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1、 造纸机的变频调速方案及实施 1一一. .引言引言造纸机是由一系列配套设备组成的联合机，分湿部和干部两大部分。湿部包括上浆流送系统、网部和压榨等部分，干部包括烘干、压光和卷取等部分。其生产流程一般是:浆料通过上浆流送系统传送到纸机生产流水线的前端流浆箱，然后浆流由此依次通过网部、压榨、前烘缸、后压榨、后烘缸、压光机和卷纸机等在内的分部设备，成为原纸;原纸又可以另外进入机外涂布和复卷机产出成品纸。造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。变频调速作为90年代中期后最强有力的控制方式进入了原本属于直流调速(适用于大中纸机)和滑差电机(适用于中小纸机)天下
2、的造纸领域，并已近取得良好的市场效果。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差等原因，到了 90 年代已严重制约了造纸整机的性能价格比。而变频调速技术能最大程度上发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，再加上变频调速理论业已形成一门相对独立的学科，变频调速技术全面应用于纸机生产线的时代已经到来了。本文就变频调速及其控制技术在纸机生产线上的应用做进一步的阐述。二二. .造纸机的介绍造纸机的介绍（1）造纸
3、机的概念造纸机纸张抄造的联合装备。主要由网、压榨和干燥等部构成。网部分圆网和长网两种。压榨部由压榨辊和造纸毛布等组成。干燥部由一个或几个烘缸组成。某些长网机还装备机械压光机，以提高纸的平滑度和紧度等。造纸机的类型很多，如制造单面光纸张的单烘缸纸机（又称杨克式纸机） 、制造一般纸张的长网多烘缸纸机、制造打字纸和卷烟纸等的薄页纸机、制造纸板的纸板机等。 （2）造纸机的简介将符合造纸要求的纸浆水悬浮体经滤网脱水成形、机械挤压脱水和干燥等过程而抄制成纸的机器。造纸机包括完成以上工艺过程的成形、压榨、烘干 3 个主要部分,并配有必要的整饰、卷取及传动装置,以及供浆、浆料及白水循环、真空、通风排气、损纸处
4、理和润滑、自控等辅助系统。造纸机的规格常以其所抄造的成纸幅宽（简称抄宽） 、铜网幅宽和优选的工作车速来表示。现代大型造纸机的抄宽可达 11m，工作车速达1000m/min 以上,日产纸量达数百吨,整台机械的重量达千吨以上，长达百余米。在一般发展中国家以及一些特种纸的生产中使用较多的为小型造纸机,其抄宽 13m，工作车速每分钟几十米至 200 米。一台造纸机完整结构如图 1 所示。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2图1 造纸机结构图 （3）造纸机的发展历史1798 年法国人 N.L.罗伯尔首次提出造纸机的构思,并取得政府的专利权,但他并未制成机器。英国人 S.将包胶辊制成真空压辊、沟纹压辊、
5、衬网压辊、盲孔压辊等，以更有效地将压榨水带离压区，这些都是 50 年代以来采用提高压榨脱水效率的新技术。之后又采用复式压榨结构形成封闭引纸。它由二组或三组压榨合并组成，由真空吸移辊将湿纸从成形网上剥离，用毛布承托送入复合压榨，以后纸页在各压辊间传递，从而消除了过去纸页在压榨之间受着自重等因素的牵引作用造成断头的现象。80 年代以来，出现了宽压区压榨技术，强韧的橡胶带或胶辊，在强力受压时变形,从而有着高达 750kN/m 线压力和较宽的接触面，有着明显延长的脱水时间而大大提高了压榨脱水能力，在高速纸机上效果更为突出。现在出压榨的纸页干度可以从过去的 3037提高到 4345，有的甚至达到 50。
6、纸页接触光滑的硬辊面的次数或是粗糙胶面的次数以及各面的脱水量的多少，都会影响纸页的表面质量。处理合理则可以明显减少纸页两面平滑度的差异，反之也可以造成两面平滑度差异增大。3)干燥部由齿轮传动或由毛布带动若干个烘缸为一组，若干组烘缸构成干燥部。各组烘缸的线速度可以分别调整，保持各组烘缸之间微量速差以补偿纸页在干燥过程中的收缩。出干燥部的纸页干度一般在 9294左右。在干燥部末端，一般配有冷缸，使水气能在冷缸面上凝聚。冷凝水可以湿润纸页表面以利于在整饰中得到较佳的表面平滑度。烘缸直径以 1.5m 的效果最好。单面光纸可以通过采用高硬度、高光洁度缸面的大直径烘缸而得到较高的单面光泽度,大直径烘缸直径
7、一般采用 37.5m。 4)表面修饰部用多工序处理以取得良好的表面质量。大多数纸在纸机后都经过机械压光机压光，使纸面平整一致。机械压光机由若干个冷铸铁辊制成，以各辊子的自重或另加压将纸面压平。若需要更高表面平滑度则要用超级压光机压光。它一般由纸粕辊和冷铸铁辊相间排列组成。根据使用要求不同，一些品种要经表面施胶来改进表面质量；有的要经过表面涂布，以改进外观质量或印刷质量。表面施胶、涂布可以用成纸在纸机外通过施胶机及涂布机进行加工，也可以将施胶机及涂布设备组合在纸机内进行机内加工。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 45)传动系统将纸机各部位联接同步运转，使机械电气构成一体。由机械减速装置、调速稳
8、速装置、分部传动装置等构成，均采用电力为动力源。 6)白水系统是对纸机成形部脱水的回收、处理和回用系统。包括白水的收集、输送、过滤或沉淀、气浮等设备，以分离回收纤维及填料复用，以及将清净的白水在造纸工艺过程中循环利用的整个系统。 7)辅助系统由与纸机配套的电气系统、真空系统、润滑系统、车间给排汽系统、损纸处理、压缩空气系统、供汽供水排水系统等所组成。(6)造纸机工作原理造纸生产分为纸浆和造纸两个基本过程。制浆就是用机械的方法、化学的方法或者两者相结合的方法把植物纤维原料离解变成本色纸浆或漂白纸浆。造纸则是把悬浮在水中的纸浆纤维，经过各种加工结合成合乎各种要求的纸页。(7)造纸机的控制要求造纸机
9、传动属于恒转矩负载，所以要求电机采用恒转矩调速。要求变频器工作在恒转矩调速控制状态，所以应该选用恒转矩机械负载变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用不同型号的变频器，如西门子公司的 eco 系列风机、水泵控制用变频器和 mdv、6se70 恒转矩变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用同一型号的变频器，对于同一台变频器采用不同的控制方式所接配的电机不同，变频器内部参数设置不同。如 abb 公司 acs400、acs600 系列变频器。比如型号为 acs401-0030的变频器在恒转矩调速控制接配电机 22kw，那么，当它在风机、水泵等恒功率控制时接配的电机为 30kw。所以用户在
10、选择变频器是应该首先了解变频器与传动机械特性匹配。三三. .基本要求基本要求该纸机正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点：1) 纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度0.02- 0.01%，动态精度0.1%- 0.05%;2) 工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为 I=1：10之间;3) 各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产良好的纸页和提高纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为810%;4) 爬行速度。为方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯、以及检查各分部的运行情况，各分部应具有1530米/
11、分可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无造纸机的变频调速方案及实施 5效的运行和机械磨损;5) 具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压;6) 各分部具有微升、微降功能，必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能;7) 纸机传动控制系统，应具有良好接口能力，可与 QCS 控制、蒸汽控制等子系统上联上位工控机及工厂管理级计算机;四四. .造纸机的工艺流程造纸机的工艺流程1.1.概述概述图2所示的纸板造纸机, 可以看到该纸机是一种由
12、多台设备组成的联动机。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部; 干部包括干燥部、切纸机和理纸机。具有适合抄纸性能的浆料进入造纸机的浆料流送设备, 经浆流分布器和流浆箱的分布和匀整以后, 均匀而稳定的流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网部逐渐地过滤、脱水, 形成连续的湿的纸幅。当湿纸幅脱水到一定干度, 便可以从网面剥离, 送至压榨部继续脱水。压榨部是由若干组辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着, 在压辊间用机械挤压的方法脱水。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能, 压榨辊上配设有毛毯洗涤装置。经压榨部后, 湿纸幅的干度一般可达4 0 % 左右。然后湿纸幅经气垫式烘干箱进一步脱水。干燥后的纸板经牵引辊进
13、入切纸机, 经纵切刀由送纸辊进入横切部分, 横切甩刀将纸幅切断送出。切断的纸经输送辊、高速输送带、低速输送带、压纸带送往理纸机。最后打包称重, 整个工序完成。图 2 造纸机的工艺流程纸浆机按工艺要求喷出的纸浆（底浆和面浆）被引到传送毯上，经回头辊和一压辊引导、预压，再经两道压辊二压辊和三压辊的压整，成形纸进入 5 号烘缸初烘干，再进入大缸烘整，经 13 号烘缸烘干后由压光机整理，最后由卷纸机卷成筒形纸。从回头辊至卷纸机，9 个环节均采用交流电动机变频器调速拖动，变频器的频率给定信号来自 PLC,变频器配有能量回馈单元。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 62.稳速的要求造纸机由纸浆到形成纸张,
14、 需经过多个分部, 因此是一个多单元的速度协调系统, 各个分部间的速度要求严格配合, 根据工艺流程, 一般有以下关系: 只要其中一个分部速度不稳, 就会无法维持生产, 纸幅不是断裂, 就是松垮下来。如果整台纸机车速不稳, 就不能保证纸张的定量(每平方米纸页的重量)不变。因此要求纸机的各分部都能稳速。但是, 在实际运行中, 有许多干扰因素破坏速度的稳定, 例如电网电压的波动、频率的变化、负载的波动、温度的变化等等,对电气传动自动化控制的要求是克服这些干扰的影响, 保证车速的稳定。 3.平稳起动的要求纸机中有的分部要求平稳起动,例如网部起动太快就会损坏铜网; 干燥部传动惯量比较大, 起动太猛会把机
15、械连轴扭断, 因此要求整个系统能平稳起动, 而且各分部要能单独起动和停止。 4.纸机速度链由于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。其次, 这种比例协调应具有微调功能, 以调节相邻两分部间的速差, 避免纸张在传送过程中的松弛和绷紧现象, 并且速度微调应该灵敏、可靠, 不应在调过程中有明显的滞后现象。五五. .纸机控制系统结构纸机控制系统结构我们的选型原则是：优化设计，程序通用化，界面美观化，使整个控制系统稳定性好、可靠性高、鲁棒性强。纸机控制系统结构图如图4所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。第一级为驱动级，变频器采用 AB 公司系列变频器，由闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。第二级为 PLC 控制系统，采用西门子 S7-300 PLC ， S7-300与变频器组成 Modbus 总线控制网络，通讯速率可达19.2Kbit/s，并完成自动卷取及辅助部分的机电一体化功能;第三级为上位控制系统，采用 DELL 公司工控机,用于纸机传动系统状态
