造纸机变频改造设计方案

关键词：造纸机 节能降耗 上位监控 变频器
摘要：目前我国多分部同步速度控制的中小型造纸设备依然采用以直流调速技术作为电气系统的核心来配合工艺要求，耗电量大，在全国节能降耗的大背景下很有必要对其进行技术改造。

一 、慨述
         造纸企业是高能耗企业每吨纸所耗电能在500 度以上，电能消耗十分严重。传统的造纸机械的采用SCR 直流调速（大功率）和滑差电机（小功率）传动， 在生产过程中经常由于机械磨损、传动带的打滑等因数造成速度匹配失调，形成断纸、厚度不均等现象。为了降低能耗、优化产品质量，提高劳动生产率、现代化的造纸设备多采用多电机分部传动，即在每一个传动分部安装交流电动机并配制相应的特制变频器、要求各分部能够不仅实现同步控制，而且能够在一定的范围内调速。全数字化的控制系统使设备的自动化程度提高了一个档次， 它特有的全程在线监控系统让用户非常清晰的了解到设备的生产现状。

二、 方案设计
1、造纸工艺
造纸机械的基本组成部分按照纸张形成的顺序分为网部、压榨、前干燥、后压榨、后干燥、压光机、卷纸机等。其工艺为流浆箱输出的纸浆在网部脱水成型，在压榨部进行压缩使纸层均匀，经过前干燥进行干燥，接着进入后压榨进行施胶，再进入后干燥器烘干处理，然后利用压光机使纸张平滑，最后通过卷纸机形成母纸卷。
2、控制方案
造纸机传动控制系统是一种转速恒定、负载基本恒定的稳速系统。从控制特性上可分为：速度控制、转矩控制、负荷分配控制三种基本控制方式，其控制要求为速度长期稳定，动态恢复时间尽可能短。根据纸机对象特性．控制方案可归纳为多分部同步速度控制链控制、负荷分配控制分部控制系统这两种典型的结构形式。负荷分配控制分部方案通常应用于大型的造纸设备上，具有功率大线速高等优点，但其控制系统成本高，不适合应用于中小型造纸机上。多分部同步速度控制是利用恒转矩电机和矢量变频来实现速度同步功能实现整机同步，同时利用变频的矢量控制功能来修正设备分部因负荷变化而导致的速度变化。具有调速广、成本低、性价比高等优点，多用于中小型造纸机。下面我们具体介绍一下造纸机上使用的多分部同步速度传动系统：
造纸机由纸浆到形成纸张，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，一般有下表所示关系，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(每平方米纸页的质量) 不变。因此要求纸机的各分部都能稳速。且各分部之间满足一定的速比关系； 此时应采用多分部同步速链控制系统。

一般造纸机各分部的速比关系
造纸机各分部的速比
各部名称
以粘状浆制成纸张（如电容纸、仿牛皮纸） 一般纸张（如书写纸、印刷纸）
伏辊 89-91 94-95.5
第一压榨 94-96 96-97
第二压榨 97-98 97.5-98
第三压榨 98.5-99 98.5-99
干燥部 100 100
压光机 100.05-100.15 100.05-100.15
卷取机 100.10-100.30 100.10-100.30
1．多分部同步速度链控制原理
假设造纸机传动系统有n 个分部，各分部速度分别为：N1、N2、...、Nn，相邻
两个分部速度比分别为K1、K2、...、Kn-1，那么可有如下关系式： 

N2＝K1 N1
N3＝K2 N2＝K2K1 N1
N4＝K3 N3＝K3K2K1 N1
...
Nn＝Kn-1 Nn-1＝Kn-1...K1 N1
上式中N1为第一传动点的速度，也称为全线速度。改变全线速度N1，其余各传动点速度N2、...、Nn 都会随之成比例改变，但改变速比K i（i=1、2、...、 n-1），只有第i 个传动点后面的传动速度会改变，i 之前的各传动点速度不会改变。
例如：调整速比K3，传动速度N4、N5、...Nn 都会改变，但N1、N2、N3 不会改变
2．多分部同步速度链控制系统的实现
这种系统的特点是各传动点之间只存在速比关系，无负荷分配控制。这种系统较为简单，可以满足多种纸机和变频器相结合的需要，同步速度链可以是模拟式速度链、数字式速度链以及PLC 程序式速度链，以下分别说明其原理。
1）模拟式速度链
这种速度链在直流传动时代就已经被采用了，其原理如下图所示。

其中N1是全线速度，只有第一传动点能改变全线速度，其余各点只能微调，范围大约在5％-10％之间。模拟速度链的优点是简单、灵活、成本低，缺点是抗干扰能力较差，当信号线较长时使用受到限制，存在可靠性差、功能不足等缺点。
2）PLC 程序式速度链
对于大型多传动点的纸机能很好的解决模拟式速度链的可靠性差、功能不足等问题。该控制器采用进口的可编程序控制器（PLC）作为现场的控制中心，设备所有的输入控制开关、保护接点及输出点通过光电隔离进出PLC，有效屏蔽掉了现场的干扰信号，中央处理器运行的可靠运行得到保障。原来的电气驱动部分采用直流调速。改造后将采用以PLC＋工控机作中央控制器控制多变频全数字化的控制系统（见图1）。依据具体控制要求设计控制方案如下：
（1）PLC 对八台特制变频器均采用闭环矢量控制，从而增加变频调速的控制精度及系统的启动能力，实现在线无级调速（见图2）。各电机之间相互关联同步，驱动器具有同步加减速功能。
（2）整机速度的调整可由生产现场的操作工在触摸屏上输入数字完成亦可由值班室人员在工控机上输入完成。设备生产速度由以下公式计算:

式中:f为电机运行频率 δ滑差系数 κ机械传动比 n电机极对数

由上式可即可计算出设备的生产速度。
（3）同样的方法亦可以实现各分部电机的独立调速和手动偏差修正。
（4）各电机之间运行时利用PLC 以及矢量控制保证电机间的绝对同步，如遇机械或其他原因造成某分部电机速度漂移或负荷突变时系统会指令其他的电机自动跟随，由此降低断纸的机率，提高纸张质量。
（5）系统设有张力检测功能，依据张力自动调节各电机的转速。 
（6）为方便设备维修系统设有点动爬行功能，可独立运行各分部，速度一样可以自由设置。
（7）保留系统原有的控制功能和操作方法。
（8）系统还设有报警提示、各电机转速等工艺相关的数据显示功能。（图3）
（9）工控机还设有报警记录、产量统计、开机时间等生产相关的数据记录功能
（图4）
图一

图二

图三

图四

三、 工作原理
         当系统收到运行信号后，首先检测电机等设备运行必备的条件是否满足， 若不满足系统会自动输出适当的信号驱动这些信号的动力源，在设定的时间内还不能满足系统运行要求时系统会自动给出一报警提示，要求用户去排除故障。
         系统启动条件全部满足后系统将依据用户所设置的整机速度和8 台电机的运行频率进行基本运行频率运算，计算得出的运行频率由PLC 传输给变频器来控制电机按工艺要求的顺序启动相应的电机，所有电机全部启动完毕后设备进入正常工作状态，同时系统会依据反馈给系统的最终输出转速来进行微量补偿，从而使设备运行在同步状态，系统中设置有张力回馈装置，实时采集纸张的张力，按照实际工况再自动调节各电机运行的频率，从而达到减少断纸的机率。在系统运行过程中如遇严重故障报警时系统会自动停掉前端的电机，后端电机在运 行一段时间后故障没有复位或系统没有收到停机信号时会自动停机。系统停机的过程与启动的过程相反。

四 、改造优势
1、系统提供的连锁包括：安全连锁、工艺连锁、起动连锁、停机连锁、断纸连锁、故障连锁。
2、采用变频替代直流调速后能降低企业能耗。系统有先进的张力控制方法以及同步精度得到了大幅提高，为设备生产的纸张质量提供了有力的技术保障。整机速度调整方便、平稳，调速范围广，线速度调节范围可达0-800m/min。加、减速同步，能满足多种生产要求。
3、各分部速度以及速比可以独立调节，系统的负荷比智能分析软件会依据负荷的分布状况自动调节电机的转矩，从而保证设备在任一分部的负荷发生变化时各分部间的速比不会超出要求范围；各分部的速度可以上下微调，并互不影响。
4、系统的检修模式具有分部点动爬行功能。
5、操作简单科学、直观。现场设备工作状况在线模拟仿真，让用户好像置身于车间现场。
6、提供长时间的生产数据记录，为管理层安排生产和了解生产进度提供依据。系统提供的故障记录功<