2］。

造紙機(jī)速度鏈需達(dá)到如下控制要求：當(dāng)按下某一傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速升或轉(zhuǎn)速降按鈕時(shí)，不但該傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速變化，而且其后面的傳動(dòng)點(diǎn)也跟著變化，但其前面的傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速不變。

假設(shè)造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)有n個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，各傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速分別為N1，N2，…，Nn，相鄰兩傳動(dòng)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)速比分別為K1，K2，…，Kn－1，則有如下關(guān)系：

N1也稱全線轉(zhuǎn)速，由上述可知：當(dāng)全線轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其余各傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速也隨著改變；但改變速比只有這之后的傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著改變，之前的各傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速不變［3］。

3 造紙機(jī)多電機(jī)同步速度鏈控制方案

造紙機(jī)每個(gè)傳動(dòng)組中至少有一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)參與速度鏈控制，最終實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制。以某長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)為例，其參與速度鏈控制的各傳動(dòng)點(diǎn)如圖2所示。長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)的驅(qū)網(wǎng)輥為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)整機(jī)車速，其余各傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速由該點(diǎn)轉(zhuǎn)速乘以相應(yīng)的速比得到［4］。

圖3為長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)速度鏈控制方案，該控制方案稱為主從級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的速度鏈控制方案［5］。其控制原理是以前一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出再乘以同步速比系數(shù)作為后一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定。該控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)時(shí)同步性能好，前級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)的負(fù)載擾動(dòng)或轉(zhuǎn)速變化對(duì)后級(jí)的傳動(dòng)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生影響，后級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)的負(fù)載擾動(dòng)或轉(zhuǎn)速變化對(duì)前級(jí)沒(méi)有影響，由于造紙機(jī)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載保持恒定，負(fù)載擾動(dòng)小，因此可以忽略；此外，造紙機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，前后級(jí)轉(zhuǎn)速稍有滯后，但通過(guò)后面的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行來(lái)看，仍然在允許范圍之內(nèi)。

圖2 造紙機(jī)參與速度鏈控制的各傳動(dòng)點(diǎn)

4 速度鏈控制試驗(yàn)研究

為檢驗(yàn)造紙機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，利用MATLAB開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)檢測(cè)GUI界面程序“Trace.fig”。信號(hào)采集方式為：利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，“Trace.fig”程序接收傳感器采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理，并在圖形坐標(biāo)上顯示數(shù)據(jù)波形［6］。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，選擇真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、K壓上輥、大輥壓榨下輥、一烘缸部分進(jìn)行速度鏈控制試驗(yàn)，依次編號(hào)為1～5。采用5組光電式轉(zhuǎn)速傳感器（型號(hào)LG－930）檢測(cè)第1到第5個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。初始狀態(tài)下造紙機(jī)工作車速（線速度）為1 500m/min，各傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速分別為：835.1r/min，917.7r/min，955r/min，855.6r/min，896.0r/min。

圖3 主從級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的速度鏈控制方案

增速試驗(yàn)中，在t＝5s時(shí)，調(diào)整速比K2（增大1%）后，傳動(dòng)點(diǎn)1和2的轉(zhuǎn)速維持不變，而傳動(dòng)點(diǎn)3～5速度隨之增加，最終分別穩(wěn)定在964.6r/min，864.2 r/min和905.0r/min。增速后傳動(dòng)點(diǎn)2、3、5的轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。

圖4 增速后傳動(dòng)點(diǎn)2、3、5的轉(zhuǎn)速波形

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該速度鏈控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時(shí)同步性能好；但其缺點(diǎn)是在啟動(dòng)或調(diào)速過(guò)程中，后一臺(tái)電機(jī)要比前一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有滯后，但仍然在允許范圍之內(nèi)。

5 總結(jié)

本文對(duì)造紙機(jī)多電機(jī)線速度同步和速度鏈控制的原理進(jìn)行了分析與討論，并提出了合理的控制方案，同時(shí)，利用MATLAB軟件開(kāi)發(fā)了GUI界面程序“Trace.fig”，“Trace.fig”將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并在圖形坐標(biāo)上顯示數(shù)據(jù)波形。試驗(yàn)研究表明，該控制方案能實(shí)時(shí)監(jiān)控造紙機(jī)各傳動(dòng)點(diǎn)的速度，并通過(guò)PLC通訊調(diào)整各傳動(dòng)點(diǎn)變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步速度鏈控制功能，系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，可靠穩(wěn)定。

［1］孟彥京，韓旭.速度鏈在紙機(jī)傳動(dòng)中的設(shè)計(jì)與分析［J］.中華紙業(yè)，2009（9）：90－92.

［2］李方園.造紙機(jī)械變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用［J］.中國(guó)造紙，2007，26（6）：53－56.

［3］程斯一，紀(jì)文剛.多電機(jī)同步控制技術(shù)研究平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（2）：29－32.

［4］孟憲坤.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.西安：陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012：60－62.

［5］張亞?wèn)|.基于PLC的造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012：21－22.

［6］羅華飛.matlab gui設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記［M］.第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.