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造纸电气自动化的现状与展望
造纸电气自动化的现状和展望
现阶段，我国造纸工业正处于高速发展阶段,产品质量对造纸设备的电气自动化控制程度提出了越来越高的要求.作为现代造纸技术方面的核心领域，依靠先进的工控科学建立起来的造纸气自动化工程控制系统在整个造纸领域中起着不可替代的作用,它引领着现代造纸工业的前进方向，在现代造纸工业生产中,造纸电气自动化控制系统能够在减少劳动力成本和强度上起到很好的效果，并且能够增强传输信息的有效性和实时性、提高造纸检测精确度，同时，造纸电气自动化控制系统能够降低安全事故发生的概率,保证生产的安全。
发展现状
就造纸电气自动化在造纸领域的发展现状来看，我们可以从造纸机、复卷机、切纸机、低压辅助工业控制等四个方面来分别做以论述.
一、造纸机
1造纸机的电气自动化传动
1。
1造纸机主传动的传动要求和发展现状
1。
1.1造纸机主传动的控制要求
总的来说是块、准、稳。
具体如下所示：
（1）工作速度的调节：
为了使造纸机有较大的产品和原料的适应性,造纸机传动应能保证在较大的范围内均匀的调节速度。
在专用造纸机上调速范围I=1：
2.5或I=1:
2。
在生产印刷及书写用纸的造纸机上I=1：
5.而在生产工业用纸及高级纸的造纸机上I=1：
8或I=1：
10。
（2）维持车速稳定：
纸机的速度往往由于电源的电压、频率以及纸机负荷等因素的变化而发生变动。
为了稳定纸的定量和减少纸幅端头，要求纸机采用稳速装置。
速度偏差最大允许值，对包装纸为+2~3％,对中等质量的纸为+1~2％,对印刷纸为+0。
5～1％。
（3）速差控制,速比可调、稳定。
纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩，因此纸机各分部的线速度稍有差异，即速差。
速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变.此时的速差对成纸来主要影响纸页的克重。
误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。
纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关.因此,造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页.纸机各分部的速度必须是可以调节的，为±10~15%。
利于工作时调整。
为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，还要保持各分部间速比的稳定；
（4）各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能.具有刚性联结或软联结的传动分部，如网部、压榨部、施胶部，能进行负荷动态调节。
防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如不及时进行自动的调节（因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力）,有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器和损坏毛布.同时在这些分部中,应具有单动、联动功能，并可以同时起动、停止。
必要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等；
（5）爬行速度。
为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况，各分部应有15～50m/min可调的爬行速度,但不宜在此速度下长时间运行;
（6）纸机为恒转矩负载性质,要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，良好的通讯能力，并采用plc作为控制单元,实现对整个控制系统的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系通正常工作的需要。
1.1.2造纸机主传动的发展现状
目前，典型造纸机电气自动化传动控制系统采用三级控制：
传动系统第1级为变频控制级，变频器采用由各大公司生产的高性能变频器（如ABBACS800、西门子6SE70等），配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。
变频器上还配有现场总线通讯板，如Profibus—DP通讯板，与上位PLC组成Profibus-DP现场总线控制网络.
传动系统第2级为PLC控制系统,采用大型PLC，要求支持高速现场总线功能.操作台控制选用操作屏，PLC与操作屏组成现场总线控制网络,完成整个纸机操作控制.选用西门子公司S7—400系列PLC控制系统,操作台配有西门子公司OP270人机界面。
OP270人机界面与S7-400PLC组成Profibus-DP现场总线，完成现场操作控制。
传动系统的第3级为上位机优化控制系统,整个传动系统状态监控采用工业控制计算机。
上位机一般采用组态软件，可以通过工业以太网与QCS上位机、DCS上位机、车间管理级、厂级管理级等联网控制,实现纸机传动控制系统优化控制和自动控制。
1.2造纸机典型结构及传动特点
造纸机可以看作是一种由多台设备组成的联动机，通常可以分为湿部和干部两大部分。
湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、压光机和卷纸机。
1。
2.1造纸机网部工艺现状及传动
造纸机网部结构不同,造纸机可以分为以下几种类型：
长网型、圆网型、夹网型、叠网型和带有饰面棍等。
以长网型为例。
网部组成示意图
通常小型纸机只有真空伏辊一个主传动点，此类纸机传动比较容易控制,没有特殊要求。
中大型纸机网部采用多电机传动,主传动点有真空伏辊、驱网辊，有些纸机还有导网辊传动。
这类纸机在传动控制中应设有负荷分配。
因为网部负荷变化在造纸机各分部中是最剧烈、最大的，所以网部负荷分配控制比较复杂.网部真空伏辊包角比较小，在没有开真空度时与网摩擦力较小，而且上浆后真空度的变化引起负荷的变化，会造成打滑现象。
当网较为松弛时,负荷分配调节有可能造成驱网辊打滑。
所以网部负荷分配应充分考虑到这几种工作状态，必须设置负荷不平衡度限制和速度限幅保护功能.
1。
2.2造纸机压榨部工艺现状及传动
造纸机的压榨部是由若干组辊式压榨组成.湿纸幅是由压榨毛毯支撑着,在压辊间用机械挤压的方法脱水的,以期降低纸幅的含水量，提高纸幅进入干燥部时的干度。
应当注意的是：
在不影响纸的质量的前提下，应加强压榨部的作用，以机械挤压的方法脱去尽可能多的水分，这对增加造纸机的产量和降低成本，有重要的作用。
在普通长网机上，伏辊和第一道压榨区常常是纸幅断头最多的地方，如图所示
压榨部示意图
而压榨又分为分部压榨和复式压榨.
分部压榨一般是双辊压榨，只有一道压区，是最普遍的一种压榨形式,在纸机中广泛应用。
分部压榨在传动设计上有单传动方式和双传动方式.单传动方式是在两个压榨辊中只有一个辊由电机驱动，另一辊为被动传动.在中、小纸机中一般采用这种传动方式.双传动方式为两个压榨辊都有独立的传动，要求两台驱动电机线速度一致，负载率相同,否则两辊之间会形成剪切力,对纸页造成损伤。
所以上下传动电机要求有负荷分配。
这种传动方式在薄页纸机和高速纸机、板纸机大辊径压榨中广泛采用。
复式压榨一般带有真空洗衣装置.复式压榨传动点数比较多，一般为3~6个，这些传动点靠加压或毛毯连接在一起，所以这些传动点属于刚性接触负载，要求同步转动，同步停止。
所以对于这些传动点要实行单动/联动和负荷分配控制。
1。
2.3造纸机干燥部工艺现状及传动
经过理论研究,从压榨部最后一道压榨出来的湿纸，一般干度只有30％~40％,而成纸的干度为93％~95%。
纸内残留的水分很难再用机械方法除去,干燥部的主要任务是用加热的方法使水分汽化来除去湿纸压榨后剩余的水分,干燥过程还使得纸页得到一定收缩，使纤维结合更加紧密，增加纸和纸板的强度，并具有一定的平滑度和施胶度。
整个干燥部干燥过程如下：
而干燥部的传动过程要求各组烘缸的速度同步自动控制。
烘缸干燥区
1.2.4压光机和卷纸机的工艺及传动
对于纸机来说，压光机并不一定必备，其主要还是看所生产的纸的要求，像对于吸墨纸、滤纸、羊皮纸、原纸，因为压光会使这些纸的吸收能力降低，故压光机对于此类纸机就不必要配备，但大多数纸机在干燥部之后配置有压光机，用以提高纸的光泽度、平滑度及紧度，并使纸幅具有均匀一致的厚度，裂断长而耐折度降低。
卷纸机位于在造纸机的末端，用来把纸卷绕成卷。
保证纸卷缠卷得紧，两边整齐和在卷筒的全宽上松紧一致，是纸的保存和加工的必要条件.
对于压光机传动，前烘干部与转移施胶机之间间接张力自动控制；后烘干部与可控中高压光机之间间接张力自动控制。
对于卷纸机传动，卷纸机间接张力自动控制。
2造纸机电气自动化传动系统通讯设计
2。
1电气自动化传动整体设计
在纸机电气自动化传动系统设计中采用公共直流母线，用于控制调速系统的高精度，同时将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和回收.
在纸机电气自动化传动系统设计中的通讯问题有两种解决方案，一种是现场总线，一种是工业以太网。
其中现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，包括Profibus—DP、Modbus等。
在造纸机传动系统中常采用Profibus—DP总线来完成相应的控制。
Profibus-DP使用了第一、二层和用户接口层.这种精简的结构确保了高速的数据传输。
直接数据链路映像程序提供对第二层的访问。
在用户接口中规定了Profibus—DP设备的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。
这种高速传输用户数据而优化的协议特别适用于可编程控制器和现场级分散I/O设备之间的通信。
工业以太网是基于IEEE802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络.利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。
2.2变频器与PLC及触摸屏的搭配组合
在传动系统中PLC的选择则要有以下注意。
合理的结构形式、安装方式的选择、相应功能的要求、响应速度的要求、系统可靠性要求、机型尽量统一.
2.2。
1西门子公司的变频器和西门子公司的PLC
传动系统采用主从控制，一台变频器作主传动,为速度控制模式；其余作从传动，为转矩控制模式。
可以选用西门子公司的6SE70系列电压型矢量控制变频器，其具有速度控制和转矩控制。
对于PLC，则选择西门子公司的S7—300PLC及其相应扩展模块.
2。
2.2ABB公司的变频器和ABB公司的PLC
对于变频器可以选择ABB公司的ACS-800或ACS—850。
而PLC则可选择ABB公司发展成熟的AC500。
2.2。
3ABB公司的变频器与西门子公司的PLC
对于变频器可以选择ABB公司的ACS—800或ACS—850。
对于PLC,则选择西门子公司的S7—300PLC及其相应扩展模块。
触摸屏可以选择西门子公司的OP270人机界面。
二复卷机
复卷机是一种造纸专用设备，其用途是将造纸机生产出来的纸卷进行依次复卷,纸张经过复卷后做成成品纸出厂.对于复卷机的电气自动化控制系统设计,可分为主传动为直流电机和交流电机两种情况。
1主传动为直流电机
由于复卷机在生产过程中要求引纸时退纸辊工作在电动状态,在正常运行的状态下又要求工作在发电制动状态以保持纸的张力恒定，而且在断纸时能快速制动。
直流传动能较好的实现这些功能。
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。
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、后两底辊间加入速差控制、负荷分配控制；在退纸辊需加入弱磁控制、转矩控制、电流控制、电动控制、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，若是对系统的控制精度要求不高，可采用间接张力控制；若对精度要求较高，则应采用直接张力控制.
系统以后底辊电机为主传动点，前底辊和后底辊为从传动点，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。
系统应充分利用所选设备，达到快速、稳定、精确地目的。
利用590能完成的任务尽量让它来完成，而PLC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.
2主传动为交流电机
复卷机主传动采用交流传动后我们想得到与直流传动一样好的电控系统系能。
系统辅助设备的设计、压纸辊压力控制和动态补偿与直流电控系统的设计方法没有多大的区别，系统的主要区别就在于对主传动的控制。
通过ACS600系列变频器,可通过其内部应用宏的参数设置可实现前后底辊之间的力矩差程序控制和S型升降速特性，静止张力给定、自动减速和逻辑控制部分功能由PLC实现。
三切纸机
切纸机传动系统不仅要求速度同步，还要求切纸精度,所以在速度同步的同时要求相位相同，因此切纸机对传动系统的要求高于纸机传动系统。
切纸机传动系统选择直接关系切纸机设计的成败,影响切纸机精度的因素很多,所以在设计中需要充分考虑各部分对切纸精度的影响。
下面以一个普通双刀切纸机为例进行分析，双刀切纸机工作过程如图所示，原纸卷经过弧形辊之后进入纵切机构，纵切机构对纸页按照生产所需要的规格进行纵向切割,分切后的纸页在经过1号送纸辊后，一部分下行进入1号切刀切纸,一部分到达2号送纸辊，进入2号切刀切纸。
切纸机传动分布示意图
四系统低压辅助设备
1抽屉式开关柜
抽屉式开关柜是采用钢板制成封闭外壳，进出线回路的电器元件都安装在可抽出的抽屉中，构成能完成某一类供电任务的功能单元。
功能单元与母线或电缆之间,用接地的金属板或塑料制成的功能板隔开,形成母线、功能单元和电缆三个区域。
每个功能单元之间也有隔离措施。
抽屉式开关柜有较高的可靠性、安全性和互换性，是比较先进的开关柜，目前生产的开关柜，多数是抽屉式开关柜。
可以控制纸机电气传动系统中电机的启停、正反转等.
2无功功率补偿器
无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。
所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置.合理的选择补偿装置,可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高.所以在纸机传动系统中加入无功功率补偿器可以增加电网对系统供电的稳定性.
3软启动器
软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。
具有过载保护功能、缺相保护功能、热过载保护功能、测量回路参数功能，同时通过电子电路的组合,还可在系统中实现其它种种联锁保护。
发展趋势
随着造纸装备水平的不断提高，纸机向宽幅、高速方向发展已成为趋势。
除了一些特种纤维造纸受到工艺和市场条件的限制外，包装、印刷、文化纸机的大型高速化带来的规模化生产对生产效率和经济效益的提高都是十分明显的。
同时，对纸机装备的设计、制造和工艺条件提出了更高的要求，特别是对纸机的自动化控制方面，提出了更多新的要求。
纸机传动控制系统与计算机控制技术、现场总线控制技术、交流变频控制技术息息相关，这些技术的发展将为未来纸机传动控制系统提供更好的硬件和软件。
一硬件系统
纸机传动系统在短期内仍然会采用标准的3级控制模式,硬件系统结构暂时不会有太大变化,但通讯速度、控制精度将会进一步提高。
而未来的发展将会引入无线操作控制，现场不会再有那么多的操作台,也不需要从控制室布电缆到操作台。
现场操作台改为无线手持式,更方便操作控制。
建立智能现场设备和自动化系统的数字化、全分散、双向传输、多分支结构的通信网，这是高速纸机控制自动化技术的基础。
组成一套完整的造纸生产自动控制系统，硬件上实现标准化、模块化和系列化具有特别重要的意义。
各工作站是通过网络接口相联接的,要既能实现完全独立的运行，也能通过系统的实时控制网络实现系统数据资源共享，对各工作站的组态和参数在线修正、在线维修，就必须具备统一的远程的智能化接口。
只有基于这种环境，各种各样不同的技术才可以在统一的用户接口下，集成在一个有全局数据库的系统中。
最终实现统一的数据管理、统一的通讯、统一的组态和编辑软件等。
二软件系统
软件系统的发展必须跟随造纸新工艺、新装备的发展，符合新的工艺要求，不断完善。
系统强大的功能、灵活的组态、正确的满足生产实际的控制模式，是高速纸机控制自动化技术的核心。
系统的控制软件设计中应采用冗余、容错和互备等新近的技术成果，以进一步改善和增强系统的可靠性。
同时远程诊断功能将会日趋完善，传动供应商在自己公司就可以了解纸机运行的全部状态，当出现故障后,通过远程诊断就可以恢复系统或指示用户如何排除故障,而造纸厂不再需要故障停机等待传动公司技术人员的到来。
三电气传动控制
高速纸机的电气传动控制是造纸过程控制的基础。
由于车速高、纸页单位时间产生的纵向伸缩比大，客观上对传动控制提出了快速、精确、稳定和可靠等较高的要求.
1系统的供电
采用△/Y型变压器对传动系统独立供电，整流模块按12脉波电路联接，可消除5次和7次谐波，并显著降低电磁污染.为平衡负载分配，采用2%的网侧进线电抗器.对于大功率定速电机的控制，应采用具备良好启动功能的软启动控制器.
2驱动单元的馈电
采用公共直流母线馈电方式的交流变频电气传动，可有效地克服高速大惯量可能引起的多点驱动单元直流侧电压不均衡问题;也能够降低由于电网电压、频率和负荷的波动所引起的纸机车速的变化.
四大型纸机传动控制系统的国产化
随着时间的推移,国内传动公司的控制技术日趋成熟,将会向大型纸机进军。
但国内公司由于缺乏大型纸机的实践经验，相比之下,虽然占有价格优势,用户仍然倾向与国外公司合作。
因此大型纸机传动控制系统的国产化除靠国内传动公司的不断努力外，更需要造纸行业的支持。
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