超級(jí)壓光機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（西門子工業(yè)解決方案集團(tuán) 廣東 廣州 510620）

為了改變紙的表面物性，使其達(dá)到印刷要求，同時(shí)為了使紙厚度盡量一致，以確保好的紙態(tài)和在后續(xù)工段中有好的運(yùn)轉(zhuǎn)性，通常從涂布過來的紙需要使用壓光機(jī)進(jìn)行再壓光，壓光機(jī)在壓光過程中利用軟輥把紙頁的高低部分壓帖在平滑的金屬熱輥面上，經(jīng)高溫壓區(qū)受熱變軟的紙頁，再經(jīng)過壓光過程中的剪切和搓動(dòng)，使紙的緊度趨于一致，并使接觸金屬熱輥的紙面有非常精致的平滑表面，使紙幅有著非常均勻的平滑度。某大型紙廠引進(jìn)一套德國VOITH設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Janus MK 2TM型離線超級(jí)壓光機(jī)，并為這套壓光機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)了一套完善的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，本文對(duì)這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并作出相應(yīng)的原理分析。

1 系統(tǒng)描述

1.1 性能指標(biāo)

VOITH Janus MK 2TM型超級(jí)壓光機(jī)技術(shù)指標(biāo)為：壓光對(duì)象80～230gsm高級(jí)文化用紙；入口紙寬11 010mm；設(shè)計(jì)車速1 500m／min；引紙車速5～20m／min；飛接車速40m／min；全壓區(qū)工作模式275～300N／mm；單壓區(qū)工作模式30～70N／mm。

1.2 機(jī)械裝置系統(tǒng)

VOITH Janus MK 2TM型壓光機(jī)采用45°的基架設(shè)計(jì)，2堆5輥4壓區(qū)，工作模式有全壓區(qū)工作模式、單壓區(qū)工作模式、雙壓區(qū)工作模式。如圖1所示：壓光區(qū)域上共有10根輥，頂輥13，15與底輥14，16都是可控中高輥，1，2，3，4號(hào)輥為鋼輥，它們也是主驅(qū)動(dòng)輥，17，18號(hào)為膠輥。

圖1 VOITH Janus MK 2TM型壓光機(jī)壓區(qū)示意圖Fig.1 The sketch map of VOITH Janus MK 2TMstack

膠輥內(nèi)部通有溫水，用于控制膠輥的溫度，范圍為45～60℃。鋼輥內(nèi)部通有熱水，用于控制鋼輥的溫度，其范圍為50～160℃?？煽刂懈咻亙?nèi)部有12個(gè)正壓區(qū)，2個(gè)負(fù)壓區(qū)?？煽刂懈咻佪仛だ@固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼輥與可控中高輥及膠輥是相對(duì)的，它們一塊形成紙幅通過的壓區(qū)。

1.3 變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)德國VOITH Janus MK 2TM型超級(jí)壓光機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了變頻傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 超級(jí)壓光機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)分布圖Fig.2 The layout of super calender drivers

該傳動(dòng)系統(tǒng)采用公共直流母線交流方案，整流裝置使用2套690V，2 660kW的SINAMICS S120非調(diào)節(jié)型電源模塊JX型SLM及1套400 V，250kW的S120基本型電源模塊GB型BLM，逆變器使用SINAMICS S120JX型Motor Module，共使用了19套逆變裝置，電動(dòng)機(jī)采用西門子變頻電機(jī)，如圖2所示，放卷部包括5號(hào)放卷主傳動(dòng)，卷取部包括6號(hào)卷紙輥主傳動(dòng)，9號(hào)換卷時(shí)用的二次傳動(dòng)，11號(hào)壓紙輥傳動(dòng)。另外還有7，8號(hào)冷缸傳動(dòng)，12號(hào)切紙刀傳動(dòng)，10號(hào)引紙繩傳動(dòng)及19號(hào)導(dǎo)紙輥傳動(dòng)。1，2，3，4號(hào)熱輥與17，18號(hào)軟輥均由單獨(dú)的電機(jī)和電氣控制系統(tǒng)傳動(dòng)。傳動(dòng)電機(jī)與輥使用可軸向伸縮的萬向聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接，這樣能保證輥?zhàn)釉陂]合和脫開過程保持穩(wěn)定的運(yùn)行速度。在壓區(qū)閉合前，要求兩根輥面的線速度差必須小于0.3%，否則液壓系統(tǒng)將拒絕閉合?？煽刂懈咻伒妮佇?，在運(yùn)行時(shí)是固定不動(dòng)的，在輥殼上固定有同步帶輪，由電機(jī)通過萬向聯(lián)軸節(jié)、同步帶輪和同步帶，使可控中高的輥殼旋轉(zhuǎn)。為了調(diào)整紙幅的張力，保持紙幅恒定的松緊度，在放卷輥后，卷取輥前，冷缸前及壓區(qū)中間分別安裝了4臺(tái)ABB枕式張力傳感器參與紙幅的張力控制。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用S7 400作為主站（見圖3），通過CPU414自身上的DP接口實(shí)現(xiàn)PROFIBUS總線與SINAMICS S120之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制各個(gè)變頻器傳動(dòng)點(diǎn)的各種模式運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交換要求將PROFIBUS的通信傳輸速率設(shè)置為3Mb／s。該系統(tǒng)通過CP443－1實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)WINCC通信，WINCC對(duì)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的信息進(jìn)行顯示，記錄。該系統(tǒng)通過CPU414自身上另外一個(gè)DP接口實(shí)現(xiàn)與MP377及ABB張力測量儀表的PROFIBUS DP通信，操作員通過MP377操作傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖3 PLC硬件配置圖Fig.3 The configuration of PLC hardware

3 變頻傳動(dòng)控制設(shè)計(jì)

3.1 放卷區(qū)變頻傳動(dòng)

放卷區(qū)的退紙輥傳動(dòng)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心之一，其特點(diǎn)是：1）退紙輥電機(jī)在正常工作時(shí)，為了保持紙幅的張力在一定的數(shù)值，它長期處于制動(dòng)力矩狀態(tài)，只有在引紙時(shí)才是電動(dòng)力矩狀態(tài)；2）退紙輥輥徑變化范圍大，通常由4～1.5m之間變動(dòng)，這要求電機(jī)有大的調(diào)速范圍；3）退紙輥在運(yùn)行過程中要求保持退卷張力恒定。

針對(duì)上述特點(diǎn)，必須要考慮如下。

1）退紙輥的變頻器必須采用4象限變頻器，針對(duì)本系統(tǒng)，我們采用SINAMICS S120DC／AC多軸驅(qū)動(dòng)單元，它是一款4象限變頻器，可控電源的供給和能量的回饋，避免在進(jìn)線側(cè)產(chǎn)生噪聲。IGBT功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，當(dāng)引紙時(shí)，它拖動(dòng)電機(jī)克服阻力做功，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)處于壓光工序時(shí)，逆變側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，紙頁牽引電機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能通過整流側(cè)回饋到電網(wǎng)。

2）為了實(shí)現(xiàn)退紙輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)較大調(diào)速范圍運(yùn)行，我們采用SIEMENS N－compact交流電動(dòng)機(jī)，它具備大范圍調(diào)速運(yùn)行，可以使系統(tǒng)在極低速與極高速下更精確運(yùn)行。

3）從退紙輥的功能特點(diǎn)來說，對(duì)退紙輥張力的控制是退紙輥控制的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)，紙幅張力主要是由于兩個(gè)傳動(dòng)單元之間的線速度差形成的，當(dāng)新紙卷上架并合上傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)接軸后，開始引紙，放卷部設(shè)有引紙風(fēng)箏，引紙繩驅(qū)動(dòng)以20 m／min驅(qū)動(dòng)引紙繩。在壓光機(jī)正常操作過程中，引紙繩以爬行車速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于運(yùn)行模式簡單，所以這時(shí)的退紙輥傳動(dòng)采用速度控制模式，但一旦引紙工序結(jié)束，紙幅張力建立，為了維持紙幅的張力，退紙輥傳動(dòng)必須轉(zhuǎn)為張力控制模式。

圖4為張力控制模式原理圖，在壓光運(yùn)行時(shí)，對(duì)退紙輥的傳動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0，由于壓區(qū)主輥通過紙幅的拉力作用于退紙輥，使得它實(shí)際是作與紙幅相同的方向運(yùn)行，這樣退紙輥的速度環(huán)就達(dá)到飽和狀態(tài)并輸出一個(gè)正的最大值作為電流環(huán)的給定值，使得電流環(huán)飽和，這時(shí)電流給定值的大小將由電流限幅值來決定，通過控制電樞輸出轉(zhuǎn)矩的下限來限制實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，從而使得電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到保持張力給定值所需要的值，即實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行時(shí)張力的控制。采用下述公式來設(shè)定輸出力矩下限值：

式中：MLowLimit為力矩下限定值；Tout為張力調(diào)節(jié)器的輸出值；TREF為張力設(shè)定值；DACT為退紙輥紙卷的實(shí)際半徑；K為系數(shù)，一般為0.682 15。

張力調(diào)節(jié)器是一個(gè)PID模塊，輸入變量為張力設(shè)定值與張力傳感器測量出來的實(shí)際值之間的差值。退紙輥紙卷的實(shí)際半徑是通過程序模塊計(jì)算出來，該模塊是利用線速度與角速度的比值計(jì)算出紙卷卷徑。

圖4 張力控制模式原理圖Fig.4 The principle chart of tension control

4）對(duì)于退紙輥而言，隨著紙卷輥徑的縮小，其本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也在不斷發(fā)生變化，對(duì)于變頻傳動(dòng)的雙閉環(huán)系統(tǒng)尤其是外環(huán)速度調(diào)節(jié)器的比例增益參數(shù)P產(chǎn)生很大的影響，不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)該使用不同的P參數(shù)，才能更精準(zhǔn)地控制好速度調(diào)節(jié)器。退紙輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下：

式中：D為退紙輥當(dāng)前的實(shí)際直徑；Dcore為退紙輥輥芯的直徑；b為紙幅寬度；ρ為紙的密度。

計(jì)算出來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)圖5所示的比例圖算出比例增益P參數(shù)的值。

圖5 線性比例圖Fig.5 The line proportional chart

5）當(dāng)退紙輥處于飛接工序時(shí)，擺動(dòng)開關(guān)關(guān)閉，放卷居中，提升臂下降，壓光機(jī)降速到飛接車速，退紙輥電機(jī)連軸器與大紙卷分離，此時(shí)的輸出力矩上、下限幅要分別設(shè)置為15%，－15%，退紙站夾臂打開，提升臂將大紙卷提起，壓區(qū)打開，連軸器與大紙卷銜接，將大紙卷加速至飛接車速。

3.2 卷取區(qū)變頻傳動(dòng)

卷取區(qū)包括6號(hào)卷紙輥主傳動(dòng)，9號(hào)換卷時(shí)用的卷紙輥輔助傳動(dòng)，11號(hào)壓紙輥傳動(dòng)。

6號(hào)卷紙輥主傳動(dòng)，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心傳動(dòng)之一，有以下特點(diǎn)：1）卷紙輥的運(yùn)行受退紙輥乃至壓區(qū)傳動(dòng)的影響，它必須緊隨退紙輥的運(yùn)行步調(diào)，亦步亦趨，其控制方式受卷紙張力開關(guān)的控制，要求保持卷紙張力的恒定；2）與退紙輥一樣，卷紙輥輥徑變化范圍大，通常由1.5～4m之間改變，這也要求電機(jī)有大的調(diào)速范圍。

針對(duì)上述2個(gè)特點(diǎn)，我們采用同樣的策略，使用SINAMICS S120DC／AC多軸驅(qū)動(dòng)單元與SIEMENS N－compact交流電動(dòng)機(jī)。

為了保持張力在卷紙過程中的穩(wěn)定，對(duì)于6號(hào)卷紙輥主傳動(dòng)，必須從以下幾個(gè)方面去控制。

3.2.1 附加力矩的預(yù)先設(shè)定

對(duì)于卷紙輥而言，卷紙過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)變過程，傳動(dòng)電機(jī)要克服卷紙輥的靜態(tài)慣量，加速度慣量及摩擦力做功，如圖6所示。

圖6 卷紙輥轉(zhuǎn)矩示意圖Fig.6 The sketch map of torque of winder

動(dòng)態(tài)平衡公式：

式中：MMOT為電機(jī)輸出力矩；MFRIC為卷紙輥各種形式摩擦力；MINERT為卷紙輥的靜態(tài)慣量和加速度慣量；T為紙幅的張力。

對(duì)于變頻器速度環(huán)，電流環(huán)雙環(huán)控制模式而言，將卷紙輥的慣量MINERT及摩擦力MFRIC之和MPRE作附加力矩值（參數(shù)：P1511）預(yù)先加在電流環(huán)上可加快傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度 。

3.2.2 速度設(shè)定

對(duì)于6號(hào)卷紙輥主傳動(dòng)，在單獨(dú)運(yùn)行或者在引紙時(shí)是速度控制模式，所以速度設(shè)定值就是速度鏈值，而當(dāng)卷紙時(shí)，當(dāng)紙幅張力達(dá)到設(shè)定張力的15%后，該傳動(dòng)點(diǎn)將自動(dòng)切換成張力控制，要求在速度鏈值的基礎(chǔ)上再加小量速度超調(diào)值，一般設(shè)定為0.02，如下式所示：

式中：vSET為6號(hào)卷紙輥主傳動(dòng)速度給定值；vOD為速度超調(diào)值，一般為0.02；vCASECADE為速度鏈值；DCORE為輥芯直徑；DACT為卷紙實(shí)際直徑。

3.2.3 轉(zhuǎn)矩限幅

由于速度設(shè)定值加了一個(gè)超調(diào)值，這樣可使電流環(huán)飽和，通過限制轉(zhuǎn)矩的輸出來達(dá)到卷紙張力的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩上限幅為

式中：MHighLimit為力矩上限幅度；TREF為張力調(diào)節(jié)器的設(shè)定值；TOUT為張力調(diào)節(jié)器的輸出值；K為系數(shù)，一般設(shè)為0.682 15；DACT為實(shí)際卷紙輥半徑；MPRE為卷紙缸的附加力矩的預(yù)先設(shè)定值。

3.2.4 速度環(huán)比例參數(shù)

卷紙輥同退紙輥一樣，隨著紙卷輥徑的變化，其本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也在不斷發(fā)生變化，所以不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也應(yīng)該使用相對(duì)應(yīng)的速度環(huán)比例參數(shù)P，與卷紙輥慣量計(jì)算公式有所不同，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下：

式中：D為退紙輥當(dāng)前的實(shí)際直徑；Dcore為退紙輥輥芯的直徑；b為紙幅寬度；ρ為紙的密度；K為動(dòng)態(tài)系數(shù)，在本系統(tǒng)設(shè)置為0.068 43。

3.3 壓區(qū)變頻傳動(dòng)

VOITH Janus 2TM型壓光機(jī)壓區(qū)包括13～16號(hào)可控中高輥傳動(dòng)，1～4號(hào)熱輥傳動(dòng)與17，18號(hào)軟輥傳動(dòng)，還包括一個(gè)19號(hào)導(dǎo)紙輥傳動(dòng)，壓區(qū)的傳動(dòng)特點(diǎn)如下。

1）在引紙或飛接換卷時(shí)，液壓系統(tǒng)使底輥與頂輥要分離，壓區(qū)打開，這樣可控中高輥，熱輥與軟輥之間互不接觸，輥與輥之間沒有擠壓摩擦。紙由輥之間的縫隙通過壓區(qū)。

2）當(dāng)處于壓光時(shí)，液壓系統(tǒng)將鋼輥與可控中高輥及膠輥閉合，壓區(qū)閉合，可控中高輥傳動(dòng)與軟輥傳動(dòng)停止運(yùn)行，只有1～4號(hào)熱輥傳動(dòng)運(yùn)行。2，4號(hào)傳動(dòng)為主傳動(dòng)，1，3號(hào)傳動(dòng)是輔助傳動(dòng)。在液壓系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和自控系統(tǒng)的控制下對(duì)紙頁進(jìn)行單面或者是雙面的壓光，定輥與底輥的速度必須保持同步。

針對(duì)壓區(qū)傳動(dòng)的特點(diǎn)，變頻傳動(dòng)設(shè)計(jì)如下。

1）對(duì)于可控中高輥傳動(dòng)與軟輥傳動(dòng)而言，在正常壓光時(shí)，它們不運(yùn)行，輥?zhàn)邮强颗c熱輥之間的摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，在引紙，飛接換卷或者是一些異常緊急情況時(shí)，需要開啟運(yùn)行，考慮傳動(dòng)之間的連接介質(zhì)為紙頁，為了防止紙頁因?yàn)閭鲃?dòng)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)矩用力不均勻而斷頭，需要將13～16號(hào)可控中高輥傳動(dòng)及17，18號(hào)軟輥設(shè)計(jì)為滑差補(bǔ)償控制模式。

2）1，2 號(hào)熱輥兩傳動(dòng)并沒有挨在一起，中間間隔了一軟輥，這2個(gè)熱輥不僅要求速度同步，還要要求負(fù)載率相同，為了適應(yīng)紙張通過壓區(qū)時(shí)，速度快速穩(wěn)定且無振蕩，這2臺(tái)傳動(dòng)必須能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化，為此設(shè)計(jì)為負(fù)荷分配控制模式，2號(hào)為主傳動(dòng)，1號(hào)為輔助傳動(dòng)。這種模式能夠保持速度穩(wěn)定，分配平衡，如圖7所示，將1號(hào)變頻器速度設(shè)定值適量給予超調(diào)值（一般設(shè)置為0.02），但同時(shí)它的輸出力矩上限值被牢牢限制為2號(hào)變頻器的轉(zhuǎn)矩的實(shí)際輸出值，這樣可以確保主輔傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩基本保持平衡，以達(dá)到負(fù)荷分配的目的。

圖7 負(fù)荷分配控制模式原理圖Fig.7 The principle chart of load distribution control

3）對(duì)于3，4號(hào)熱輥傳動(dòng)，為了保持紙頁通過整個(gè)壓區(qū)時(shí)保持相應(yīng)的張力，4號(hào)傳動(dòng)被設(shè)置為張力控制模式，同時(shí)這兩個(gè)傳動(dòng)之間同上述1，2號(hào)熱輥傳動(dòng)一樣采用負(fù)荷分配控制模式。圖8為4號(hào)主傳動(dòng)速度給定值原理圖。

圖8 速度設(shè)定值原理圖Fig.8 The principle chart of speed setting

圖8中CASC＿IN為速度鏈值，TN＿OUT是張力調(diào)節(jié)器輸出，張力調(diào)節(jié)器的輸出值乘2%后作為附加速度給定參與速度的調(diào)節(jié)。當(dāng)實(shí)際張力大于設(shè)定張力，調(diào)節(jié)器將輸出負(fù)值，速度將調(diào)慢，當(dāng)實(shí)際張力小于設(shè)定張力，調(diào)節(jié)器將輸出正值，速度將調(diào)快。

3.4 冷缸變頻傳動(dòng)

7，8號(hào)變頻傳動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)冷缸，從壓區(qū)出來的不遠(yuǎn)位置安裝了一張力輥，為了保持壓區(qū)出口張力的穩(wěn)定，7號(hào)傳動(dòng)為張力控制模式，8號(hào)傳動(dòng)在7號(hào)傳動(dòng)的后面，采用軟特性（下垂特性）控制，如圖9所示。

圖9 軟特性控制模式原理圖Fig.9 The principle chart of droop control

當(dāng)7號(hào)傳動(dòng)的力矩大于8號(hào)傳動(dòng)的力矩，會(huì)有一個(gè)速度附加正值給8號(hào)傳動(dòng)，從而使其速度加快，輸出力矩上升，分擔(dān)負(fù)荷，當(dāng)7號(hào)傳動(dòng)的力矩小于8號(hào)傳動(dòng)的力矩，會(huì)有一個(gè)速度附加負(fù)值給8號(hào)傳動(dòng)，從而使其速度變慢，輸出力矩下降，卸載負(fù)荷。

4 運(yùn)行效果

該傳動(dòng)系統(tǒng)自2010年8月份調(diào)試結(jié)束，投產(chǎn)運(yùn)行至今，速度運(yùn)行穩(wěn)定，紙幅張力控制平穩(wěn)，張力調(diào)節(jié)器能夠快速響應(yīng)負(fù)載的變化，如圖10所示。隨著退紙輥輥徑的縮小，卷紙輥輥徑的放大，紙幅張力值始終保持在一個(gè)平穩(wěn)的水平，各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)行線速度保持一致。

圖10 紙幅實(shí)際張力記錄曲線圖Fig.10 The curve record of actual tension of paper

5 結(jié)論

紙幅張力控制是壓光機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵之一，穩(wěn)定的紙幅張力是紙幅展開與壓光的至關(guān)因素。正確選用紙幅張力值能在很大程度上減少斷頭，保持壓光機(jī)工作穩(wěn)定，我們?cè)谠O(shè)備調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)在換卷過程中紙幅經(jīng)常斷頭，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)與調(diào)試發(fā)現(xiàn)，壓光機(jī)在壓光工序與換卷工序切換時(shí)，張力設(shè)定值必須要?jiǎng)討B(tài)變換，張力值在換卷時(shí)調(diào)低到壓光時(shí)的三分之二時(shí)可以避免紙幅斷頭。于是我們?cè)O(shè)計(jì)出一套程序邏輯控制在不同工序時(shí)段，4個(gè)紙幅張力調(diào)節(jié)區(qū)域的張力設(shè)定值自動(dòng)切換，有效解決了紙幅斷頭問題。

［1］福伊特公司.Operation Manual Janust MK 2TM［Z］.2010.

［2］西門子公司.SINAMICS S120Commissioning Manual［Z］.2009.

［3］西門子公司.SINAMICS S120Function Manual［Z］.2009.