造纸机的电气传动系统毕业设计

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1、辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第 II 页造纸机的电气传动系统设计摘要 造纸术是我国古代四大发明之一，有着悠久的文明历史。随着日常生活对纸张品质要求的不断提高，造纸机也正向着大型、高速、高效的方向迅速发展，这就对造纸机的电气传动系统提出了更加严格的要求。面对日趋激烈的市场竞争，我国造纸业已经步入“质量效益主导型”的新阶段，其中造纸机的电气传动控制系统作为保障纸张质量的关键技术，已经引起了我国造纸企业的高度重视。首先，本文对造纸机电气传动系统的国内外发展现状做了简要的介绍，并介绍了造纸机的机械结构以及造纸的工艺流程。接着，详细的分析了速度链、负荷分配以及纸幅张力等影响电气传动控制系统的诸多因

2、素，并给出了造纸机对电气传动控制系统的基本要求。通过对电气传动控制系统工艺的进一步分析，计算了影响电气传动品质的相关参数。同时给出了速度链、动态负荷、张力需求的计算公式以及电机电磁转矩的离散化方程。最后，根据交流变频调速系统的应用，给出了造纸机在实际应用中变频器的相关参数及变频器的选型并对造纸机电气传动控制系统进行了合理的设计。关键词：造纸机；电气传动控制；速度链；张力控制；交流变频调速;变频器 THE DESIGN OF PAPER MACHINE ELECTRICAL DRIVING SYSTEMABSTRACTPaper-making technique is one of ancien

3、t Chinas four great inventions,has a long history of civilization.With the increasing demand for paper quality,paper machine towards the development of large-scale,high-speed,efficient direction,which also put forward higher requirements for paper machine control system.With increasingly fierce mark

4、et competition, Chinese paper industry has started to enter into a new development stage of “quality and efficiency-oriented”.And the paper machine electrical driving control as the paper quality protection technology,has been widely favored by the paper companies at home.First,the article made a pr

5、esentation on the paper machine control system development in the world.At the same time,introduces the mechanical structure and the technological process of papermaking.Then analyzed the speed chain,load distribution and paper tension on the driving control system and many factors of the influence

6、of the electrical drive control system, and give the basic requirements of the electric drive control system.In this thesis analyzed the theoretical transmission parameters of the driving system,calculated all the relevant factors affecting the transmission quality to achieve a good control effect.A

7、t the same time, the speed link,the dynamic load and the tension demand are calculated,and the electromagnetic torque of the motor is discretized.Finally,according to the application of AC variable frequency speed control system,the correlation parameters of the inverter and the converter selection

8、of the inverter in practical application are given.And the paper makes a reasonable design for the electric drive control system of paper machine.Keywords:Paper machine;Electric drive control;Speed chain;Tension control;AC frequency converter;Frequency converter目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1 课题研究背景11.2造纸机电气

9、传动控制系统国内外的研究现状及已有成果21.3本文主要工作32造纸机机械结构及造纸工艺流程52.1造纸机机械结构52.1.1 造纸机网部62.1.2 造纸机压榨部62.1.3 造纸机压光部62.1.4 造纸机干燥部和卷取部62.2 造纸工艺流程72.3 本章小结73 造纸机电气传动控制策略分析83.1 造纸机电气传动概述83.1.1 造纸机电气传动控制系统的基本要求83.1.2造纸机传动功率计算83.1.3造纸机生产能力计算93.2 造纸机电气传动系统控制策略分析93.2.1速度链控制103.2.2负荷分配控制103.2.3纸幅张力控制113.3 造纸机电气传动控制工作原理图123.4 本章小

10、结144 造纸机电气传动控制系统参数分析154.1 纸辊电机电磁转矩计算154.2 纸辊卷径计算分析164.3 速度链计算分析164.4 纸幅张力值的估算与分析174.4.1 基于纸辊参数的纸幅实际张力估算174.4.2 张力值的估算184.4.3 张力传感器张力值检测184.5 本章小结195 造纸机电气传动系统的设计215.1 造纸机电气传动系统设计参数及计算依据215.1.1 造纸机传动系统技术参数215.1.2 造纸机电气传动系统纸辊电机设备参数215.1.3 纸辊电机转速、功率的计算及选择225.2 造纸机电气传动系统的硬件配置235.2.1 交流变频调速基本原理235.2.2 AC

11、S800 变频器性能245.2.3 ACS800 变频器主要参数设置255.2.4 变频器的容量选择265.3 造纸机电气传动系统控制方案设计275.3.1 电气传动控制系统的整体结构275.3.2 纸辊电机的控制策略285.4 造纸机电气传动系统软件选型305.4.1 控制系统概述305.4.2 S7-400H 冗余系统305.4.3 过程设备管理305.5 本章小结31结论32致谢33参考文献34第 35 页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）1绪论1.1 课题研究背景随着全球造纸业及其相关行业的快速发展，人们不仅对纸张质量要求越来越严格，同时对纸张依赖性也变的越来越强。尤其是近几年，造纸业

12、已经成为国际化程度非常高的行业之一，一个国家各类纸张的消费水平，在某种程度上标志了这个国家的文明程度。我国现在仍是个造纸产业的大国，远远不是个造纸产业的强国，与造纸产业强国相比，我国造纸业还有相当大的差距。同时我国的造纸业面临着很大的困难，即造纸业一方面要实现“十二五”期间低污染、低消耗、低排放、大量推广先进造纸技术与造纸装备以及提高造纸业自动化技术水平的目标；另一方面正遭遇着非常严峻的挑战，像国际纸页（International Paper）、斯道拉恩索（Stora Enso）、芬欧汇川纸业（UPM）等超级造纸业集团在我国都有造纸业投资和发展的规划。 在造纸业中，起着保障纸张最终品质的重要联

13、合装备是造纸机（Paper Machine），它可以把符合造纸特性的纸料纤维悬浮液经滤网成形、机械挤压脱水、烘缸干燥、表面施胶、压光机压光、卷纸机卷取等过程抄制成成品纸幅，在此过程中它不仅要保证纸品优质性，还要满足抄纸生产运行的连续性、高效性及可控性。然而，由于造纸机实际抄纸运行工况复杂，工作车速波动控制要求非常严格，速度非常低就出现纸张严重窜边；速度非常高就出现纸张的残余应力过大而使纸张损坏纸边或断头。因此，造纸机若想制造出质量合格的成品，其必须拥有良好的电气传动控制系统，做到合理、高效地修正纸张实时线速度、纸辊电机实时转矩及纸幅实时张力等参数于相应的设定值区间内，进而来保障优质的纸张形态。

14、目前，为了设计出适用于制造不同纸种的造纸机电气传动控制系统，市面上已经出现和利时造纸机电气传动控制系统、ABB造纸机电气传动控制系统、西门子造纸机电气传动控制系统以及上海华章电气造纸机电气传动控制系统等多个现代造纸机电气传动控制系统，其中以西门子造纸机电气传动控制系统最为常见，本课题也主要以国内西门子高速造纸机电气传动控制系统为研究和设计的对象。图 1.1 所示为某5800/1600国内西门子造纸机电气传动控制系统的运行现场。 图 1.1 5800/1600 西门子造纸机电气传动控制系统运行现场1.2造纸机电气传动控制系统国内外的研究现状及已有成果国外的造纸业强国对造纸机系统的研究已经取得了丰

15、硕的成果，尤其是大大提升了造纸机电气传动控制系统整体自动化水平，包括：操作更加方便简洁，适用于100多个纸种，实现了造纸、成本调控动作过程的全自动化，而且整个设计车速也已经超过2000m/min，工作车速也超过了1500m/min。并且在造纸机电气传动控制领域，国外各大电气传动集团公司已经设计出了用于造纸机电气传动控制的软件和硬件，如：西门子造纸机电气传动控制系统、ABB造纸机电气传动控制系统及分别针对它们最典型的西门子公司6SE70系列交流变频器，ABB公司的ACS800交流调速变频器。可以看出这些国外造纸机电气传动控制系统不但有自己的电机交流变频调速装置，还有针对性很强的系统专用控制面板或

16、软件系统。造纸在我国拥有悠久的历史，我国也是一个造纸大国，造纸工业在国民经济中所占的地位非常重要。目前，我国造纸工业的主要特点是：造纸企业数目众多，但普遍规模较小，并且所生产纸张品种单一，技术含量较低，自动化水平较低，污染也较为严重。据统计，我国的中型造纸企业大概有3000多家，这些造纸企业大多使用的都是低速造纸机，所谓低速造纸机指的是车速在300m/min以下的造纸机，并且这些造纸机控制系统大多采用的是开环控制系统；对于车速在300m/min至550m/min之间的中速造纸机而言，则经常会出现速度链同步不理想以及断纸等生产事故，而且均没有考虑故障诊断和容错控制等问题，极易导致误停车，造成生产

17、事故，使企业损失重大。造纸机市场竞争激烈，国内该方面研发实力又落后于国外，因此必须加快研制高档造纸机的速度，同时逐步完善中档造纸机的控制系统，争取尽快扩大国内造纸机械的市场占用率。一直以来，直流调速系统凭借其优良的调速性能以及负载率大等优点在造纸机传动系统中的应用占据着很大的比例。然而，直流调速系统也存在着很多缺点，比如：直流电动机的成本比较高，电刷维护困难，有些场合（如防爆、防腐蚀、防潮等场所）不能使用等等。随着计算机技术、电力电子技术、传感器技术以及智能控制理论的逐步完善和快速发展，交流变频调速系统在各工业领域的应用已经越来越广泛。交流变频调速与直流调速系统相比，其具有容量大、维护方便、节

18、约能耗以及价格较低等优点。现在变频调速技术已经较为成熟，使交流调速系统也拥有了调速性能好、过载力矩和起动力矩大、启动平滑等等优点，已经逐渐取代了直流调速系统。另外，交流调速系统还具有如下优点： （1）使用场合比直流调速系统更广泛。 （2）安装维护方便，能使用标准化的电机电缆。 （3）电动机的正反转控制变得更简单。 （4）避免了直流电动机的电刷粉尘对生产过程的影响。 近年来，采用可编程序控制器（PLC）结合现场总线技术来实现多台电动机的变频调速同步控制系统，已经成为国内外研究造纸机自动控制系统的一个推荐方案。从以上的分析可以看出，在现阶段，造纸机电气传动自动控制系统的研究对于我国造纸业的发展有着

19、非常重要的理论和实践意义。1.3本文主要工作通过对国外高速造纸机电气传动控制系统的研究，本文设计了国产高速造纸机电气传动控制系统，优化了造纸机电气传动控制策略并对国产高速造纸机高速运行时的关键参数进行了分析与设计，由实际造纸机电气传动控制工程项目检验了理论研究的成果和PLC软件控制算法的正确性。具体进行的主要工作如下：（1）为了获得良好的抄纸纸页，进行了造纸机电气传动控制策略设计。 （2）造纸机通常运行在高速的状态下，且其工况会经常变化，其系统参数化分析就必然显得格外重要，本文对速度、负荷、张力等参数进行了计算和优化分析。 （3）本文具体的进行了造纸机电气传动控制系统的设计，包括系统硬件的配置

20、、软件的选型、变频器的参数设置以及选型。特别是进行了冗余控制设计，设备过程管理（PDM）设计等。 2造纸机机械结构及造纸工艺流程2.1造纸机机械结构造纸机（paper machine）是纸张抄造的联合装备，从第一台造纸机1803年问世至今，造纸机整体的机械结构在逐渐的完善，并有了固定的造纸工业技术规范，即整个抄纸过程由湿部和干部构成，湿部包括：浆料流送装置（流浆箱）、网部（成形部）以及压榨部；干部包括：干燥部、涂布部、压光部以及卷纸部。而现代造纸机的机械结构对于生产不一样的纸种必须用不同的机械结构形式，即在于不一样的网部（成形部）设计、压榨部设计、干燥部设计。如图 2.1 所示为造纸机机械结构

21、示意图。 1-浆流分部器 2-流浆箱 3-胸辊 4-案辊 5-真空吸水箱 6-真空伏辊 7-压榨毛毯 8-第一道压榨辊 9-导纸辊 10-通风罩 11-干燥帆布 12-烘缸 13-通风系统电机 14-冷缸 15-纸幅 16-卷取机 17-压光机 18-导网辊 19-张紧辊 20-校正辊 21-导纸辊 22-第二道压榨辊 23-第三道压榨辊 24-烘缸组 图 2.1 造纸机机械结构2.1.1 造纸机网部 造纸机网部又称成形部，是纸浆纤维脱水成湿纸幅的重要分部间,其机械结构主要由成型网、胸辊、案辊、吸水箱、伏辊等重要成形部件组成，此外，还有成型网网案的支撑机构、驱动机构、张紧机构、校正机构、舒展机

22、构和清洗的辅助机构和抄纸中的操纵控制机构。2.1.2 造纸机压榨部对成形后的湿纸页以加压的方式进一步脱水。它由辊面硬和软的两个辊子，如石辊和胶辊相配组成一组压榨，并分别由各自电机独立驱动，在造纸机电气传动控制系统里，每组压榨上辊石辊和压榨下辊胶辊均为主传动点。2.1.3 造纸机压光部 为了使抄纸纸页有良好的光泽度与平滑度，纸页的厚度必须得到均匀的一致性控制，即纸页必须进行多重压光整饰处理。软压光机与压光机就是能实现上述功能效果的技术装置，压光机机械结构通常有310个辊筒，其中23个为造纸机电气传动控制系统主传动点。2.1.4 造纸机干燥部和卷取部造纸机干燥部的机械结构由多组烘缸构成，并采用了双

23、列的烘缸结构形式，上下两层烘缸均配置有干毯，干燥部的最后，通常配置有12个冷缸，使水气能在冷缸面上凝聚。造纸机卷取部的机械结构主要是由卷纸机（复卷机）组成，它可以靠卷纸辊的自身重量及冷缸转动的摩擦力将压光机整饰好的成品纸页卷曲成为筒体。在造纸机电气传动控制系统中，卷纸机的卷纸辊通常为传动点，并要求这个传动点做好纸幅张力控制，以防纸页断头或出现褶皱。2.2 造纸工艺流程造纸的原料主要有两种：一种是含纤维的植物，还有一种就是现在比较环保的废纸在回收。第一种原料造纸比较复杂一点，先要切碎，在加高浓度碱水进行高温蒸煮，还要经过CX筛、高频震动筛、洗浆机、压滤机等机械去除原桨中含有的碱水，然后进行漂白。

24、漂白后经洗涤加水配成0.03%的桨液就可以造纸了。第二种就简单一点了,将废纸、工业双氧水、脱墨剂、碱、水按一定比例配好，用水力碎桨机打一定的时间；最后用跳筛筛去杂质就可以造纸了。不管用什么方法造纸，原理都是一样，就是把造纸原料的纤维打碎，再经高温从新结合。造纸的工艺流程由如下几个主要环节组成制浆段：原料选择蒸煮分离纤维洗涤漂白洗涤筛选浓缩或抄成浆片储存备用抄纸段：散浆除杂质精浆打浆配制各种添加剂纸料的混合纸料的流送头箱网部压榨部干燥部表面施胶干燥压光卷取成纸涂布段：涂布原纸涂布机涂布干燥卷取再卷超级压光加工段：复卷裁切平板（或卷筒）分选包装入库结束造纸机部分工艺流程如图 2.2 所示。图 2.

25、2 造纸工艺部分流程图2.3 本章小结本章主要介绍了造纸机整体的机械结构以及各分部的电气传动点，简要的介绍了造纸的工艺流程，这为造纸机电气传动系统的控制策略和参数分析提供了良好的支持。 3 造纸机电气传动控制策略分析3.1 造纸机电气传动概述造纸机电气传动往往包含两种基本传动方式：总轴传动和分部传动。总轴传动也叫单机传动，它的动力源仅仅来源于某个主变频电动机，这种传动方式往往被使用在工作速度比较低的小型造纸机传动控制系统中。分部传动也叫多电机传动，它的动力源往往来自于多个主变频电动机，这种传动方式经常被用在工作车速较高的造纸机传动控制系统中。分部传动的控制方式不仅操作方便运行安全可靠，还能让造

26、纸机各分部的速比关系保持不变,这种传动方式还可以做传动系统的结构优化工作，从而使速度调节范围扩大且速度调节效果更好，这种传动系统节约电能，操作更加简便，满足了本设计的大型高速造纸机电气传动控制系统的传动方式。3.1.1 造纸机电气传动控制系统的基本要求造纸机电气传动控制系统是造纸机控制系统的重要组成部分，对抄纸的稳定性、纸张的质量有着非常重要的影响。为了可以生产出品质较高的纸品，在造纸工业中，对造纸机电气传动控制系统提出了如下基本要求： （1）整机实际工作速度的有效调节 （2）保证实际工作车速的恒定 （3）各分部良好的动态调整 （4）维持分部间定速比关系的恒定不变 （5）稳定的爬行速度3.1.

27、2造纸机传动功率计算 在造纸机电气传动系统中，传动装置所产生的传动功率主要用于抵消摩擦损耗，所以造纸机的实际传动功率主要由造纸机的实际工作车速以及相关实时参数所决定。把造纸机电气传动系统中所有的传动部件做在线实时监测其实际功率的损耗，并用1m净纸幅宽与1m/min工作车速来表示造纸机电气传动系统的必需功率。即：P = Kbv (3.1) 式中： K 造纸机一个单位功率损耗的衡量因子 b 造纸机实时幅门宽度 v 造纸机实际工作车速 3.1.3造纸机生产能力计算为了精确的表示造纸机的实际生产效率，造纸工业常用造纸机每小时的产量来衡量，即： G=0.06bvq (3.2) 式中： b 卷纸机未切边的

28、实际纸宽 v 造纸机工作车速 q 纸页的实际定量 3.2 造纸机电气传动系统控制策略分析造纸机的电气传动系统控制策略分析是造纸机自动化设计的一个非常关键的环节，随着造纸业科技的不断发展，一些发达国家的造纸机（特别是高速造纸机）电气传动控制系统已经向高精度、高速度、全智能自动化方向发展，而国内造纸机电气传动系统对抄纸过程主要还是通过手工操作及一般PLC程序进行自动控制，而此控制方式完全保障不了纸页质量的一致性及抄纸生产的连续性，这主要是造纸机电气传动系统控制策略设计不完善引起的。 本文鉴于国内造纸机电气传动系统当前发展特点以及国外造纸机电气传动系统的有利优势，进行国产高速造纸机电气传动系统控制策

29、略的设计，以提高我国高速造纸机连续抄纸水平、产品质量水准。3.2.1速度链控制在造纸机分部传动控制中，根据对抄纸工艺的基本要求，分部间各临近传动点纸幅线速度要有保持不变的比例关系，且在操作员控制工作车速的情况下，仅改变当前级及当前级后面的速度状态而不改变其前面的速度状态，即每一传动点速度以前一级速度为参考的情况下修正，这样就产生了一个链式的速度控制结构，这个链式结构就是速度链。如图 3.1 所示，本文对变频电机0、1、2、3、4，采用主链包含子链的控制结构形式，把要做负荷分配的传动点变频电机2、3的速度控制接入速度链的子链上，这样传动点变频电机2、3速度值做负荷分配修正的情况下不影响其他传动点

30、变频电机0、1、4的速度状态。图 3.1 速度链控制原理结构3.2.2负荷分配控制造纸机的成形部（网部）、压榨部以及压光部是刚性或柔性连接的传动分部间，它们的负载由两台或多台电动机一起承担，造纸工艺控制要求造纸机所有负荷分配的辊子纸幅线速度及相互速比关系可修正的同时，负荷承担分配率相同的情况下还必须保证速度一致。如图 3.2 所示，需要负荷分配控制的纸辊电机M1、M2、M3、M4、M5、M6，本造纸机电气传动控制系统使用转矩PID控制算法控制其负载波动，并集成现场通讯总线PROFIBU通讯控制技术，即PLC控制器采集要分配的主、从传动点电动机的实际输出转矩并做程序化的精确运算，再通过PROFI

31、BUS通讯技术来控制变频器的相关参数，这样做到不断升高或降低所有负荷分配电动机的转差率，从而使从传动点电动机转矩值的百分比与主传动点电动机转矩值的百分比保持一致。图 3.2 负荷分配原理示意图 3.2.3纸幅张力控制 在造纸机的施胶部、压光部和卷纸部，纸页质量与该分部间实时张力值息息相关。由抄纸工艺要求可知，需要通过造纸机电气传动系统的程序化控制策略控制相关电机转速来获取恰当的纸页张力，否则，纸辊电机转速波动就会使纸页绷得特松或特紧，具体表现为：张力过弱，纸页则窜动而使纸页褶皱；张力过强，纸页则绷紧而使纸页断头。其控制原理如图 3.3 所示。图 3.3 张力控制原理3.3 造纸机电气传动控制工

32、作原理图 以上已经对造纸机电气传动系统速度控制、负荷分配控制及张力控制的控制策略做了比较具体的分析，从而设计了此造纸机电气传动控制方案。如图 3.4 所示。 说明： n*纸辊电机给定转速； R2纸辊半径； K ； C； TPLC采样周期； n1i转速n1的第i次采样值，光电编码器可测出，i=1，2，3，,N；N指自然数； k前馈量修正系数； B1系统稳态电磁转矩计算公式，其数值由PLC程序完成； B2系统动态电磁转矩计算公式，比B1模块增加前馈量修正系数k其数值由PLC程序完成； B3动/稳态切换模块，其数值由PLC程序完成； 图 3.4 造纸机电气传动控制方案3.4 本章小结本章简要的分析了

33、造纸机电气传动控制策略，对造纸机电气传动控制系统提出了基本要求，并给出了速度链控制方案；负荷分配采用现场总线主从通讯控制策略，其纸辊电机负荷分配控制效果稳定、无超调；纸幅张力采用张力传感器/程序估算张力切换控制方式，使得纸幅抄纸过程张力更加稳定，从而降低了纸页褶皱与断头的情况发生。最后给出了造纸机电气传动控制工作原理图。 4 造纸机电气传动控制系统参数分析造纸机通常在高速的状态下运行，且其工况经常会发生变化，造纸机电气传动系统若想达到高效、精确的控制效果，其系统参数分析就显得尤为重要，以下是通过数学模型建立来进行优化并分析造纸机电气传动系统的关键参数，包括：纸辊电磁转矩、纸辊卷径、纸辊电机速度

34、链、纸幅张力值等。4.1 纸辊电机电磁转矩计算在造纸机电气传动系统中，根据纸辊电机的工作原理和其机械结构，设Mm为电机电磁转矩，空转纸辊卷径不计，则有纸辊转矩平衡方程： (4.1)又根据纸辊电机转动惯量的运算公式： (4.2)因此将（4.1）式右边的系数进行格式转化有： (4.3)再代入（4.1）式可得： (4.4)式中 K、C 为：在上式中，看作常量的有：J0、b、R0、i等，且在造纸机系统工作速度不变的情况下，K、C也全是常量。则（4.4）式再整理可得： (4.5)将上式代入（4.1）式，有： (4.6)可见（4.6）式是微分方程，其离散化成型式由自动化系统PLC实现程序化，经离散化后的差

35、分方程为： (4.7)式中，i=i、i-1、1；TPLC 采样周期。4.2 纸辊卷径计算分析 纸辊卷径计算是造纸机电气传动系统中尤为关键的一个环节，其计算准确度很大程度上影响着整个造纸机电气传动系统的控制精度，由： (4.8)可得： (4.9)式中：v 纸幅实际线速度； 纸辊减速箱传动减速比； 纸辊电机的实际转速。4.3 速度链计算分析造纸机抄纸过程各分部间必须有稳定的速差（速比）。设是造纸机电气传动系统第i个传动点电机的实际转速，则是下一个传动点i+1的电机实际转速，是第i+1个传动点电机实际转速与第 i个传动点电机实际转速的比值，是传动点电机实时转速与第i个传动点电机实时转速的转速差。则有

36、: (4.10) (4.11)其速度控制原理结构如图 4.1 所示：图 4.1 速度控制原理结构图 4.4 纸幅张力值的估算与分析4.4.1 基于纸辊参数的纸幅实际张力估算 在造纸机纸页张力检测中，通过纸辊电机的实际转矩平衡方程可知纸页实际运行所必须的张力，其中进行计算的参数包括：电机的实际转动惯量转矩、电机的电磁制动转矩、电机运行时的实际摩擦转矩等等。则有：纸幅张力： (4.12)纸辊惯量转矩的估算 惯量转矩： (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) (4.17) (4.18)上式计算中已知的有：、b，。摩擦转矩的估算实际摩擦转矩： (4.19) 且 (4.20) (4.21

37、)4.4.2 张力值的估算在实际的造纸机张力控制中，造纸机电气传动系统的传动装置均能做纸辊电机实际转矩的计算工作，于是，造纸机中纸辊电机的电磁转矩可以由造纸机电气传动系统的现场总线PROFIBUS通讯技术从纸辊传动装置中读取，而纸页的实际张力从（4.20）式就能换算得到。如图 4.2 所示。4.4.3 张力传感器张力值检测 在纸辊两端分别安放一个张力传感器,并根据张力传感器计算出纸幅张力值。从而可以获得精确的纸幅实时张力。其原理如图 4.3 所示。图 4.2 纸幅张力估算简图图 4.3 纸幅张力传感器工作原理4.5 本章小结本章主要对影响造纸机电气传动系统控制效果的关键参数进行了深入的计算与分

38、析，其中包括对纸辊电机电磁转矩、纸辊卷径、纸辊电机速度链、纸辊电机负荷分配、纸幅张力值等给出了精确的数学模型建立过程和正确的计算处理方法及如何进行在PLC中程序化，这为下文造纸机电气传动系统的设计提供了有利的支持和根据。 5 造纸机电气传动系统的设计5.1 造纸机电气传动系统设计参数及计算依据5.1.1 造纸机传动系统技术参数 纸品品种：高级瓦楞原纸 定 量：100200g/m2 净纸幅宽：10200mm 工作车速：1600m/min（最高工作车速） 传动车速：1600m/min 平衡车速：1700m/min 爬行车速：15m/min5.1.2 造纸机电气传动系统纸辊电机设备参数造纸机电气传动

39、系统纸辊电机的选型及其配置参数是由造纸机的电气传动控制技术参数决定的，包括所生产的纸种类别、纸幅实际定量大小、实际纸页宽度、最高实际工作车速等参数，通过这些基本参数我们可以计算出造纸机工作时的最大实际总功率，然后从这个最大实际总功率和最高工作车速可以确定纸辊电机的最低实际功率的大小。如表 5.1 所示为整个抄纸过程中电气传动控制系统电机和相关设备的数据参数。可以根据给出的具体参数来完成各个纸辊电机的选型。 表5.1 造纸机的电器设备参数名称类别数值网部纸辊电机参数压榨部纸辊电机参数干燥部纸辊电机参数电枢电流励磁电流额定工作转速减速箱的减速比编码器的型号电枢电流励磁电流额定工作转速减速箱的减速比

40、编码器的型号电枢电流励磁电流额定转速最高工作转速减速箱的减速比功率编码器的型号400A14.2A1800rpm2.24Fins 58_1024400A14.2A1800 rpm2.24Fins 58_1024330 A19.5 A3300 rpm2000 rpm2.5132 kwFins 58_10245.1.3 纸辊电机转速、功率的计算及选择 纸辊电机的选择 (1) 最高工作转速 (5.1) (2) 最低工作转速 (5.2) (3) 调速范围 (5.3) (4) 纸辊发电机功率 (5.4)(5) 动态补偿功率 (5.5) 则纸辊电机总功率 (5.6)5.2 造纸机电气传动系统的硬件配置在造纸

41、业中，客户对造纸机电气传动系统的控制精度及自动化水平要求很高，因此考虑到系统装置的性价比，本造纸机电气传动控制系统硬件配置选购ABB ACS800交流式变频器，西门子S7-400H系列冗余PLC、MP277 17 寸智能操作面板及冗余 PROFIBUS-DP 现场总线。5.2.1 交流变频调速基本原理根据三相异步电动机的相关知识，异步电动机的转速n表示为： (5.7)式中：n异步电机的转速，单位为r/min； s电机的转差率； f电机定子的电源频率，单位为Hz； p异步电机的极对数。由式可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生的最大转矩不变，同时

42、也需要维持磁通不变，这需要由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。5.2.2 ACS800 变频器性能由于造纸机运行时纸辊电机的负载是恒转矩负载，所以电气传动系统的电机应采用恒转矩变频调速和恒转矩速度变频器。因此，本文造纸机电气传动系统执行机构采用恒转矩变频控制的变频器。即该电气传动系统电机运用 ACS800 DTC 直接转矩调速的交流变速策略，同时在造纸机电气传动控制系统中采用 ABB 的ACS800 系列交流变频器。如图 5.1 所示为 ACS800变频器的接线图。图 5.1 ACS800变频器接线图ACS800变频器是在直接转矩控制技术的基础上，

43、当电气传动系统变频电机传动装置无光电编码器或电机转速测量设备故障的情况下，仍可以以高精度修正大部分变频电机的当前实际转速和转矩。图 5.2 表现出造纸机电气传动系统中ACS800变频器基于直接转矩控制技术时的经典转矩控制性能曲线，所以本造纸机电气传动控制系统采用ACS800变频器变频调速纸辊电机可满足国产高速造纸机电气传动控制的需要。 TN=额定电机转矩Tref=转矩给定 Tact=实际转矩 图 5.2 ACS800 变频器转矩控制特性5.2.3 ACS800 变频器主要参数设置在造纸机的电气传动控制系统中，要监控的变频器的参数主要是某些基本系统参数，包括：电机的实时运行数据、编码器的实时采集

44、参数值以及现场总线的通信控制参数。表 5.2 给出了本造纸机电气传动控制系统纸辊电机 ACS800 变频器的基本参数设定。 表 5.2 造纸机纸辊电机变频器参数098.01RTAC-SLOT1编码器参数设定123456789101112131415161718192021222324252698.0299.0299.0499.0599.0699.0799.0899.0910.0110.0311.0311.0411.0522.0222.0350.0150.02500651.0151.0251.0351.0451.0551.0651.0751.08FIELDBUSFACTORYDTC380 V13

45、950 HZ1990rpm75COMM CWREQUESTCOMM.REF0200020S20S1024A+ B DIRENCODERDP13500420041042015105现场总线参数设定应用宏模式电机当前控制模式电机额定电压电机额定电流电机额定频率电机额定速度电机额定功率电机启/停方向电机运行方向外部给定信号min.REF1max.REF1加速时间大小减速时间大小变频器脉冲数脉冲计数方式反馈方式现场通讯总线仅显示通讯参数设定PPO 的种类写最大电机转矩读电机电流写最小电机转矩读电机实时转矩5.2.4 变频器的容量选择在造纸机电气传动系统中常常采用通用型交流式变频器，其容量计算涉及到的关

46、键参数包括：变频器使用功率、变频器输出容量以及变频器的额定输出电流。但在实际的变频器容量计算中，必须使其适用于全部传动场合，绝不可以出现变频器实际输出电流长时间大于变频器额定输出电流。下面以造纸机电气传动系统恒转矩负载的变频器容量计算为例： 在造纸机电气传动系统中，变频器为纸辊电机提供能源动力时，变频器驱动电动机的功率超过当前该电动机的功率的状况下，根据纸辊电机恒转矩负载工作的工作状况，设PM为电机负载工作时的输出功率；为电机工作效率；cos 为电机有用功率因数；UM为电机工频电压；IM为电机的工频电流；k 为电流波动时的修正因子；PCN为变频器的额定容量；ICN为变频器的额定电流。则变频器容

47、量的选择可由下式计算得出： （5.8） （5.9） （5.10）5.3 造纸机电气传动系统控制方案设计5.3.1 电气传动控制系统的整体结构 本造纸机电气传动控制系统在西门子高级过控系统(SIMATIC PCS7)软件平台上建立基于现场总线的三级控制网络形式,用西门子S7-400H系列最新PLC S7-414H控制器作为控制中枢，ABB ACS800系列交流变频器控制并驱动纸辊电机，用高速通讯的PROFIBUS-D现场总线通讯网络控制传动速度。其整体结构如图 5.3 所示：图 5.3 系统整体结构简图5.3.2 纸辊电机的控制策略为了使造纸机相邻传动点速比保持不变，从而保持纸幅张力不变，本文的

48、电气传动控制系统采用直接/间接可切换张力控制、速度链开/闭环控制和具有良好动态调整的负荷分配控制方案。这种电气传动控制方式操作简单，控制稳定且精度高，非常适用于参数变化较大的场合，其主程序算法流程如图 5.4 所示。 其纸辊电机电气原理图如图 5.5 所示。图 5.4 造纸机电气传动控制系统主程序流程图图 5.5 电机控制原理图5.4 造纸机电气传动系统软件选型 近几年来，在工业自动化测控领域，控制系统品牌种类繁多，其中较为知名的有：霍尼韦尔、ABB、艾默生、西门子、和利时等。然而，造纸机电气传动控制系统的结构复杂，控制逻辑很为繁琐，一般的工业过程控制软件很难实现对其完美的控制，通过对造纸机控

49、制系统的比较，西门子高级过程控制系统PCS7可以对工业测控领域提供无缝的自动化解决方案，特别适合应用在控制过程及结构较为复杂的造纸机电气传动控制场合。5.4.1 控制系统概述西门子高级过控系统（SIMATIC PCS 7）是西门子分布式控制系统（DCS），它不仅可为造纸工业电气传动控制系统提供无缝的自动化解决方案，还具有PLC程序设计开发的灵活性，并具备比新型智能DCS更强的优势。所以，SIMATIC PCS7若采用自动化冗余系统可为整个抄纸过程的高效性、连续性提供更可靠的保障。5.4.2 S7-400H 冗余系统在整个造纸机电气传动系统中，尤其是在烘干部和压榨部，其传动控制逻辑较高，为了进一

50、步提高其实用性和可靠性，可以通过双CPU硬冗余控制保障造纸机电气传动系统的可靠性。并采用PROFIBUS通讯冗余技术在整个电气传动系统中，对造纸机重要设备建立高质量、高可靠性的通讯设计，从而大大降低抄纸工作停机耗时。因为无论电气传动系统的故障是出于控制命令错误、故障还是维护，其停机所造成的成本都非常大，所以应采用冗余系统，此系统不仅可以防止造纸机停机，还能获得其容错设备高昂的费用。 5.4.3 过程设备管理 高速造纸机电气传动系统的传动点很多、相互工作状态联系也较为紧密，这就对传动系统稳定性要求较高，一旦电气传动系统局部装置（控制器、模块、仪表、电机、变频器等）出现故障，就会造成生产线大面积的

51、停产，且要恢复系统稳定数据时间很长，还有可能发生难以预知的破坏性事故,从而加大造纸机的投资成本和风险。如何确保造纸机电气传动系统的安全运行、做到电气传动系统的预知性和可视化的维护，并具有良好的智能性、快速性，已经成为造纸企业提高纸机电气传动控制系统效益、稳定性和实用性的关键因素。 SIMATIC PDM又称过程设备管理器，它是由西门子公司开发的系统监控软件，能进行现场智能设备和自动化系统组件实时组态、实时参数分配、设备调试、故障诊断及设备维护。所以，本文鉴于生产实际对高速造纸机电气传动系统可靠性、可视化监控的需求，利用SIMATIC PDM技术建立稳定、耐用和更小故障的高速造纸机电气传动控制系

52、统，此系统可以实现合理布局及减少构件，全时段保护系统数据、优化和监控控制系统的相关设备。5.5 本章小结本章以高速瓦楞造纸机为例设计了具体的电气传动控制系统，包括：控制系统的硬件配置，控制系统选型，冗余控制设计，系统设备过程管理（PDM）设计，从而使整个造纸机电气传动控制系统具有较完整的的自动化功能，即造纸机电气传动系统具备了较高的自动化程度、灵活的操作性和良好的抄纸控制品质。 结论本文在深入了解造纸机的机械结构、抄纸工艺特点以及国外造纸机电气传动控制的基础上，针对国产高速造纸机电气传动控制进行了分析和研究，具体包括：（1）分析了造纸机电气传动控制策略 本文通过分析造纸机电气传动控制策略，指出

53、：速度链闭环/开环双切换的控制方案，其控制精度要远远大于直接速度控制；负荷分配采用现场总线主从通讯控制策略，纸辊电机负荷分配控制稳定且无超调；纸幅张力采用张力传感器/程序估算张力无缝切换控制方式，从而使抄纸过程张力更加稳定，减少了纸页褶皱与断头的情况发生，进而使整个造纸机电气传动系统具有稳定可靠、免维护等优势。 （2）对影响造纸机电气传动系统控制效果的关键参数进行了分析 本文对纸辊电机电磁转矩、纸辊卷径、速度链、负荷分配、纸幅张力值等提出了准确的数学模型建立过程与正确的计算处理方法及如何进行在PLC中程序化。（3）以高速造纸机为例设计了具体的电气传动控制系统 本文以高速造纸机为例构建了具体的电

54、气传动控制系统，包括：控制系统硬件配置，控制系统选型，冗余控制的设计，设备过程管理（PDM）的设计，使整个造纸机电气传动系统有了较为完整的的控制功能，即造纸机电气传动控制系统具有了较高的自动化程度、灵活的操作性、良好的抄纸控制品质。 致谢经过了两个多月的付出和努力，我终于顺利地完成了我的毕业设计。在论文写作期间，我曾遇到了无数的困难和障碍，都在老师和同学的帮助下度过了。在这里，尤其要强烈感谢我的指导老师马连增老师。在论文写作期间的工作自始自终都是在马连增老师全面、具体地指导下进行的，大到文章的选题谋篇、布局结构，小到文章的词语搭配、标点符号。马连增老师多次以民主的方式引导学生以自己的视角发现问

55、题、分析问题、解决问题，让我体会到毕业论文不仅仅是对大学所学知识的再学习、再检验、再提高的过程，更是一次将大学期间所学到的知识运用到实践并将其升华的过程。马老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风使我们受益匪浅，并终身难忘。在此表示衷心的感谢！同时非常感谢在完成毕业设计（论文）期间给予我各方面支持与帮助的其他老师！同时非常感谢我的同学和朋友们给我的支持与鼓励！由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！参考文献1 范文波,陈奇志.从全球百大纸业公司看我国纸页公司发展J.中国造纸,2006(11):59-62. 2 孟彦京.造纸机变频电气传动原理与设计M.陕西:陕西人民出版社,2002.3 葛保华,孟彦京.西门子6SE70变频器在纸机控制系统中的应用J.微计算机信息,2005(7):125-127. 4 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统M.北京:机械工业出版社,2010. 5 李明辉,刘先保,张洪兴.造纸机纸幅张力