造纸机纸带张力测控系统设计文档格式.docx

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以卷筒纸为例，为了使印刷过程稳定，必须保持纸带张力恒定不变并且有适当地大小。

张力太小会导致皱褶、套印不准等弊病：

张力太大会无谓增加机器负荷并容易使纸带断裂；

而张力不稳定会使纸带发生跳动，也会导致套印不准、重影等问题。

因此为了保持生产的品质，效率及可靠性，一套功能完备的张力控制系统是必需的条件。

论文讨论的张力控制系统集中在卷绕机构的张力控制方面。

在造纸行业中，张力是一个主要的影响参数。

张力过大可能使纸张撕裂或者过薄，影响产品质量，而过小则可能引起纸张起皱和材质的不均匀，降低其质量。

在纸张生产过程中，纸张的放卷和收卷是两道关键的工序，在此过程中由于卷筒的半径在随时变化，不同半径时对张力的要求又不一样，要求内紧外松，这给纸张在收放过程中的张力控制增添了很大的难度。

纸页张力的自动控制是造纸过程、纸张再加工（浸渍、涂布、复合、轧花、套色印刷等）和纸张的整饰过程（复卷、分切、超轧等）中必不可少的电气自动化配备装置。

近年来我国的造纸工业迅猛发展，造纸和加工设备向高速、高质量、高效益发展。

为了适应工业发展的需要，许多单位逐渐引进了国外的一些先进技术和设备，在这些先进的造纸机和涂布机上均配备了纸页张力的自动控制装置。

张力自动控制可称为近代先进造纸设备的特征之一。

纸页的张力自动控制直接影响着纸机的车速提高，纸页再加工的质量；

能减少损纸，增加产量；

能进行合理地收卷、放卷；

提高纸张的成品率及提高纸机实际运行效率；

特别是当前纸张市场竞争激烈，要提高纸机的车速，提高生产力，使用纸页张力自动控制装置可在原来纸机的设备情况下提高纸机车速。

在高速纸机上，张力自动控制的作用就更重要了，其经济效益和社会效益就更加明显。

在纸张的印刷生产过程中，张力控制系统的稳定性也影响到印刷产品的质量，卷筒纸轮转印刷机工作时，由于纸卷的外径不断变化，同时还有纸卷不圆、纸卷重心不与旋转轴重合，或者更换纸卷，改变机器工作速度等原因，都可能引起纸带上的张力变化，造成走纸不稳，印品皱褶、重影，甚至发生纸张断裂或堵塞等严重问题。

特别是对于高速卷筒纸胶印机，张力的波动和变化对印刷套准精度影响更大。

所以如何使纸张在印刷过程中保持张力恒定，是设计人员的重要课题。

随着工业控制技术水平的提高，尤其是微电子技术的迅猛发展，微处理器与可编程控制器等大规模集成电路的广泛应用，将它们与传统工业控制方式相结合，加速了工业自动化水平的提高。

越来越多的工业控制过程在使用计算机控制技术，并在实时控制方面取得了很好的效果。

由于客户对产品性能的要求不断提高，对企业的加工要求也更高，使用传统的控制方法已经很难生产出满足客户要求的产品。

许多厂商己将计算机控制技术运用到张力控制系统上。

计算机技术使得更高级、更智能的控制策略得以运用，并进一步推动了控制理论的发展。

采用较先进的控制策略对传统的控制方法进行改进，往往能够取得立竿见影的效果。

1.2张力控制的原理

在本文中将主要研究如何更加有效的对张力进行控制。

本文所讨论的张力控制技术主要是指卷绕机构的张力控制技术，通过具体的项目造纸机的张力控制系统来说明张力控制的具体实现方法和技术特点。

无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异，因此可以用一个简化的卷绕机构来说明张力控制的原理，如图1.1所示。

张力控制装置整体可以分为三部分：

1）张力/速度检测装置；

2）控制装置；

3）执行机构及驱动器。

张力/速度传感器根据不同的场合和控制要求进行选择。

执行机构又分为收卷机构和放卷机构，两者在有的系统中可以互换。

控制器是系统的控制核心，它将速度、张力等传感器采集来的信号进行处理，通过与事先给定的控制指标进行对比，按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号，通过放大环节来控制执行机构，最终完成对张力和速度的调整。

根据执行机构的不同张力控制方式可以分为电机张力控制系统，电液张力控制系统，磁粉张力控制系统，以及其他的如杠杆摇摆式等。

图1.1卷绕机构张力控制系统示意图

在实际生产中，实现卷绕机构的张力控制方式主要有3种：

1.采用张力传感器直接测量加工物的张力，构成张力闭环，或者直接检测加工物的线速度，构成线速度闭环。

称为直接法；

2.由于引起张力F或者线速度V变化的主要扰动量是卷径D的变化，所以可以采用扰动补偿控制。

称为间接法；

3.复合控制，结合以上两种方法。

不管采用那种控制方案，都必须设置检测装置，构成控制闭环。

这在实际生产中常常带来许多困难，即使采用扰动补偿控制也是如此。

1.3张力控制的常用方式

现在较为常见的传动控制方法主要有以下几种，或是几种互相结合应用：

1.电气自动控制

电气自动控制是目前应用较为普遍的一种。

其控制系统方框图如图1.2所示。

长期以来，直流电动机在卷绕机构传动控制中占据相当重要的地位，在变频调速技术出现以前主要以直流电机传动来实现卷绕机构的速度调节和张力控制，在传动控制方面有一定的优越性。

为保证产品的加工质量，一般要求在卷绕过程中张力和速度均为恒定，但根据工艺要求可以进行调节。

在线速度恒定时，卷取辊的转速与转径成反比，因此调节卷取辊的直流电机就可以实现加工物的速度控制；

加工物的张力控制通过调节卷取辊所联结的直流电机，产生一个与加工物传送方向相反的制动力矩。

该电机是被加工物拖着转的，工作在发电制动状态，张力与退卷辊转速成双曲线关系，故其受加工物速度和卷径的干扰。

加工物线速度控制只要利用一卷径检测装置构成速度闭环控制系统，调节励磁电流即可实现速度控制。

直流电动机虽然解决了速度和张力控制问题，体现出一定的优点，但是机械式换向器这一致命弱点限制了它的应用。

交流变频调速技术的发展，使交流电机能担负起直流电机的调速功能，交流电机结构简单可靠，并具有节能效果，因此交流电机变频调速技术迅速得到广泛的应用。

图1.2电气控制系统方框图

2.气动式自动控制

图1.3所示是一种卷筒随动式张力控制装置。

该装置能够用连接到控制阀的随动臂来调节。

控制阀依照退卷辊半径大小，调节进入制动器的压缩空气的压力。

图1.3一种气动式张力控制装置

2.液压传动控制

液压控制技术已经相当成熟，并广泛应用于工程实际中。

液压传动又分为电液伺服控制和电液比例控制，比较而言电液比例控制的动力传递方便，输出功率大，控制精度高和相应特性好。

目前，国内外均将液压控制技术应用于各类卷绕机构上，尤其是在轧钢等大功率生产线中占有重要地位，取得了良好的控制效果。

在这一领域电液比例控制和电液伺服控制相结合，获得了广泛应用。

1.4论文研究的意义

现在国内很多造纸企业，特别是运用高速造纸机的厂家，与其产品配套的张力控制器无论放卷、供料、收卷都是国外大公司研制的张力控制器，不但价格昂贵，而且在某些方面还不能很好地满足实际要求。

课题任务就是设计出一种更为简单实用的张力控制系统以取代原来采用的张力控制系统。

当前，我国造纸产品的档次愈来愈高，新型的包装材料的使用，印刷质量的高标准要求，企业对生产效率的高要求等，使得造纸包装机械自动化程度愈来愈高。

特别是高速造纸机的发展，这就要求造纸机的张力自动控制要更为灵活、快速和准确。

近年来，很多国内企业逐渐参入到张力控制系统的研究中来，并且提出了很多问题和解决方案，市场上也渐渐出现了各种型号的国产张力控制器。

但是大部分产品功能较单一，控制精度也不高，买一款物美价廉的张力控制器并非易事。

所以，借鉴和吸取日本及欧美国家当今最新型张力控制器的设计方法和优点，结合当前最新的研究成果，设计出在性能和可靠性方面满足自己要求的张力控制器已成为必要。

在承担此任务后，作了如下工作：

（1）首先阅读了大量国内外的相关文献，了解了张力控制研究目前所处的阶段；

对张力控制系统的数学模型进行了了解和分析，在此基础上对传统的PID控制策略进行了分析和改进，探讨了积分分离型PID、变速积分PID、变结构PID等控制策略。

（2）仔细阅读了日本三菱公司LE-40MTA-E张力控制器的说明资料，了解了其大致功能，为后期设计张力控制板做好必要的准备。

有了一定的张力控制方面的理论基础，了解了张力控制的流程，开始设计了一种基于80C196KC单片机的、功能简单但力求实用的张力控制器。

1.5论文章节安排

第一章绪论对张力控制系统进行概述，对张力控制系统的应用场合，工作原理，常用控制方式等进行了阐述，最后揭示了课题意义和研究内容。

第二章对现代造纸机抄纸的一般过程进行了阐述。

以及对纸机卷绕系统的收卷放卷两部分进行了详细的受力分析，并给出了这两部分卷材张力的表达式，进而分析了卷绕过程中影响张力控制的几个主要因素。

第三章从实践上介绍了自己设计的张力控制器的大致构成和所采用的各集成块，给出了最小系统图及各功能块原理图。

第四章针对纸机张力控制策略系统的特点分析了普通PID控制的不足，提出了几种改进的PID控制策略。

第五章对本论文进行了总结，指出了几点不足之处，并对下一步的研究方向和张力控制的发展趋势进行了展望。

第二章纸机抄纸过程及动力分析

2.1纸机抄纸过程

纸机一般是由网部、压榨部、前烘干部、施胶部、后烘干部、压光部、卷曲部等分部组成，同时有许多辅助设备密切配套，这些辅助配套设备与纸机的正常运行有许多联锁关系。

现代造纸机一般的抄纸过程：

打浆车间送来的浓纸浆在混合箱与白水混合稀释后形成稀纸浆，经过除砂装置去除浆料中的尘埃和浆团，通过网前箱流布在铜网上。

纸浆在铜网上经自然滤水，形成湿纸页，经压榨部脱水后，连续经过两组烘缸干燥，最后经压光作为成品纸，上卷筒卷取，其工艺流程图如下所示

图2.1造纸机工艺流程图

由于纸机各分部传送着生产过程中的纸张，根据造纸工艺的要求，各分部间要求达到线速度比例协调（相邻两个分部间的线速度比值应保持恒定），高精度地、可靠地保持这个比例系数是保证产品质量、生产正常运行的重要条件，任何原因破坏这种比例协调，就会降低产品质量。

同时，纸机的这种速度比例协调关系应在该变车速或停机后重新开机时继续保持，而不需重新调节，因此纸机传动系统的控制精度和对纸张的质量和纸机的运行有着至关重要的作用。

2.2收放卷张力控制系统结构

通常，卷绕机械的张力控制不止一个环节。

这次论文设计的任务是纸机在收放卷中纸页的张力控制，因此介绍的重点是放卷张力控制系统和收卷张力控制系统。

收卷和放卷的控制结构是类似的，以放卷为例。

张力检测器检测负载张力，经过张力放大送到以微处理器为核心的控制器，控制器综合给定和反馈张力，输出控制信号，经稳流电源驱动磁粉制动器作用到卷轴，形成张力闭环控制系统。

利用速度检测可