造紙機是由一系列配套設備組成的聯(lián)合機，分濕部和干部?jì)纱蟛糠�。濕部包括上漿流送系統、網(wǎng)部和壓榨等部分，干部包括烘干、壓光和卷取等部分。其生產(chǎn)流程一般是漿料通過(guò)上漿流送系統，傳送到造紙機生產(chǎn)流水線(xiàn)的前端流漿箱，然后漿流由此依次通過(guò)網(wǎng)部、壓榨、前烘缸、后壓榨、后烘缸、壓光機和卷紙機等在內的分部設備，成為原紙；原紙又可以另外進(jìn)入機外涂布和復卷機產(chǎn)出成品紙。

造紙是一個(gè)連續生產(chǎn)的過(guò)程，因此生產(chǎn)線(xiàn)的連續和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。變頻調速作為90年代中期后最強有力的控制方式進(jìn)入了原本屬于直流調速（適用于大中造紙機）和滑差電機（適用于中小紙機）天下的造紙領(lǐng)域，并已近取得良好的市場(chǎng)效果。

交流變頻調速技術(shù)以其卓越的調速性能、顯著(zhù)的節電以及在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式。直流調速系統在造紙機的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環(huán)境能力差等原因，到了90年代已嚴重制約了造紙整機的性能價(jià)格比。而變頻調速技術(shù)能最大程度上發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點(diǎn)（結構簡(jiǎn)單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠、動(dòng)態(tài)響應好等），再加上變頻調速理論上已形成一門(mén)相對獨立的學(xué)科，變頻調速技術(shù)全面應用于造紙機生產(chǎn)線(xiàn)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了。

變頻調速及其控制技術(shù)在造紙機生產(chǎn)線(xiàn)上的應用有以下幾點(diǎn)：

（1）造紙機上漿系統的變頻調速控制

造紙機上漿系統負責將紙漿通過(guò)漿泵、沖漿泵、多級篩等設備輸送到造紙機網(wǎng)部流漿箱的過(guò)程，其中漿泵和沖漿泵為最重要的設備，因為它們關(guān)系到成形紙的質(zhì)量，尤其是克重，因此必須采用變頻控制才能達到造紙機的設計要求。實(shí)踐證明，安裝變頻裝置能適應不同車(chē)速、不同品種的用量變化，使漿泵組的運行始終處于高效狀態(tài)。另外，采用變頻控制時(shí)，電動(dòng)機和漿泵的轉速下降，軸承等機械部件磨損降低，泵端密封系統不易損壞，機泵的故障率大為降低，維修工作量也隨之減少。

上漿工藝必須符合以下要求：

1、向造紙機的網(wǎng)部輸送的漿料量一定要穩定，誤差不超過(guò)±5%。

2、漿料的配比和濃度要穩定、均勻。

3、對漿料進(jìn)行凈化精選等，因此對漿泵和沖漿系的速度控制是保證第（1）、（2）項實(shí)現的重中之重。

下面以沖漿泵為例來(lái)說(shuō)明速度控制的流程：該變頻控制采用雙閉環(huán)系統的速度控制方式（如圖一所示），外環(huán)是速度閉環(huán)（V-控制），內環(huán)是電流或轉矩閉環(huán)（I-控制）。沖漿泵速度的設定值一方面是由漿速和網(wǎng)速比變化而獲得的V設定，另一方面是來(lái)自于流漿箱的壓力控制器（P一控制）。前者是主調，后者是微調。造紙機的漿速和網(wǎng)速比基本上是恒定的，因此，造紙機的網(wǎng)速一變化，V設定也隨著(zhù)變化，沖漿泵的轉速也跟隨變化；為了提高速度調節器的精確性和反映流漿箱的實(shí)際工藝過(guò)程，通常還需取流漿箱的壓力PID控制輸出值的±5%的變化來(lái)作為沖漿泵附加的速度設定值。速度的實(shí)際值（實(shí)際）取自傳動(dòng)電機的實(shí)際速度采樣，可通過(guò)旋轉測速電機或光電旋轉編碼器等檢測裝置獲取。電流的設定值（M設定）取自速度環(huán)的輸出信號，電流的實(shí)際值（M實(shí)際）取自各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的交流變頻器輸出端電流互感器的測量值。

因此對于沖漿泵的變頻調速而言，需要對其進(jìn)行PID控制，需正確選擇速度反饋方式和PID的各類(lèi)參數。加速時(shí)間0-100%的設定值一般為60秒，而減速時(shí)間大約為30秒。變頻器的設定輸入值需具有二至多端的輸入，并能進(jìn)行基本運算。反饋信號需具有接收模擬信號或脈沖信號的端口。了解這一點(diǎn)，對選擇變頻器的型號非常重要。

（2）造紙機分部傳動(dòng)的變頻控制

我國造紙機分部傳動(dòng)設備，以前采用SCR直流調速方式，由于存在滑環(huán)和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導致造紙機的機械落后，車(chē)速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速造紙機相比。由此看來(lái)，造紙機分部傳動(dòng)機械的變頻化已是大勢所趨。

分部傳動(dòng)涉及到造紙機的網(wǎng)部、壓榨部、前烘缸、后壓榨、后烘缸、壓光機等眾多的傳動(dòng)點(diǎn)，由于紙張具有細薄、脆弱的缺點(diǎn)，因此為了防止紙張出現斷裂、卷曲、褶皺、壓痕，必須對各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行高精度的速度控制，并保證紙張按成紙方向所限定的伸展率進(jìn)行延展。也就是說(shuō)，從上漿到上卷的整個(gè)過(guò)程，要保持紙幅一定的速度級聯(lián)，這樣才有拉力。

正是基于分部傳動(dòng)的變頻控制強調的是各傳動(dòng)點(diǎn)的在線(xiàn)無(wú)級調速和同步跟隨性能，因此用在分部傳動(dòng)的變頻器必須具有以下特性：

1、調速范圍寬，在全速度范圍內，效率必須在90%以上。

2、功率因數高于0.9以上。

3、輸入諧波電流總失真小于3%。

4、采用可靠性高、技術(shù)成熟的標準器件IGBT。

5、能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉矩脈動(dòng)的效果。

6、利用通訊功能實(shí)現數據的高速串行傳輸。

如某紙廠(chǎng)1臺1092型水松紙造紙機的4個(gè)分部傳動(dòng)點(diǎn)的功率分別為壓榨11kw，主缸11kw，組缸7.5kw，卷紙5.5kw。

根據使用廠(chǎng)家的實(shí)際情況和要求，變頻器采用西門(mén)子公司新近推出的MM420系列，PLC采用西門(mén)子S7-200系列。網(wǎng)絡(luò )通訊采用RS485接口，協(xié)議方式采用西門(mén)子USS協(xié)議。主機調速及單個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)微調采用按扭調速，并且能夠在操作臺和設備前兩地調速。

又如某廠(chǎng)2820型牛皮箱板紙造紙機，變頻器采用美國AB公司1336型高功能變頻器，PLC采用AB公司SLC500系列，操作界面釆用觸模屏。由上位機控制運行參數存儲、數據表格自動(dòng)生成、生產(chǎn)報表自動(dòng)打印、故障報警狀態(tài)分析。網(wǎng)絡(luò )通訊采用國際通用的PROFIBUS DP通訊網(wǎng)絡(luò )。電動(dòng)機采用交流變頻電機，并且應用磁通矢量閉環(huán)控制。另外可以通過(guò)對各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際使用功率的計算控制各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的負荷分配，并且在生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)點(diǎn)動(dòng)在不影響速度鏈的情況下進(jìn)行局部張緊和松弛。

以上二例是較為典型地應用到了分部變頻控制的控制原理，分部傳動(dòng)的控制原理是保持速度級聯(lián)和高速傳輸，前者利用上位機（PLC或工控機）來(lái)進(jìn)行速度級聯(lián)的計算，后者是通過(guò)變頻器本身的高速串行通訊能力來(lái)實(shí)現的。這樣一來(lái)，整個(gè)系統配線(xiàn)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、信息量豐富且接口兼容，便于實(shí)現FA和管控一體化。

速度級聯(lián)的結果是將造紙機分部傳動(dòng)的主傳動(dòng)點(diǎn)形成了一串速度鏈，只要其中的一個(gè)點(diǎn)速度進(jìn)行調整，其后的每一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)也隨之快速調整。在實(shí)際的造紙機控制中，往往還要根據特定的位置再増加特定的傳動(dòng)控制方式，尤其重要的參數負荷配比控制。

所謂負荷配比控制，是指在兩個(gè)嚙合輥中，為保持接觸的緊密性和合理性，需要對兩個(gè)輥子進(jìn)行負荷分配，以達到最佳效果。在造紙機壓榨部、壓光機等嚙合輥控制中，根據工藝需要，紙幅斷裂時(shí)，嚙合的兩輥子處于脫開(kāi)位置，紙幅通過(guò)時(shí)兩輥子處于合上位置。其中在嚙合輥合上中，為保持兩輥子在機槭上的緊密接觸，達到嚙合的要求，需采取負荷配比控制方式。

嚙合輥的主傳動(dòng)仍采用速度級聯(lián)控制方式，從傳動(dòng)采用負荷配比控制方式。在該負荷配比控制中，速度閉環(huán)的設定值在主傳動(dòng)設定值（V設定）的基礎上，再增加5%的速度，這樣的話(huà)，其速度環(huán)的輸岀值即電流環(huán)的設定輸入值（M設定）就會(huì )增加，然后主傳動(dòng)速度環(huán)的輸出值乘上負荷配比百分值去限定從傳動(dòng)電流環(huán)的設定輸入值（M設定），也就會(huì )緊緊跟上主傳動(dòng)，使得該兩輥的嚙合程度更加緊密、貼合。

（3）卷紙機、復卷機和機外涂布機等收放卷系統的張力控制

造紙張有二種成型方式即平板紙和卷筒紙，由于高速印刷機的大量出現，對于卷筒紙的需求量與日俱增。而且卷筒紙相對于平板紙來(lái)說(shuō)，更能提高造紙機的車(chē)速。然而造紙機對于卷筒紙的處理則是一個(gè)相對復雜的過(guò)程，尤其是在中心卷取的過(guò)程中，隨著(zhù)卷徑的不斷增加，卷筒輥的速度必須不斷減少，同時(shí)又要保證紙幅的張力相對平穩。因此，對于收放卷系統而言，進(jìn)行張力控制是核心技術(shù)，也是變頻調速的難點(diǎn)。

對如此復雜的張力控制系統，變頻技術(shù)必須能克服以下4個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

1、將復雜的交流異步電機的數學(xué)模型簡(jiǎn)單化。

2、考慮到張力反饋信號的延后和超調。

3、將卷繞張力控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數描述成時(shí)變函數。

4、保證張力閉環(huán)的抗波動(dòng)能力高和即時(shí)調節性好。

目前，在卷取中最常用的是以下2種控制方式：

1、速度控制卷�。⊿PW），用PID通過(guò)測力傳感器的張力反饋，或調節輥的位置反饋，來(lái)修正速度給定。

2、電流控制卷�。–PW），用PID調節張力給定，可適用于中心卷取的方式，這一類(lèi)型的控制一般是開(kāi)環(huán)的。

具有張力控制的變頻控制系統，一般由直徑、補償、轉矩和速度計算等模塊組成。

（4）造紙機輔助部分的變頻控制

造紙機的輔助部分通常包括白水系統、真空系統、壓縮空氣系統、冷凍水系統、化學(xué)品加藥系統、損紙回收系統、通風(fēng)系統等。在實(shí)際設計造紙機中，為了使造紙機能連續均衡地運轉，它的輔助部分，一般都超過(guò)造紙機最大生產(chǎn)能力的15%-35%。因此，采用變頻調速及其控制技術(shù)能有效地降低實(shí)際運轉中輔助能耗，比如原先采用調節閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制的風(fēng)機和水泵、定速運轉的皮帶傳輸機等。以下就典型的幾個(gè)方面來(lái)闡述變頻控制的廣泛用途。

1、冷凍水變頻調速

在造紙的輔助設備中，涂布和施膠經(jīng)常要到用冷凍水來(lái)處理涂料，以保持涂料化學(xué)特性的穩定，現在經(jīng)常采用的方法為冷凍水泵變頻調速系統。它的控制原理是利用溫度或溫差控制，因為從嚴格意義上說(shuō)，冷凍主機的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從涂料槽帶走的熱量，所以溫差可作為控制依據。同時(shí)由于冷凍主機的出水溫度一般較為穩定，故實(shí)際上在設計中只需根據回水溫度進(jìn)行控制即可。

冷凍水系統選用的變頻調速應該可設計為PID控制，因為大部分的變頻器都具有PID功能，因此控制回路就非常簡(jiǎn)潔，以回水溫度作為反饋信號，而目標溫度則可以通過(guò)變頻器的面板設定或是上位機輸出模擬量信號設定。

2、損紙皮帶機變頻調速

損紙皮帶機是負責將干部的斷紙或處理紙運送到干損系統，因為皮帶的速度通常都按造紙機的最大車(chē)速設計的，通常造紙機運行的速度在最大車(chē)速的50%-80%之間，皮帶定速運行必將浪費相當大的能量，而且還產(chǎn)生太大的噪音，此時(shí)采用變頻調速，使皮帶機的速度跟隨造紙機的車(chē)速，而且使皮帶機的起動(dòng)頻率為20-30Hz，這樣既能皮帶機能快速反應避免堵紙，又能降低能耗。

結束語(yǔ)

隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展和成熟，變頻器以其優(yōu)良的調速性能、操作簡(jiǎn)單、功能完善、易于實(shí)現自動(dòng)調節等諸多優(yōu)點(diǎn)，必將取代造紙機上傳統的直流調速系統，而成為造紙機電氣傳動(dòng)的佼佼者。