超級壓光機不停機飛接技術(shù)的實現(xiàn)

劉棟

（西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動技術(shù)集團，廣東 廣州 510620）

1 引言

超級壓光機是利用軟輥把經(jīng)過高溫壓區(qū)受熱變軟的紙頁壓帖在光滑的金屬熱輥面上，使紙的緊度趨于一致，并使其有非常均勻、精致的平滑表面。作為紙頁后續(xù)加工的超級壓光機，可以改變紙的表面物性，使其達到印刷要求。如今超級壓光機的設(shè)計理念已有了較大突破，朝著高速法，全自動化方向快速發(fā)展，紙卷飛接技術(shù)得到應(yīng)用并日益成熟，可實現(xiàn)全日不停機運轉(zhuǎn)，從而大大提高生產(chǎn)效率。本文以VOITH Janus MK 2TM型超級壓光機為例就壓光機不停機飛接技術(shù)的實現(xiàn)展開論述。

2 系統(tǒng)介紹

如圖1 所示，VOITH Janus MK 2TM型超級壓光機由放卷區(qū)，壓區(qū)，冷缸區(qū)與卷紙區(qū)等四部分組成。原紙從放卷裝置處經(jīng)引紙輥進入壓區(qū)，依次通過2 堆5 輥4 壓區(qū)后進入冷缸區(qū)冷卻后最后入卷紙區(qū)中心輥收卷。

圖1 超級壓光機概圖［2］Fig.1 The sketch map of super calender［2］

2.1 機械結(jié)構(gòu)

放卷區(qū)域主要由紙卷存儲軌道、放卷機架、放卷主傳動、空輥提升臂、飛接壓紙輥、導紙輥和安全光柵等組成，該區(qū)域主要是用來對大紙卷進行解卷。紙卷存儲軌道上可以暫存多個大紙卷，在此處可以準備飛接用的大紙卷，或回抄打底損紙。放卷機架可以進行左右移動，對紙幅居中以提高放卷質(zhì)量。安全光柵用來保護設(shè)備安全及人身安全，一旦人進入相關(guān)區(qū)域?qū)缶嵝选?/p>

壓區(qū)上共有10 根輥，頂?shù)纵仦榭煽刂懈咻?，中間幾個輥分別為鋼輥與膠輥。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°。

冷缸區(qū)域由兩根輥組成，內(nèi)部通有冷水，起到冷卻紙幅的作用。

卷取區(qū)域主要由修邊切刀、QCS 掃描架、Sensomat 機架、卷取機架、空輥架、空輥置入臂、紙卷輸送軌道、二次傳動退卷臂及安全光柵等組成。卷取區(qū)域主要是對大紙卷進行修邊，QCS 掃描架對紙幅上下光澤度，厚度，水分進行檢測，卷取傳動對壓后的紙幅進行卷取，也可以對大紙卷進行飛接或換卷。

2.2 傳動系統(tǒng)

VOITH Janus MK 2TM型超級壓光機傳動系統(tǒng)采用SIEMENS SINAMICS S120 高性能變頻器和SIEMENS COMPACT_P 系列高性能變頻電機。傳動系統(tǒng)采用公共直流母線交流方案，整流裝置使用SINAMICS S120 大功率整流回饋裝置 SLM，逆變器使用 SINAMICS S120 Motor Module。

超級壓光機在快速啟動、停止以及中間連續(xù)調(diào)速過程中必須保證紙幅張力的穩(wěn)定，否則收卷的紙幅就會卷曲、折疊甚至斷裂，嚴重影響生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。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)中間分別安裝了一臺ABB 枕式張力傳感器參與紙幅的張力控制。超級壓光機傳動集合了速度控制、張力控制、速度軟化控制等傳動控制模式。放卷主傳動在引紙時為速度控制，當紙引入中心輥后紙幅張力上升到一定值后切換成張力控制。壓區(qū)上半部分（1 壓區(qū)）鋼輥傳動為速度控制，壓區(qū)下半部分（2 壓區(qū)）鋼輥在引紙時為速度控制，當壓區(qū)閉合后為張力控制。壓區(qū)其余的膠輥傳動為速度控制。冷缸傳動在引紙時為速度控制，當壓紙輥閉合后為張力控制。卷紙中心輥傳動在引紙時為速度控制，當紙引入中心輥后紙幅張力上升到一定值后切換成張力控制。

3 飛接功能的實現(xiàn)

超級壓光機的飛接功能就是要求在不停機的工況下，上一個原紙卷放完卷之際，壓光機 DCS 控制系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)接合機械系統(tǒng)能自動完成下一個新紙卷的接入。控制系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)為了實現(xiàn)這個飛接功能，相互之間的通信信號如1 表所示。

表1 壓光機DCS 控制系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)之間的通信信號Tab.1 The communication signals between DCS and driver system

關(guān)鍵幾個控制信號時序圖如圖2 所示。

圖2 關(guān)鍵控制信號時序圖Fig.2 The sequence diagram of key control signals

3.1 放卷區(qū)域的飛接

大紙卷在放卷站上放卷，當其紙幅被放出預(yù)先規(guī)定的長度后，開始進入飛接流程，超級壓光機的整個車速開始降速，直至飛接車速（一般設(shè)置為40 m/min），放卷機架的擺動開關(guān)關(guān)閉，并使放卷機架居中，放卷提升臂在液壓裝置的作用下開始下降，到達一定位置后逐步夾緊大紙卷連軸器，然后放卷輥傳動電機聯(lián)軸器打開，與大紙卷分離。接著放卷站夾臂打開，提升臂將大紙卷提起。從紙卷存儲軌道上過來一個新的母紙卷，放卷輥傳動電機的聯(lián)軸器插入該紙卷后并將大紙卷從靜止加速至飛接車速。大紙卷加速到飛接速度后，飛接輥將放完卷后的大紙卷上的尾紙壓向新的大紙卷上，然后將放卷后紙卷上的紙切斷，同時壓區(qū)打開以便新的大紙卷上的紙幅通過壓區(qū)。被抬升起的空的卷紙輥用行車吊走。

3.2 放卷輥傳動的控制

對于放卷輥傳動來說，在飛接過程中的控制是一項比較復(fù)雜的工作。放卷輥傳動電機只有在引紙時或者飛接與紙卷分離時才是電動力矩狀態(tài)，在正常工作時，為了保持紙幅的張力在一定的數(shù)值，它長期處于制動力矩狀態(tài)，所以在引紙時，放卷輥傳動的速度為爬行速度，當控制系統(tǒng)給傳動系統(tǒng)發(fā)出“開始飛接速度”命令后，放卷輥傳動電機開始降速，在整個降速這個時間段內(nèi)，放卷輥傳動是屬于張力控制模式，當其速度到達飛接速度后，進入飛接工序，放卷輥傳動的張力調(diào)節(jié)器關(guān)閉，進入到速度控制模式，此時壓區(qū)打開，放卷站夾臂打開，提升臂開始夾住紙輥，放卷輥傳動電機聯(lián)軸器與紙輥分離，隨后減速至停止。隨后新的大紙卷進入到放卷輥傳動電機聯(lián)軸器位置，在飛接時，當放卷輥傳動電機聯(lián)軸器要接入大紙卷時，要用點動速度，如下圖3 所示。當一次臂傳動（放卷輥）電機聯(lián)軸器還未接入大紙卷時，該傳動電機以很低的速度正向，反向來回轉(zhuǎn)動。當電機聯(lián)軸器接合大紙卷后，傳動電機速度給定值為零，停止正向，反向來回轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)為正向轉(zhuǎn)動?？刂葡到y(tǒng)給傳動系統(tǒng)發(fā)出“飛接結(jié)束”命令后延時1 s，放卷輥傳動張力調(diào)節(jié)器激活，由速度控制切換為張力控制。

圖3 放卷輥傳動電機點動速度原理邏輯圖Fig.3 The jog speed logic diagram of unwinder driver

為了防止傳動電機輸出力矩過大在接合大紙卷過程中損壞聯(lián)軸器，此時需要對其進行限幅，輸出轉(zhuǎn)矩的上、下限幅為額定轉(zhuǎn)矩的15%或者更低。

當進入到壓光工序時，放卷輥傳動速度給定值要為零，而通過張力調(diào)節(jié)器的輸出與張力給定值限制放卷輥傳動力矩輸出的下限幅來實現(xiàn)制動力矩，給予紙幅的適度的反向拉力。

3.3 卷取區(qū)域的飛接

飛接開始后，放卷機架擺動開關(guān)關(guān)閉，接著放卷機架開始居中，二次臂中心輥傳動馬達移到初始位置，加載臂移動到水平位置，整個壓光機開始降速到飛接車速，二次臂中心輥傳動代替一次臂中心輥傳動驅(qū)動大紙卷，加載臂在卷紙輥存儲架上取得一空卷紙輥，sensomat 機架向后移動，二次臂中心輥傳動將卷好后的大紙卷拖到第二位置，加載臂將空輥放入卷取站，鎖緊臂將其鎖緊，加載臂移回原始位置。Sensomet 壓紙輥壓向空卷紙輥，放卷部開始飛接，飛接輥移到等待位置。預(yù)先設(shè)定好的時間到后，紙幅被飛接輥上的鋸齒刀切斷并在吹氣管的作用下卷取到空輥上，卷取部換卷過程結(jié)束。大紙卷在移出臂的作用下，從第二位置移向紙卷輸送軌道的中間存儲站。

3.4 卷紙區(qū)域傳動的控制

卷紙區(qū)域共有3 個主傳動，如圖4 所示。分別為sensomet（壓紙輥）傳動，一次臂中心輥傳動和二次臂中心輥傳動。

圖4 卷紙區(qū)域前視圖［1］Fig.4 The front view of rewinder［1］

當傳動系統(tǒng)接收到來自控制系統(tǒng)的命令“開始飛接速度”后，卷紙區(qū)中心輥主傳動電機開始減速，當速度降到飛接速度（40 m/min），將反饋信號“飛接速度達到”給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)命令二次臂中心輥傳動速度與一次臂傳動同步，一旦二次臂傳動與一次臂傳動的速度同步后，二次臂聯(lián)軸器開始去連接此時正在由一次臂傳動驅(qū)動的大紙輥，如果二次臂傳動電機聯(lián)軸器與大紙卷接合成功，承荷大紙卷轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩將在規(guī)定的時間內(nèi)逐步從一次臂傳動轉(zhuǎn)到二次臂傳動上來，也就是說，一次臂傳動電機輸出的轉(zhuǎn)矩逐步減少，二次臂傳動電機輸出的轉(zhuǎn)矩逐步增加，但兩者輸出的總的轉(zhuǎn)矩要保持穩(wěn)定不變。這樣對紙的張力就會保持不變。當一次臂傳動的輸出力矩下降到零后，它的聯(lián)軸器將與大紙卷分離，然后降速停車。二次臂傳動電機帶著大紙輥以飛接的速度繼續(xù)轉(zhuǎn)動同時在移動小車的帶動下移出到行車可吊裝位置?？蛰佂ㄟ^加載臂下降到一次臂傳動電機所在的水平位置后，一次臂傳動電機的聯(lián)軸器在點動速度控制下接入空輥，控制系統(tǒng)發(fā)送命令“同步一次臂傳動電機速度”，一次臂傳動電機再次啟動并上升到飛接速度，當紙幅在風管強風吹掃下卷取到空輥上后，控制系統(tǒng)發(fā)出命令“一次傳動電機承荷起負載”，此次一次臂傳動將由先前的速度控制切換為張力控制，承載的轉(zhuǎn)矩從二次臂傳動轉(zhuǎn)移到一次臂傳動上來。飛接結(jié)束后，二次臂傳動帶著大紙卷降速至停車，一次臂傳動將升速到工作車速。

4 飛接過程中關(guān)鍵難點的解決途徑

4.1 飛接過程中紙幅張力的控制

放卷區(qū)域在飛接過程中，有兩個時間節(jié)點會對紙幅張力產(chǎn)生很大的影響，一個是當放卷提升臂夾住大紙輥，同時放卷輥傳動電機聯(lián)軸器與大紙輥分離時，另外一個是在放卷提升臂夾住的大紙輥與放卷輥傳動驅(qū)動的大紙輥紙幅粘合的過程中。同樣在卷紙區(qū)域，一次臂傳動與二次臂傳動在換卷時也會對紙幅張力產(chǎn)生影響。為了盡可能的降低對紙幅張力的影響，圖5 所示需要對壓光機4 個區(qū)域段內(nèi)（放卷，壓區(qū)，冷缸，卷紙）的張力控制在不同工序階段作出調(diào)整。

圖5 超級壓光機張力控制分布圖Fig.5 The tension control sketch map of super calender

在正常工作（壓光）階段，四個區(qū)域的傳動系統(tǒng)張力調(diào)節(jié)器的張力設(shè)定值要根據(jù)紙幅繃緊的程度作出相應(yīng)的設(shè)置，但是進入到飛接工序時，由于壓區(qū)打開，紙幅通過放卷傳動馬達把紙幅放出，中間經(jīng)過壓區(qū)，冷缸區(qū)及至抵達卷紙輥被收卷，中間沒有被任何外界設(shè)備壓貼。所以前三個張力調(diào)節(jié)器要關(guān)閉，而且關(guān)閉的順序必須依次為：壓區(qū)，然后冷缸區(qū)，最后放卷區(qū)，但是卷紙區(qū)張力調(diào)節(jié)器不能關(guān)閉，這樣在飛接開始前，能保證在壓區(qū)打開之際，紙幅依然保持適度繃緊狀態(tài)。同時在飛接過程中，張力設(shè)定值要降到原來值的0.75 倍，因為飛接時，在所有壓區(qū)打開的情況下紙幅不能繃得太緊，否則放卷區(qū)域的紙幅很難銜接。當飛接過程結(jié)束后，四個區(qū)域的張力設(shè)定值要回歸到原值，張力調(diào)節(jié)器激活的順序必須依次為：放卷區(qū)，然后壓區(qū)，最后是冷缸區(qū)。

4.2 飛接過程中換卷時卷紙區(qū)域一次臂傳動與二次臂傳動輸出轉(zhuǎn)矩的控制

飛接過程中，一次臂傳動與二次臂傳動經(jīng)歷從單一驅(qū)動紙輥到同時驅(qū)動紙輥再到單一驅(qū)動紙輥過程，這個對傳動控制帶來了難度，如果任何一個驅(qū)動的輸出力矩控制不好都會造成聯(lián)軸器無法接入紙卷，或者拉斷紙幅等故障。所以對這一次臂，二次臂傳動的輸出轉(zhuǎn)矩的控制成為關(guān)鍵。

飛接工序開始后，當從放卷區(qū)域過來的紙幅接頭抵達中心輥后，二次臂傳動的輸出轉(zhuǎn)矩被限制在15%以內(nèi)，這樣為了防止傳動電機輸出力矩過大在接入大紙輥的過程中損壞聯(lián)軸器，一旦二次臂傳動聯(lián)軸器成功接入到大紙輥后，將反饋狀態(tài)信號“二次臂傳動電機聯(lián)軸器與大紙卷接合”給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)立即給出命令“二次臂傳動電機承荷起負載”給傳動系統(tǒng)，由紙幅張力產(chǎn)生的負載將轉(zhuǎn)移到二次臂傳動電機上，由于二次臂傳動此時已經(jīng)由速度控制切換為張力控制，速度處于超調(diào)狀態(tài)，所以我們通過紙幅張力設(shè)定值可以計算出轉(zhuǎn)矩值，紙幅張力體現(xiàn)在傳動上的力矩關(guān)系為：

式中：Tq為 轉(zhuǎn)矩，N?m ；Tn為 張力，N?m ；W為紙幅寬度，m；D為輥直徑，m。

根據(jù)這個公式將紙幅張力換算成力矩值，再把這個力矩值作為二次臂傳動輸出力矩的上限幅，這樣就可以二次臂傳動輸出適度的力矩拉緊紙幅。

當負載全部轉(zhuǎn)移到二次臂傳動電機上后，一次臂傳動輸出的力矩要限制為0，并通過液壓裝置將聯(lián)軸器與大紙卷分離。隨后當一次臂傳動電機聯(lián)軸器要接入空輥芯時，輸出轉(zhuǎn)矩也要被限制在15%以內(nèi)。當控制系統(tǒng)給出命令“一次傳動電機承荷起負載”，此時的一次臂傳動電機由速度控制切換為張力控制，輸出轉(zhuǎn)矩的上限幅的計算同樣根據(jù)前面的公式所述。

5 結(jié)論

超級壓光機不停機飛接技術(shù)是一項復(fù)雜的技術(shù)，控制的對象多而且精度要高，涉及到PLC 控制系統(tǒng)，變頻傳動系統(tǒng)以及液壓等機械系統(tǒng)。通過我們在現(xiàn)場多次試驗，不斷修正參數(shù)，終于實現(xiàn)了能夠無需人干預(yù)，能自動正確完成更換紙卷，運行狀態(tài)良好，大大節(jié)約了時間，提高了工作效率。目前這套方案在國內(nèi)多個超級壓光機項目上得到了成功的應(yīng)用。

［1］Operation Manual Janust MK 2TMVoith 02/2010.

［2］SINAMICS S120 Commissioning Manual10/2011.

［3］SINAMICS S120 Function Manual 10/2011.