復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制分析

王冠俊

摘 要：本文分析了復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，介紹了復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)工藝流程，復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，復(fù)卷機(jī)的控制系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：復(fù)卷機(jī);傳動(dòng);控制

卷取和分切工藝廣泛應(yīng)用于造紙行業(yè)、紡織行業(yè)。在造紙車間的下引紙復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常遇到成品紙卷斷頭較多、紙卷端面粗糙、串紙現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，這些問題可能是復(fù)卷機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，紙幅張力不穩(wěn)定造成的。為了改善成品紙卷的質(zhì)量，提高造紙車間的生產(chǎn)效率，研究和改進(jìn)下引紙復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)的恒張力控制系統(tǒng)成為技術(shù)關(guān)鍵，即能否實(shí)現(xiàn)退紙輥的恒定張力控制。如果達(dá)不到張力恒定的控制要求，將嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行效果，且成品紙卷質(zhì)量達(dá)不到客戶要求。退紙輥的恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下部分： 退紙輥直徑計(jì)算功能、張力給定控制功能、直接張力檢測(cè)功能、紙幅慣量補(bǔ)償功能以及加減速過(guò)程動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能。

一.復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)工藝流程

按照引紙方向和硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，一般意義上的復(fù)卷機(jī)有三種類型：雙底棍上引紙復(fù)卷機(jī)、雙底棍下引紙復(fù)卷機(jī)、單輥式復(fù)卷機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)上這幾種復(fù)卷機(jī)的區(qū)別相對(duì)較大。

復(fù)卷機(jī)按照卷紙工藝，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可以分為卷取部分和放卷部分。其中卷取部分由壓紙輥、紙芯、卸紙托架、前底輥、后底輥、弧形板、圓刀、舒展器、張力棍、推紙輥、引紙托架、前、后底輥電機(jī)和相應(yīng)動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣控或液壓?jiǎn)卧M成。壓紙輥利用本身的重力和提升氣缸或油缸時(shí)產(chǎn)生受力之差形成一個(gè)向下的力，這個(gè)力就是壓紙輪的壓力。前、后底輥是卷取部分的主要機(jī)構(gòu)，兩個(gè)電機(jī)通過(guò)減速箱分別與前、后底輥連接在一起，用來(lái)驅(qū)動(dòng)前、后底輥運(yùn)轉(zhuǎn)。而圓刀一般是好幾把刀接在同一根橫軸上，其中最外面的兩把刀稱為邊刀，用于將紙邊切平，而中間的那幾把刀稱為中刀，中刀主要用來(lái)將紙幅切成成品所需的各種寬度。張力輥的兩邊機(jī)架上通常用來(lái)安裝張力傳感器，張力傳感器可以測(cè)量并反饋紙張?jiān)趶?fù)卷時(shí)的實(shí)時(shí)張力，這種使用張力傳感器的張力控制稱為復(fù)卷機(jī)的直接張力控制。放卷部由退紙輥、聯(lián)軸器、退輥電機(jī)以及相應(yīng)氣控單元組成。退紙輥是一個(gè)兩頭帶有聯(lián)軸器的鋼制圓輥，通過(guò)退紙輥聯(lián)軸器與減速器和退紙輥電機(jī)連在一起。生產(chǎn)出來(lái)的原紙卷放置在退紙架上，退紙輥上的制動(dòng)裝置在斷紙時(shí)使紙卷快速制動(dòng)以減少紙張損失。

當(dāng)復(fù)卷機(jī)在工作的時(shí)候，放在退紙架上待復(fù)卷的紙幅從退紙輥引出，通過(guò)遞紙裝置和導(dǎo)紙輥，經(jīng)過(guò)弧形舒展后，通過(guò)縱切圓刀，再經(jīng)過(guò)弧形輥，繞過(guò)后底輥而纏卷在成品卷紙筒上，由兩個(gè)底輥驅(qū)動(dòng)而牽動(dòng)紙頁(yè)前進(jìn)。

二.復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

復(fù)卷機(jī)程序設(shè)計(jì)的控制目的包含以下四方面：①后底輥速度控制; ②前底輥速度及轉(zhuǎn)矩限幅控制;③退紙輥速度及恒張力控制; ④壓紙輥的壓力控制。復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)就是圍繞以上控制目的展開一系列滿足控制工藝要求的程序設(shè)計(jì)。

從后底輥控制的程序設(shè)計(jì)開始，后底輥是復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的主點(diǎn)，其速度給定值由操作屏設(shè)定，在引紙過(guò)程中為引紙速度給定，在運(yùn)行過(guò)程中為運(yùn)行速度給定。在程序中，通過(guò)引紙狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)的邏輯控制進(jìn)行引紙或運(yùn)行速度選擇。在操作屏設(shè)置參數(shù)中可以對(duì)程序中的速度斜坡函數(shù)加速時(shí)間和減速時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)紙品和復(fù)卷機(jī)工藝的要求設(shè)置加速時(shí)間和減速時(shí)間為100～180s。

前底輥的速度跟隨后底輥的速度，后底輥的速度斜坡輸出值作為前底輥的速度給定值。在引紙狀態(tài)下，前底輥的速度給定值和后底輥的速度給定值相同，并且對(duì)前底輥轉(zhuǎn)矩值不進(jìn)行限幅; 在運(yùn)行狀態(tài)下，前底輥的速度給定值是后底輥速度給定值的1.05～1.2倍。前后底輥的運(yùn)行速度為后底輥給定速度，而前底輥的速度給定值卻未達(dá)到，目的是為了讓前底輥轉(zhuǎn)矩值達(dá)到正轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài)，以便于對(duì)前底輥的正轉(zhuǎn)矩限幅進(jìn)行控制。后底輥的實(shí)際反饋值乘以前底輥轉(zhuǎn)矩剪刀差系數(shù)，得到的數(shù)值作為前底輥的正轉(zhuǎn)矩限幅給定值。實(shí)際的效果是前底輥速度和后底輥速度一樣，且等于后底輥的給定速度，但前底輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩值卻比后底輥實(shí)際轉(zhuǎn)矩值大，這樣形成前后底輥轉(zhuǎn)矩剪刀差效果，目的在于提高成品紙卷的緊度，達(dá)到成品紙卷的質(zhì)量要求。

為使退紙輥達(dá)到恒張力控制，就必須了解退紙輥的傳動(dòng)工藝。退紙輥的速度給定分為引紙速度給定和運(yùn)行速度給定。退紙輥的引紙速度給定值和后底輥的引紙速度給定值相同，目的是保持相同的引紙速度，但必須在操作屏設(shè)置正確的退紙輥直徑。退紙輥的運(yùn)行速度給定值是反向速度給定值，在紙幅的拉動(dòng)下，退紙輥處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，才能達(dá)到負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài)，

軟件設(shè)計(jì)的程序只需控制退紙輥負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅值的大小，并保持負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅值與退紙輥的直徑成正比，即保持紙幅的張力恒定，實(shí)現(xiàn)退紙輥恒張力控制。退紙輥張力給定值分為停止張力給定值、引紙張力給定值和運(yùn)行張力給定值，通過(guò)程序邏輯控制進(jìn)行張力給定值選擇，通過(guò)在操作屏進(jìn)行張力加減速時(shí)間設(shè)置，將張力選擇輸出值進(jìn)行張力斜坡函數(shù)計(jì)算輸出。后底輥速度反饋值與退紙輥速度反饋值通過(guò)公式計(jì)算得到退紙輥的實(shí)時(shí)直徑。將張力斜坡輸出值與退紙輥直徑進(jìn)行公式計(jì)算，得到退紙輥負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅給定值，并將退紙輥慣量補(bǔ)償值、退紙輥電機(jī)慣量補(bǔ)償值和加減速過(guò)程中動(dòng)態(tài)慣量補(bǔ)償值進(jìn)行計(jì)算，疊加得到退紙輥負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅給定值。將此值轉(zhuǎn)換為調(diào)速器輸出的負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅標(biāo)稱值，從而對(duì)退紙輥進(jìn)行恒張力控制。

三.復(fù)卷機(jī)的控制系統(tǒng)

復(fù)卷機(jī)通常具有4 個(gè)主要的控制參數(shù)，分別為線壓、兩底輥電流、張力以及車速。這4 個(gè)參數(shù)主要是對(duì)紙卷的硬度有產(chǎn)生影響，在不斷增加車速的情況下，會(huì)降低紙卷的硬度，這主要是因?yàn)榧埦懋?dāng)中進(jìn)入較多空氣。大多數(shù)企業(yè)都是將車速進(jìn)行固定。以下介紹線壓、兩底輥電流、張力對(duì)紙卷硬度的影響及其控制。

（一）線壓

復(fù)卷機(jī)的線壓主要是底輥與紙卷之間的線壓力，復(fù)卷機(jī)線壓影響紙卷硬度主要表現(xiàn)在隨著線壓的不斷增加也相應(yīng)增加了紙卷的硬度，隨著線壓的不斷減小也相應(yīng)減小了紙卷的硬度。

（二）兩底輥電流

為實(shí)現(xiàn)成紙卷硬度可控制，做到內(nèi)緊外松，兩底輥實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷需要剪刀差控制，即兩輥的給定速差按成紙卷的直徑從小變大作一定的調(diào)整，使兩輥的負(fù)荷差隨成卷直徑變化。

（三）復(fù)卷機(jī)的張力

主要是指退卷部與卷取部之間紙頁(yè)每米寬度所受的拉力（單位N/m），主要是通過(guò)退卷部放卷電機(jī)進(jìn)行控制，張力對(duì)紙卷硬度的影響主要表現(xiàn)在增加紙頁(yè)張力和紙卷硬度，減小紙頁(yè)張力和紙卷硬度。

引紙期間，不需要人工控制張力，系統(tǒng)會(huì)按照算法進(jìn)行張力自動(dòng)投入或者解除，自動(dòng)調(diào)節(jié)。這樣可以有效簡(jiǎn)化操作步驟，加強(qiáng)可靠性以及工作效率。在實(shí)際運(yùn)行期間，按照紙張性能，需要設(shè)定合適的張力，之后不需要進(jìn)行額外操作。按照內(nèi)核建立的數(shù)學(xué)控制模型，全程自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)的放卷扭矩，無(wú)論卷徑大小，無(wú)論快慢，無(wú)論加速減速，均能保持穩(wěn)定的張力。

（四）速度和加速度

S 曲線控制主車速，對(duì)于每一個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn)都通過(guò)優(yōu)化補(bǔ)償算法，確保計(jì)算的精確度，這樣即使加減速度處于較高狀態(tài)，也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的速度跟隨性。

（五）成紙卷停車

一種是按照預(yù)先設(shè)定的成卷紙長(zhǎng)度，提前計(jì)算停車時(shí)間點(diǎn)，使得停車后的累計(jì)長(zhǎng)度與設(shè)定值一致;還有一種是設(shè)定成紙卷直徑，自動(dòng)提前計(jì)算停車時(shí)間點(diǎn)。

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