复卷机退卷张力控制系统设计.docx

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复卷机退卷张力控制系统设计

复卷机退卷张力控制系统设计

摘要

本论文给出了主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计方案，其中包括了系统总体控制方案，纸幅退卷张力控制，关键量数学模型的控制及建立以及主传动电机的选型。

纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。

在复卷机中，纸幅张力的产生在于退纸辊驱动电机工作于回馈制动状态。

纸幅张力的大小，或者张力的稳定与否，在于对退纸辊电机的控制。

对于张力控制方案，目前国产复卷机的控制系统，大致可以分为两类：

直接张力控制方案、间接张力控制方案。

从控制方案上看，所谓直接张力方案是用实测张力作为反馈信号，与给定信号相比较，用张力调节器，组成张力闭环对张力进行调节。

这种方案的优点是控制结构简单，控制响应迅速，但很难兼顾控制响应的快速性和控制的平稳性。

所谓间接张力控制方案是分析张力变化的原因，对其主要扰动量进行补偿，如能同时对几个扰动量进行控制，可以达到很好的效果。

综合考虑，直接张力控制应当与间接张力控制方案相结合，才能发挥其响应快速的优势，同时避免其它方面的不足。

复卷机主传动的选型主要应考虑电机的调速范围、功率、转矩这三个主要方面是否满足要求，当然还应综合考虑造价、与变速箱的配合等，以实现性价比最优。

论文针对具体的张力控制要求，对系统的硬件选型进行了举例。

关键词：

复卷机，张力控制，电机选型，组态，直流调速

TheDesignofReeling-offTensionControlSystem

InRewindMachine

ABSTRACT

Inthispaper,adesignofthemaindriveDCmotorrewindforelectriccontrolsystemispresented,includingtheoverallcontrolsystem,abriefintroductionoftensioncontrol,thecontrollingandmathmodelingmethodofkeyandtheselectionofmainmotor.

Webtensioncontrolisoneofthefactorstoensurethepaperforms.Webtensionisthemostimportantroleinflatteningthewebandthestabilityofthepaperwebtensionwillpreventthehorizontalmigration.Thepapertensioncomesfromthattheelectricalworksinthebrakingstatefeedback.Thewebtensionwhichisstabledornotisimpactedthecontrolofmotor.Astothetensioncontrol,therearetwomainkindsincurrentusage:

thedirecttensioncontrolmethodandtheindirecttensioncontrolmethod.Intheformerscheme,detectedtensionisusedasfeedbacksignal,whichiscomparedwiththegiventensionsignalandtheresultissenttotensionregulatortoformaclosedloopinordertoadjusttension.Theadvantagesofthismethodarethatitisofansimplestructureandatahighcontrollingspeed,whileitsdisadvantagesarethelowresponseandthepoorsteadyperformance.Howeverthelatteronedosenotusetensionsensortogetthetensionsignal,andinsteaditanalyzesthereasonsofthechangeoftensionandthencompensatethemaindisturbances.Aperfectperformancecanobtainiftheseveralmaindisturbancescouldbecompensatedsimultaneity.Inconclusionacombinationofthedirectandindirecttensioncontrolcangetasatisfiedresponsespeedandovercomethedisadvantagesofotheraspects.

Weshouldmainlyconsiderwhetherselectingthemainmotorofwindercanmeettherequirementsoftherangeofspeedregulation,powercapacityandtorque,ofcoursethewholecost,thecooperationwithgear-boxandsoonalsoshouldbeconsideratesoastoachievetheoptimizationofcostperformance.Inthispaper,examplesoftheselectionofsystem’shardwarearepresentedaccordingtotherequirementsoftensioncontrolsystem.

Keywords:

rewind,tensioncontrol,motorselection,configuration,DCspeedcontrol

1诸论

1.1复卷机概述

在造纸行业中，复卷机是卷筒纸生产过程中的最后一道环节，从抄纸机上生产出来的原纸卷，必须经过复卷之后才能作为成品纸出厂。

由于纸机的抄造过程是连续性的，纸卷的更换并不需要停车,而复卷机的工作是间歇式的，每次更换原纸卷时必须停车，并且通常情况下，一个原纸卷，可能要分成若干次才能复卷完毕，也就是说中间会有几次停车过程，将卷好的成品纸卷卸辊，然后更换新的纸芯，再开始一次新的复卷过程。

这些间歇过程通常是避免不了的，所以复卷机的工作车速必须要快，原纸卷的复卷时间必须小于抄造时间，否则就会造成原纸卷的积压。

由于车间的空间面积总是有限的，而且生产原纸卷所需要的卷轴数量也是有限的，如果不能及时复卷出来，则一是放置原纸卷的空间不够，二是造成没有抄造卷取所需要的卷轴，这样就会迫使纸机停车。

由于上述原因，通常要求复卷机的设计车速是纸机设计车速的3倍以上[1]，因此说复卷机是造纸设备中工作车速最快的设备，这就为复卷机的设计与制造带来了很高的要求，正如上文所述，复卷机设计车速的高低、运行工况的好坏直接影响着纸机是否能够正常工作。

另外，对复卷机的要求，除了工作车速之外，还包括成品纸卷的卷取质量。

对于成品纸卷卷取质量的评价，主要包括两个方面，一是外观要求，即分切端面是否平整光滑，没有台阶形状；其次是对内在质量的要求，首先是不允许在复卷过程中纸张出现打摺现象;再就是是紧度在纸卷径向上的分布要求，考虑到纸卷的储存、运输以及用户设备的需要，要求成品纸卷的紧度在径向上分布均匀，并呈递减性态，俗称内紧外松。

为了达到纸卷对紧度的要求，需要对纸幅张力（Tension）、压区压力（Nipload）、扭矩（Torque）这三个指标进行严格控制。

图1-1是一个典型的双底辊下引纸复卷机的简单工作示意图，对这三个方面进行了说明。

从图中可以看到，纸幅张力是纸张从原纸卷至后底辊这一段运行期间的张力，要求纸张在这一段期间内张力平稳。

否则纸幅会出现横向偏移，造成纸卷端面不齐，形成台阶形状，严重时会出现打摺，同时如上所述会影响到纸张的残余应变。

压区压力如图中所示，指压纸辊对成品纸卷形成的压力，通常为液压驱动，可通过控制液压比例阀门控制压纸辊压力，一般需要设置由程序控制的压力曲线，随着成品纸卷直径的增大使得压力逐渐减小。

扭矩为前后底辊电磁输出转矩之差，在复卷初期，要求纸卷硬度大一些，随着成

图1-1复卷机工作示意图

品纸卷直径的增大，两个转矩的差别逐渐减小，趋于相等，甚至有时要求出现负值，即使得前底辊转矩略小于后底辊转矩[1]。

1.2复卷机发展及国内外现状

随着20世纪90年代造纸机的发展突飞猛进，新概念、新技术、新装备不断涌现，造纸机车速也高达2500米/分，相随之下，复卷机也取得了同步发展，发展出了大量高新技术成果，现代复卷机发展的主要技术成果有以下[2]：

（a）复卷机的车速提高了。

设计车速已经达到了3500m/min，工作车速达到了3100m/min以上,复卷的幅宽也与纸机同步发展达到10m之多。

如法国的AdolfToss纸业有限公司引进Valmet公司生产的连续复卷、全自动WinDrum-M型的复卷机（抄速3000m/min,幅宽6000mm）,已投入生产。

我国的南平、齐齐哈尔和华泰等厂家也都引进了高速复卷机，并都投入了生产。

（b）出现了适用不同纸种、纸板复卷的各种型号的现代复卷机。

在现代复卷机制造技术方面，居于领先地位的有三家公司，VoithSulzer（伏依特-苏尔寿）公司，Valmet（维美德）公司和Metso（美卓）公司。

Metso公司先后推出了3种有代表性的现代复卷机：

WinDrum（双鼓复卷机）、WinBelt（皮带床复卷机）机和WinRoll复卷机。

Valmet推出了WinAir（气垫减压式复卷机）和JR1000E复卷机。

VoithSulzer公司也推出了ToroTD复卷机、ToroCombi复卷机和ToroSD复卷机。

（c）满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来的只能复卷直径为1100～1250mm的卷筒纸，逐步发展到复卷直径为1500～1800mm的卷筒纸。

最大净纸宽度也达到了2800mm。

（d）现代复卷机先进的控制系统采用了模块化结构。

最新的控制系统包括具有100多项选择参数的复卷配方库和复卷监控系统，选择参数包括车速、加速度、复卷力、液压和力矩等。

值得一提的是，WinBelt/WinDrumPro复卷机配有独特的振动测量系统，从而保证了对某些特种纸引起的复卷故障趋势加以分析。

（e）现代复卷机连续复卷方法的全面自动化控制功能将人工作业降到最低，并将操作人员的角色变成复卷过程的监控员。

这意味着复卷已变成了单人作业。

连续复卷功能如换卷时的粘接、全幅引纸、纸芯处理、纸尾在纸芯和成纸卷上的固定、幅宽变换及纸卷更换可实现全面自动化，并且在操作人员在控制室监控时加以完成纸卷和卷纸辊处理及更换。

（f）现代复卷机的设备利用率普遍提高，已由过去的0.6～0.8提高到0.85～0.95，甚至达到了0.95～1.0。

在以Valmet（维美德）公司、Metso（美卓）公司和VoithSulzer（伏依特-苏尔寿）公司居于复卷制造技术领先地位的国际潮流下，复卷机的发展方向是高车速、大成品纸卷、大幅宽、全运行自动化、高利用率，其最终目的是提高生产效率，从而降低对资源的消耗和浪费，同时保障操作人员的安全。

相比之下，我国国内的复卷机行业则相对落后，首先，工作车速不高，一般在1500～2000米/分，达到2500米/分以上复卷机不多；其次，我国的复卷机制造技术还很落后，机械种类单一，主要是上、下引纸两类，而作为代表目前复卷机发展方向的下引纸复卷机，也只是以双底辊复卷机为主，表明我国复卷机生产制造厂家对复卷机的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究不够，因此也就限制了复卷机工作车速和复卷质量的提高。

另外，还有一个很重要的因素就是国内的自动化程度不高，由此带来的问题是，复卷机的实际效率大打折扣，造成抄纸机的车速必然受到限制，从而对生产效率的提高和生产成本的控制产生不利影响。

综观我国造纸设备制造业的发展现状，抄纸机的工作车速可以达到800米/分，甚至更高。

那么对复卷机的要求就是其工作车速必须达到抄纸机的2～3倍以上，即1500～2500米/分以上。

如前所述，这恰恰是国产复卷机难以做到的。

但是由于进口设备价格非常昂贵，并非国内所有企业都能够承受，因此目前国内很多企业所采取的措施是，以增加生产线来弥补生产效率的低下。

导致我国大多数造纸企业仍然停留在低效率、高成本，以规模效益为主的层面上。

这无疑是对我国有限的土地资源、水资源、能源以及原材料资源的浪费。

因此说，目前国内造纸领域对复卷机的研究已经滞后于生产发展的需要，成为制约我国造纸业进一步提升行业水平的重要因素之一。

2课题的提出

2.1背景分析及课题的提出

在第一章中，已经简要地叙述了复卷机的工作情况以及当前国产复卷机所处的地位和现状。

基于前文所述的情况，以及当前国内造纸行业飞速发展的要求和国内、国际用纸市场的需求，充分说明完善和提高国产复卷机的性能，克服限制我国造纸行业进一步发展的瓶颈，已成为当务之急。

复卷机是一种机电高度结合的机电一体化设备，从全面提升复卷机性能的角度来看，离不开对设备加工安装方面的改进和完善，也需要对设备的结构以及复卷机理的进一步深入研究。

因此这是一个综合工程，需要多方面的配合攻关才能实现。

同时也是一个逐渐积累，逐渐完善的过程，无论那方面的提高，都有助于复卷机整体性能的提高和完善。

站在电气控制的立场来看，如第一章所述，对纸幅的张力控制、压区压力控制、前后底辊扭矩控制是设计控制系统必须考虑的三个核心问题。

相对而言，压区压力控制以及扭矩控制，由于其控制对象相对较为单一，控制手段较为明确，控制过程易于实现，所以对这两个控制环节的研究，不在于怎样去实现控制，而在于如何评价控制效果的优劣，从而能够得到针对不同纸种的最佳控制曲线，进而提出对设备结构的改进意见。

因此对这两个环节的研究，其意义重大。

相比之下，纸幅张力控制效果的好坏，则在很大程度上依赖于控制系统本身的设计是否科学合理。

其中牵扯到驱动电机的选择、驱动装置的选择、控制方案的制定等等因数。

而控制方案的制定无疑是问题的关键，目前国产复卷机的控制系统，大致可以分为两类：

直接张力控制方案、间接张力控制方案。

而在电机的选择上，几乎全部是直流电机驱动，即所称的直流复卷机。

从控制方案上看，所谓直接张力方案，是指系统安装有张力传感器，从而形成张力闭环。

这种方案的优点是控制结构简单，控制响应迅速，但很难兼顾控制响应的快速性和控制的平稳性。

例如当车速发生变化，尤其是在降速时，由于张力检测的失效，会导致系统做出过激反应，从而造成断纸[3]。

间接张力控制方案是指系统没有张力反馈，对张力的控制是建立在对纸幅张力的理解上，配合驱动装置，实现对张力的恒值程序控制。

两种控制方案各有优缺点，对于直接张力方案而言，它不仅有难于兼顾稳定性的缺点，同时在实现上也有一定难度。

首先是其价格问题，国产复卷机的市场售价普遍偏低，而张力传感器的价格基本要占到总成本的10%；其次，抗震动性能差，复卷机是高速运转的设备，整机的震动情况是比较恶劣的。

引起震动的原因，不仅存在于设备制造、安装的精度上，同时纸卷在高速旋转时也是很大的震动源。

由于纸张的横向（垂直于运动方向）定量不可能达到完全一致，例如克重、水分含量等指标常常在横向上呈不规则分布，从而导致纸卷（包括原纸卷和成品纸卷）的圆度不规则，尤其对于成品纸卷而言，由于其硬度很高，横向上定量偏差的累积会逐渐偏大，最终形成不规则的圆柱体，高速旋转下将产生剧烈震动。

因此高速复卷机的震动是难以避免的，只能通过提高机加工精度、安装精度以及严格控制抄纸工艺来尽量减弱，而不能绝对消除[4]。

在这种情况下，张力传感器信号的有效提取就碰到了障碍，所以完全依赖于张力传感器，建立单一的张力闭环控制系统是有问题的，常常不能取得理想的控制效果。

综合几个因数来考虑，直接张力控制应当与间接张力控制方案相结合，才能发挥其响应快速的优势，同时避免其它方面的不足。

而目前情况下，在设计复卷机电控系统时，以间接张力为主，张力反馈为辅的设计思路才是切实可行的。

2.2课题的内容及分布

在第三章中我们将讨论主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计，具体讨论系统控制功能设计、退纸辊电机的控制方案，包括直接控制方案及数学模型的建立、间接控制方案及数学模型的建立以及动态补偿。

第四章我们将根据一套具体的复卷机设计其硬件配置，具体包括选型的依据、退纸辊的电机选型以及双底辊的电机选型并举例说明。

在第五章中我们将分析退纸辊完成退卷张力的控制，具体包括系统硬件结构图、退纸辊电机的调速控制方式、张力控制的组态以及PLC程序和OP270的组态。

3主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计

3.1纸卷质量指标及影响成品纸卷形态的因素

不同类型的纸应选用相应类型的复卷机来进行复卷，复卷出的成品纸卷的质量指标不同，它们对复卷机自动控制系统的要求也是不同的,下面介绍双支承辊下引纸复卷机的自动控制系统主要应用于复卷书写纸、静电复印纸、板纸等的复卷，对于这类纸种的成品纸卷的质量指标有：

具有足够的硬度，而且内紧外松、径向硬度分布均匀，以保证纸卷在运输、储存过程中不变形、不崩裂，在印刷设备或其它加工设备上能平稳运行。

纸卷形态的优劣在很大程度上取决于复卷机的性能。

双支承辊下引纸复卷机影响成品纸卷形态的主要因素有：

（a）退卷纸幅张力控制。

（b）压纸辊的压力控制。

（c）前、后底辊之间的转矩程序控制。

（d）S曲线特性的升、降速控制。

若希望得到优良的纸卷，就必须使复卷机具有上述四种功能，而且这四种功能是相互关联的，只有当全部功能适当的配合时才能达到最佳效果。

当然如果对纸卷形态要求不甚严格时（例如纸卷不是用于高速印刷机时）为了减低造价，简化系统，也可以对四种功能作某些简化。

其中纸幅张力控制是保证纸卷形态至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。

在复卷过程中，纸的张力大小主要由纸种来决定，通常为约为0.3-2千牛/米。

正确地选用纸的张力能在一定程度上改善纸卷的质量，减少断头，保持复卷机工作稳定。

因此，复卷机的传动应自动保持张力稳定，并能根据生产需要进行调节。

调节范围通常为1:

4，张力最大波动值不应超过正负10%。

在复卷过程中，纸幅张力随着位置和时间的变化而变化，然而纸幅张力的调节受其它因素的限制很大。

如纸幅张力太低，纸幅将松垮或在卷取辊上打滑;如太高，则残余应力过大，甚至爆卷或损伤纸芯。

因此，要得到很好的纸卷，就要求相应复卷设备具有良好的纸幅张力控制系统，以控制张力于设定值范围内。

3.2系统总体控制方案

由于复卷机在生产过程中要求引纸时退纸辊电机工作在电动状态，正常运行时又要求工作在发电制动状态以保持纸的张力的恒定，而且在断纸时能快速制动，而直流传动能方便地实现这些功能。

采用直流传动方式，由前底辊、后底辊、退纸辊三个传动点组成,其中后底辊为主令单元。

前、后两底辊采用调压调速方式，退纸辊在基速以下采用调压调速、基速以上采用弱磁调速；而前、后底辊一般都工作在恒磁通电动方式下，只有在断纸或要求快速制动时可采用回馈制动。

对于三个传动点的主回路控制，总体上都采用转速电流双闭环控制，由590内部模块组态来实现；在后底辊需加入速度给定积分环节、S型升降速环节；在前、后两底辊间要加入速差控制、负荷分配控制；在退纸辊须加入弱磁控制、转矩控制、电流控制、

点动控制、退卷张力控制等。

对于两底辊与退纸辊之间的纸幅张力控制子系统，这是复卷机电控系统的关键部分。

它的稳定与否直接关系到复卷质量。

如对系统的控制精度要求不高，可采用间接张力控制；如对系统控制的灵敏度及精确性要求较高，应采用直接张力控制。

压纸辊的压力控制采用带电液比例阀的液压控制系统。

通过控制电液比例阀的控制电压来释放压纸辊的压力，从而达到成品纸卷与两底辊间的压力恒定的目的。

急停或断纸时采用回馈制动与抱闸制动相结合的快速制动方法。

系统以后底辊电机为主传动点，前底辊和退纸辊为从传动点,速度给定值给出到后底辊，再由后底辊经外部连线传输到前底辊与退纸辊。

圆刀采用交流变频传动，其车速随着后底辊的车速变化而变化，并高出几个百分点。

系统应充分利用所选设备，达到快速、稳定、精确的目的。

利用590能完成的任务尽量让它来完成，而PLC用于总体管理、压纸辊的压力程序控制、退纸辊的直接张力控制等。

3.3系统控制功能设计

3.3.1压纸辊的压力控制

卷取过程中成品纸卷的直径在逐渐增大，成品纸卷的重量在逐渐增加，成品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说如果压纸辊施加的压力恒定的话，成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力也在变化。

为此如果期望最佳的纸卷形态的话，就必须借释放压纸辊施加压力负荷来补偿上述两项因素的影响，才能获得成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。

成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力的数学模型分析如下：

图3-1压纸辊压力分析

图3-1为压区压力分析图，设定：

F—成品纸卷与底辊接触点之间的压力

这一压力应保持恒定，根据纸种不同一般为3000～4000牛/米。

B—切边后纸幅宽度

γ—纸的比重

D—成品纸卷直径

F1—为保证成品纸卷与底辊接触点间的压力恒定，压纸辊应施加的压力F2—成品纸卷的自重

a—压区压力与纸卷自重间的夹角

G—压纸辊自重

由图知：

（3-1）

式中

（3-2）

将（3-2）代入（3-1）并整理得：

（3-3）

前面已经提到过，压纸辊压力一是保证纸卷与底辊间产生足够的摩擦力，使之不至于打滑；二是压纸辊压力将直接影响着纸辊硬度。

为保证压区压力恒定，压纸辊液压系统释放压力特性为压纸辊自重减去（3-3）。

显然压纸辊液压系统释放压力与成品纸卷直径之间的关系是非线性特性。

在没有调整压纸辊压力的悬秤机构时，纸卷和支承辊之间的线压力[5]的增加速度稍慢于纸卷重量的增加速度（因为当直径增大时，a角减小，而cosa却增大），但它总是随着纸卷直径的增大而增加的。

上面从推导的成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力数学模型中，计算出了为了获得最佳纸卷形态,满足成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求，必须释放的压纸辊施加的压力负荷的大小。

具体做法是系统投入运行前，根据厂里经常生产的几种纸种，计算出压力与直径的关系曲线列表并存入PLC，运行时PLC检测直径的大小并查表即可。

在调试时需要根据实际情况对曲线进行修正。

在这里只简单说明控制程序的实现。

这部分程序功能由PLC来完成，其主要程序流程如下：

检测压力给定值

↓

采样成品纸卷直径

↓

查表计算相应纸种的压纸辊压力大小

↓

计算液压系统应释放的压力大小

↓

输出到执行机构

其中压力给定值可根据纸种及对