遼寧科技大學本科生畢業設計（論文） 第頁1緒論1.1課題研究背景隨著全球造紙業及其相關行業的快速發展，人們不僅對紙張質量要求越來越嚴格，同時對紙張依賴性也變的越來越強。尤其是近幾年，造紙業已經成為國際化程度非常高的行業之一，一個國家各類紙張的消費水平，在某種程度上標志了這個國家的文明程度。我國現在仍是個造紙產業的大國，遠遠不是個造紙產業的強國，與造紙產業強國相比，我國造紙業還有相當大的差距。同時我國的造紙業面臨著很大的困難，即造紙業一方面要實現“十二五”期間低污染、低消耗、低排放、大量推廣先進造紙技術與造紙裝備以及提高造紙業自動化技術水平的目標；另一方面正遭遇著非常嚴峻的挑戰，像國際紙頁（InternationalPaper）、斯道拉恩索（StoraEnso）、芬歐匯川紙業（UPM）等超級造紙業集團在我國都有造紙業投資和發展的規劃。在造紙業中，起著保障紙張最終品質的重要聯合裝備是造紙機（PaperMachine），它可以把符合造紙特性的紙料纖維懸浮液經濾網成形、機械擠壓脫水、烘缸干燥、表面施膠、壓光機壓光、卷紙機卷取等過程抄制成成品紙幅，在此過程中它不僅要保證紙品優質性，還要滿足抄紙生產運行的連續性、高效性及可控性。然而，由于造紙機實際抄紙運行工況復雜，工作車速波動控制要求非常嚴格，速度非常低就出現紙張嚴重竄邊；速度非常高就出現紙張的殘余應力過大而使紙張損壞紙邊或斷頭。因此，造紙機若想制造出質量合格的成品，其必須擁有良好的電氣傳動控制系統，做到合理、高效地修正紙張實時線速度、紙輥電機實時轉矩及紙幅實時張力等參數于相應的設定值區間內，進而來保障優質的紙張形態。目前，為了設計出適用于制造不同紙種的造紙機電氣傳動控制系統，市面上已經出現和利時造紙機電氣傳動控制系統、ABB造紙機電氣傳動控制系統、西門子造紙機電氣傳動控制系統以及上海華章電氣造紙機電氣傳動控制系統等多個現代造紙機電氣傳動控制系統，其中以西門子造紙機電氣傳動控制系統最為常見，本課題也主要以國內西門子高速造紙機電氣傳動控制系統為研究和設計的對象。圖1.1所示為某5800/1600國內西門子造紙機電氣傳動控制系統的運行現場。圖1.15800/1600西門子造紙機電氣傳動控制系統運行現場1.2造紙機電氣傳動控制系統國內外的研究現狀及已有成果國外的造紙業強國對造紙機系統的研究已經取得了豐碩的成果，尤其是大大提升了造紙機電氣傳動控制系統整體自動化水平，包括：操作更加方便簡潔，適用于100多個紙種，實現了造紙、成本調控動作過程的全自動化，而且整個設計車速也已經超過2000m/min，工作車速也超過了1500m/min。并且在造紙機電氣傳動控制領域，國外各大電氣傳動集團公司已經設計出了用于造紙機電氣傳動控制的軟件和硬件，如：西門子造紙機電氣傳動控制系統、ABB造紙機電氣傳動控制系統及分別針對它們最典型的西門子公司6SE70系列交流變頻器，ABB公司的ACS800交流調速變頻器。可以看出這些國外造紙機電氣傳動控制系統不但有自己的電機交流變頻調速裝置，還有針對性很強的系統專用控制面板或軟件系統。造紙在我國擁有悠久的歷史，我國也是一個造紙大國，造紙工業在國民經濟中所占的地位非常重要。目前，我國造紙工業的主要特點是：造紙企業數目眾多，但普遍規模較小，并且所生產紙張品種單一，技術含量較低，自動化水平較低，污染也較為嚴重。據統計，我國的中型造紙企業大概有3000多家，這些造紙企業大多使用的都是低速造紙機，所謂低速造紙機指的是車速在300m/min以下的造紙機，并且這些造紙機控制系統大多采用的是開環控制系統；對于車速在300m/min至550m/min之間的中速造紙機而言，則經常會出現速度鏈同步不理想以及斷紙等生產事故，而且均沒有考慮故障診斷和容錯控制等問題，極易導致誤停車，造成生產事故，使企業損失重大。造紙機市場競爭激烈，國內該方面研發實力又落后于國外，因此必須加快研制高檔造紙機的速度，同時逐步完善中檔造紙機的控制系統，爭取盡快擴大國內造紙機械的市場占用率。一直以來，直流調速系統憑借其優良的調速性能以及負載率大等優點在造紙機傳動系統中的應用占據著很大的比例。然而，直流調速系統也存在著很多缺點，比如：直流電動機的成本比較高，電刷維護困難，有些場合（如防爆、防腐蝕、防潮等場所）不能使用等等。隨著計算機技術、電力電子技術、傳感器技術以及智能控制理論的逐步完善和快速發展，交流變頻調速系統在各工業領域的應用已經越來越廣泛。交流變頻調速與直流調速系統相比，其具有容量大、維護方便、節約能耗以及價格較低等優點。現在變頻調速技術已經較為成熟，使交流調速系統也擁有了調速性能好、過載力矩和起動力矩大、啟動平滑等等優點，已經逐漸取代了直流調速系統。另外，交流調速系統還具有如下優點：（1）使用場合比直流調速系統更廣泛。（2）安裝維護方便，能使用標準化的電機電纜。（3）電動機的正反轉控制變得更簡單。（4）避免了直流電動機的電刷粉塵對生產過程的影響。近年來，采用可編程序控制器（PLC）結合現場總線技術來實現多臺電動機的變頻調速同步控制系統，已經成為國內外研究造紙機自動控制系統的一個推薦方案。從以上的分析可以看出，在現階段，造紙機電氣傳動自動控制系統的研究對于我國造紙業的發展有著非常重要的理論和實踐意義。1.3本文主要工作通過對國外高速造紙機電氣傳動控制系統的研究，本文設計了國產高速造紙機電氣傳動控制系統，優化了造紙機電氣傳動控制策略并對國產高速造紙機高速運行時的關鍵參數進行了分析與設計，由實際造紙機電氣傳動控制工程項目檢驗了理論研究的成果和PLC軟件控制算法的正確性。具體進行的主要工作如下：（1）為了獲得良好的抄紙紙頁，進行了造紙機電氣傳動控制策略設計。（2）造紙機通常運行在高速的狀態下，且其工況會經常變化，其系統參數化分析就必然顯得格外重要，本文對速度、負荷、張力等參數進行了計算和優化分析。（3）本文具體的進行了造紙機電氣傳動控制系統的設計，包括系統硬件的配置、軟件的選型、變頻器的參數設置以及選型。特別是進行了冗余控制設計，設備過程管理（PDM）設計等。

2造紙機機械結構及造紙工藝流程2.1造紙機機械結構造紙機（papermachine）是紙張抄造的聯合裝備，從第一臺造紙機1803年問世至今，造紙機整體的機械結構在逐漸的完善，并有了固定的造紙工業技術規范，即整個抄紙過程由濕部和干部構成，濕部包括：漿料流送裝置（流漿箱）、網部（成形部）以及壓榨部；干部包括：干燥部、涂布部、壓光部以及卷紙部。而現代造紙機的機械結構對于生產不一樣的紙種必須用不同的機械結構形式，即在于不一樣的網部（成形部）設計、壓榨部設計、干燥部設計。如圖2.1所示為造紙機機械結構示意圖。1-漿流分部器2-流漿箱3-胸輥4-案輥5-真空吸水箱6-真空伏輥7-壓榨毛毯8-第一道壓榨輥9-導紙輥10-通風罩11-干燥帆布12-烘缸13-通風系統電機14-冷缸15-紙幅16-卷取機17-壓光機18-導網輥19-張緊輥20-校正輥21-導紙輥22-第二道壓榨輥23-第三道壓榨輥24-烘缸組圖2.1造紙機機械結構2.1.1造紙機網部造紙機網部又稱成形部，是紙漿纖維脫水成濕紙幅的重要分部間,其機械結構主要由成型網、胸輥、案輥、吸水箱、伏輥等重要成形部件組成，此外，還有成型網網案的支撐機構、驅動機構、張緊機構、校正機構、舒展機構和清洗的輔助機構和抄紙中的操縱控制機構。2.1.2造紙機壓榨部對成形后的濕紙頁以加壓的方式進一步脫水。它由輥面硬和軟的兩個輥子，如石輥和膠輥相配組成一組壓榨，并分別由各自電機獨立驅動，在造紙機電氣傳動控制系統里，每組壓榨上輥石輥和壓榨下輥膠輥均為主傳動點。2.1.3造紙機壓光部為了使抄紙紙頁有良好的光澤度與平滑度，紙頁的厚度必須得到均勻的一致性控制，即紙頁必須進行多重壓光整飾處理。軟壓光機與壓光機就是能實現上述功能效果的技術裝置，壓光機機械結構通常有3～10個輥筒，其中2～3個為造紙機電氣傳動控制系統主傳動點。2.1.4造紙機干燥部和卷取部造紙機干燥部的機械結構由多組烘缸構成，并采用了雙列的烘缸結構形式，上下兩層烘缸均配置有干毯，干燥部的最后，通常配置有1～2個冷缸，使水氣能在冷缸面上凝聚。造紙機卷取部的機械結構主要是由卷紙機（復卷機）組成，它可以靠卷紙輥的自身重量及冷缸轉動的摩擦力將壓光機整飾好的成品紙頁卷曲成為筒體。在造紙機電氣傳動控制系統中，卷紙機的卷紙輥通常為傳動點，并要求這個傳動點做好紙幅張力控制，以防紙頁斷頭或出現褶皺。2.2造紙工藝流程造紙的原料主要有兩種：一種是含纖維的植物，還有一種就是現在比較環保的廢紙在回收。第一種原料造紙比較復雜一點，先要切碎，在加高濃度堿水進行高溫蒸煮，還要經過CX篩、高頻震動篩、洗漿機、壓濾機等機械去除原槳中含有的堿水，然后進行漂白。漂白后經洗滌加水配成0.03%的槳液就可以造紙了。第二種就簡單一點了,將廢紙、工業雙氧水、脫墨劑、堿、水按一定比例配好，用水力碎槳機打一定的時間；最后用跳篩篩去雜質就可以造紙了。不管用什么方法造紙，原理都是一樣，就是把造紙原料的纖維打碎，再經高溫從新結合。造紙的工藝流程由如下幾個主要環節組成制漿段：原料選擇→蒸煮分離纖維→洗滌→漂白→洗滌篩選→濃縮或抄成漿片→儲存備用抄紙段：散漿→除雜質→精漿→打漿→配制各種添加劑→紙料的混合→紙料的流送→頭箱→網部→壓榨部→干燥部→表面施膠→干燥→壓光→卷取成紙涂布段：涂布原紙→涂布機涂布→干燥→卷取→再卷→超級壓光加工段：復卷→裁切平板（或卷筒）→分選包裝→入庫結束造紙機部分工藝流程如圖2.2所示。圖2.2造紙工藝部分流程圖2.3本章小結本章主要介紹了造紙機整體的機械結構以及各分部的電氣傳動點，簡要的介紹了造紙的工藝流程，這為造紙機電氣傳動系統的控制策略和參數分析提供了良好的支持。

3造紙機電氣傳動控制策略分析3.1造紙機電氣傳動概述造紙機電氣傳動往往包含兩種基本傳動方式：總軸傳動和分部傳動。總軸傳動也叫單機傳動，它的動力源僅僅來源于某個主變頻電動機，這種傳動方式往往被使用在工作速度比較低的小型造紙機傳動控制系統中。分部傳動也叫多電機傳動，它的動力源往往來自于多個主變頻電動機，這種傳動方式經常被用在工作車速較高的造紙機傳動控制系統中。分部傳動的控制方式不僅操作方便運行安全可靠，還能讓造紙機各分部的速比關系保持不變,這種傳動方式還可以做傳動系統的結構優化工作，從而使速度調節范圍擴大且速度調節效果更好，這種傳動系統節約電能，操作更加簡便，滿足了本設計的大型高速造紙機電氣傳動控制系統的傳動方式。3.1.1造紙機電氣傳動控制系統的基本要求造紙機電氣傳動控制系統是造紙機控制系統的重要組成部分，對抄紙的穩定性、紙張的質量有著非常重要的影響。為了可以生產出品質較高的紙品，在造紙工業中，對造紙機電氣傳動控制系統提出了如下基本要求：（1）整機實際工作速度的有效調節（2）保證實際工作車速的恒定（3）各分部良好的動態調整（4）維持分部間定速比關系的恒定不變（5）穩定的爬行速度3.1.2造紙機傳動功率計算在造紙機電氣傳動系統中，傳動裝置所產生的傳動功率主要用于抵消摩擦損耗，所以造紙機的實際傳動功率主要由造紙機的實際工作車速以及相關實時參數所決定。把造紙機電氣傳動系統中所有的傳動部件做在線實時監測其實際功率的損耗，并用1m凈紙幅寬與1m/min工作車速來表示造紙機電氣傳動系統的必需功率。即：P=Kbv(3.1)式中：K—造紙機一個單位功率損耗的衡量因子b—造紙機實時幅門寬度v—造紙機實際工作車速3.1.3造紙機生產能力計算為了精確的表示造紙機的實際生產效率，造紙工業常用造紙機每小時的產量來衡量，即：G=0.06bvq(3.2)式中：b—卷紙機未切邊的實際紙寬v—造紙機工作車速q—紙頁的實際定量3.2造紙機電氣傳動系統控制策略分析造紙機的電氣傳動系統控制策略分析是造紙機自動化設計的一個非常關鍵的環節，隨著造紙業科技的不斷發展，一些發達國家的造紙機（特別是高速造紙機）電氣傳動控制系統已經向高精度、高速度、全智能自動化方向發展，而國內造紙機電氣傳動系統對抄紙過程主要還是通過手工操作及一般PLC程序進行自動控制，而此控制方式完全保障不了紙頁質量的一致性及抄紙生產的連續性，這主要是造紙機電氣傳動系統控制策略設計不完善引起的。本文鑒于國內造紙機電氣傳動系統當前發展特點以及國外造紙機電氣傳動系統的有利優勢，進行國產高速造紙機電氣傳動系統控制策略的設計，以提高我國高速造紙機連續抄紙水平、產品質量水準。3.2.1速度鏈控制在造紙機分部傳動控制中，根據對抄紙工藝的基本要求，分部間各臨近傳動點紙幅線速度要有保持不變的比例關系，且在操作員控制工作車速的情況下，僅改變當前級及當前級后面的速度狀態而不改變其前面的速度狀態，即每一傳動點速度以前一級速度為參考的情況下修正，這樣就產生了一個鏈式的速度控制結構，這個鏈式結構就是速度鏈。如圖3.1所示，本文對變頻電機0、1、2、3、4，采用主鏈包含子鏈的控制結構形式，把要做負荷分配的傳動點變頻電機2、3的速度控制接入速度鏈的子鏈上，這樣傳動點變頻電機2、3速度值做負荷分配修正的情況下不影響其他傳動點變頻電機0、1、4的速度狀態。圖3.1速度鏈控制原理結構3.2.2負荷分配控制造紙機的成形部（網部）、壓榨部以及壓光部是剛性或柔性連接的傳動分部間，它們的負載由兩臺或多臺電動機一起承擔，造紙工藝控制要求造紙機所有負荷分配的輥子紙幅線速度及相互速比關系可修正的同時，負荷承擔分配率相同的情況下還必須保證速度一致。如圖3.2所示，需要負荷分配控制的紙輥電機M1、M2、M3、M4、M5、M6，本造紙機電氣傳動控制系統使用轉矩PID控制算法控制其負載波動，并集成現場通訊總線PROFIBU通訊控制技術，即PLC控制器采集要分配的主、從傳動點電動機的實際輸出轉矩并做程序化的精確運算，再通過PROFIBUS通訊技術來控制變頻器的相關參數，這樣做到不斷升高或降低所有負荷分配電動機的轉差率，從而使從傳動點電動機轉矩值的百分比與主傳動點電動機轉矩值的百分比保持一致。圖3.2負荷分配原理示意圖3.2.3紙幅張力控制在造紙機的施膠部、壓光部和卷紙部，紙頁質量與該分部間實時張力值息息相關。由抄紙工藝要求可知，需要通過造紙機電氣傳動系統的程序化控制策略控制相關電機轉速來獲取恰當的紙頁張力，否則，紙輥電機轉速波動就會使紙頁繃得特松或特緊，具體表現為：張力過弱，紙頁則竄動而使紙頁褶皺；張力過強，紙頁則繃緊而使紙頁斷頭。其控制原理如圖3.3所示。圖3.3張力控制原理3.3造紙機電氣傳動控制工作原理圖以上已經對造紙機電氣傳動系統速度控制、負荷分配控制及張力控制的控制策略做了比較具體的分析，從而設計了此造紙機電氣傳動控制方案。如圖3.4所示。說明：n*——紙輥電機給定轉速；R2——紙輥半徑；K——；C——；T——PLC采樣周期；n1i——轉速n1的第i次采樣值，光電編碼器可測出，i=1，2，3，…,N；N指自然數；k——前饋量修正系數；B1——系統穩態電磁轉矩計算公式，其數值由PLC程序完成；B2——系統動態電磁轉矩計算公式，比B1模塊增加前饋量修正系數k其數值由PLC程序完成；B3——動/穩態切換模塊，其數值由PLC程序完成；圖3.4造紙機電氣傳動控制方案3.4本章小結本章簡要的分析了造紙機電氣傳動控制策略，對造紙機電氣傳動控制系統提出了基本要求，并給出了速度鏈控制方案；負荷分配采用現場總線主從通訊控制策略，其紙輥電機負荷分配控制效果穩定、無超調；紙幅張力采用張力傳感器/程序估算張力切換控制方式，使得紙幅抄紙過程張力更加穩定，從而降低了紙頁褶皺與斷頭的情況發生。最后給出了造紙機電氣傳動控制工作原理圖。

4造紙機電氣傳動控制系統參數分析造紙機通常在高速的狀態下運行，且其工況經常會發生變化，造紙機電氣傳動系統若想達到高效、精確的控制效果，其系統參數分析就顯得尤為重要，以下是通過數學模型建立來進行優化并分析造紙機電氣傳動系統的關鍵參數，包括：紙輥電磁轉矩、紙輥卷徑、紙輥電機速度鏈、紙幅張力值等。4.1紙輥電機電磁轉矩計算在造紙機電氣傳動系統中，根據紙輥電機的工作原理和其機械結構，設Mm為電機電磁轉矩，空轉紙輥卷徑不計，則有紙輥轉矩平衡方程：(4.1)又根據紙輥電機轉動慣量的運算公式：(4.2)因此將（4.1）式右邊的系數進行格式轉化有：(4.3)再代入（4.1）式可得：(4.4)式中K、C為：在上式中，看作常量的有：J0、、b、R0、i等，且在造紙機系統工作速度不變的情況下，K、C也全是常量。則（4.4）式再整理可得：(4.5)將上式代入（4.1）式，有：(4.6)可見（4.6）式是微分方程，其離散化成型式由自動化系統PLC實現程序化，經離散化后的差分方程為：(4.7)式中，i=i、i-1、…、1；T——PLC采樣周期。4.2紙輥卷徑計算分析紙輥卷徑計算是造紙機電氣傳動系統中尤為關鍵的一個環節，其計算準確度很大程度上影響著整個造紙機電氣傳動系統的控制精度，由：(4.8)可得：(4.9)式中：v——紙幅實際線速度；——紙輥減速箱傳動減速比；——紙輥電機的實際轉速。4.3速度鏈計算分析造紙機抄紙過程各分部間必須有穩定的速差（速比）。設是造紙機電氣傳動系統第i個傳動點電機的實際轉速，則是下一個傳動點i+1的電機實際轉速，是第i+1個傳動點電機實際轉速與第i個傳動點電機實際轉速的比值，是傳動點電機實時轉速與第i個傳動點電機實時轉速的轉速差。則有:(4.10)(4.11)其速度控制原理結構如圖4.1所示：圖4.1速度控制原理結構圖4.4紙幅張力值的估算與分析4.4.1基于紙輥參數的紙幅實際張力估算在造紙機紙頁張力檢測中，通過紙輥電機的實際轉矩平衡方程可知紙頁實際運行所必須的張力，其中進行計算的參數包括：電機的實際轉動慣量轉矩、電機的電磁制動轉矩、電機運行時的實際摩擦轉矩等等。則有：紙幅張力：(4.12)紙輥慣量轉矩的估算慣量轉矩：(4.13)(4.14)(4.15)(4.16)(4.17)(4.18)上式計算中已知的有：、、、b，。摩擦轉矩的估算實際摩擦轉矩：(4.19)且(4.20)(4.21)4.4.2張力值的估算 在實際的造紙機張力控制中，造紙機電氣傳動系統的傳動裝置均能做紙輥電機實際轉矩的計算工作，于是，造紙機中紙輥電機的電磁轉矩可以由造紙機電氣傳動系統的現場總線PROFIBUS通訊技術從紙輥傳動裝置中讀取，而紙頁的實際張力從（4.20）式就能換算得到。如圖4.2所示。4.4.3張力傳感器張力值檢測在紙輥兩端分別安放一個張力傳感器,并根據張力傳感器計算出紙幅張力值。從而可以獲得精確的紙幅實時張力。其原理如圖4.3所示。圖4.2紙幅張力估算簡圖圖4.3紙幅張力傳感器工作原理4.5本章小結本章主要對影響造紙機電氣傳動系統控制效果的關鍵參數進行了深入的計算與分析，其中包括對紙輥電機電磁轉矩、紙輥卷徑、紙輥電機速度鏈、紙輥電機負荷分配、紙幅張力值等給出了精確的數學模型建立過程和正確的計算處理方法及如何進行在PLC中程序化，這為下文造紙機電氣傳動系統的設計提供了有利的支持和根據。

5造紙機電氣傳動系統的設計5.1造紙機電氣傳動系統設計參數及計算依據5.1.1造紙機傳動系統技術參數紙品品種：高級瓦楞原紙定量：100－200g/m2凈紙幅寬：10200mm工作車速：1600m/min（最高工作車速）傳動車速：1600m/min平衡車速：1700m/min爬行車速：15m/min5.1.2造紙機電氣傳動系統紙輥電機設備參數造紙機電氣傳動系統紙輥電機的選型及其配置參數是由造紙機的電氣傳動控制技術參數決定的，包括所生產的紙種類別、紙幅實際定量大小、實際紙頁寬度、最高實際工作車速等參數，通過這些基本參數我們可以計算出造紙機工作時的最大實際總功率，然后從這個最大實際總功率和最高工作車速可以確定紙輥電機的最低實際功率的大小。如表5.1所示為整個抄紙過程中電氣傳動控制系統電機和相關設備的數據參數。可以根據給出的具體參數來完成各個紙輥電機的選型。表5.1造紙機的電器設備參數名稱類別數值網部紙輥電機參數壓榨部紙輥電機參數干燥部紙輥電機參數電樞電流勵磁電流額定工作轉速減速箱的減速比編碼器的型號電樞電流勵磁電流額定工作轉速減速箱的減速比編碼器的型號電樞電流勵磁電流額定轉速最高工作轉速減速箱的減速比功率編碼器的型號400A14.2A1800rpm2.24Fins58_1024400A14.2A1800rpm2.24Fins58_1024330A19.5A3300rpm2000rpm2.5132kwFins58_10245.1.3紙輥電機轉速、功率的計算及選擇紙輥電機的選擇(1)最高工作轉速(5.1)(2)最低工作轉速(5.2)(3)調速范圍(5.3)(4)紙輥發電機功率(5.4)(5)動態補償功率(5.5)則紙輥電機總功率(5.6)5.2造紙機電氣傳動系統的硬件配置在造紙業中，客戶對造紙機電氣傳動系統的控制精度及自動化水平要求很高，因此考慮到系統裝置的性價比，本造紙機電氣傳動控制系統硬件配置選購ABBACS800交流式變頻器，西門子S7-400H系列冗余PLC、MP27717寸智能操作面板及冗余PROFIBUS-DP現場總線。5.2.1交流變頻調速基本原理根據三相異步電動機的相關知識，異步電動機的轉速n表示為：(5.7)式中：n—異步電機的轉速，單位為r/min；s—電機的轉差率；f—電機定子的電源頻率，單位為Hz；p—異步電機的極對數。由式可見，改變電源頻率就可以改變同步轉速和電機轉速。在許多場合，為了保持在調速時，電動機產生的最大轉矩不變，同時也需要維持磁通不變，這需要由頻率和電壓協調控制來實現，故稱為可變頻率可變電壓調速（VVVF），簡稱變頻調速。5.2.2ACS800變頻器性能由于造紙機運行時紙輥電機的負載是恒轉矩負載，所以電氣傳動系統的電機應采用恒轉矩變頻調速和恒轉矩速度變頻器。因此，本文造紙機電氣傳動系統執行機構采用恒轉矩變頻控制的變頻器。即該電氣傳動系統電機運用ACS800DTC直接轉矩調速的交流變速策略，同時在造紙機電氣傳動控制系統中采用ABB的ACS800系列交流變頻器。如圖5.1所示為ACS800變頻器的接線圖。圖5.1ACS800變頻器接線圖ACS800變頻器是在直接轉矩控制技術的基礎上，當電氣傳動系統變頻電機傳動裝置無光電編碼器或電機轉速測量設備故障的情況下，仍可以以高精度修正大部分變頻電機的當前實際轉速和轉矩。圖5.2表現出造紙機電氣傳動系統中ACS800變頻器基于直接轉矩控制技術時的經典轉矩控制性能曲線，所以本造紙機電氣傳動控制系統采用ACS800變頻器變頻調速紙輥電機可滿足國產高速造紙機電氣傳動控制的需要。TN=額定電機轉矩Tref=轉矩給定Tact=實際轉矩圖5.2ACS800變頻器轉矩控制特性5.2.3ACS800變頻器主要參數設置在造紙機的電氣傳動控制系統中，要監控的變頻器的參數主要是某些基本系統參數，包括：電機的實時運行數據、編碼器的實時采集參數值以及現場總線的通信控制參數。表5.2給出了本造紙機電氣傳動控制系統紙輥電機ACS800變頻器的基本參數設定。表5.2造紙機紙輥電機變頻器參數098.01RTAC-SLOT1編碼器參數設定123456789101112131415161718192021222324252698.0299.0299.0499.0599.0699.0799.0899.0910.0110.0311.0311.0411.0522.0222.0350.0150.02500651.0151.0251.0351.0451.0551.0651.0751.08FIELDBUSFACTORYDTC380V13950HZ1990rpm75COMMCWREQUESTCOMM.REF0200020S20S1024A+BDIRENCODERDP13500420041042015105現場總線參數設定應用宏模式電機當前控制模式電機額定電壓電機額定電流電機額定頻率電機額定速度電機額定功率電機啟/停方向電機運行方向外部給定信號min.REF1max.REF1加速時間大小減速時間大小變頻器脈沖數脈沖計數方式反饋方式現場通訊總線僅顯示通訊參數設定PPO的種類寫最大電機轉矩讀電機電流寫最小電機轉矩讀電機實時轉矩5.2.4變頻器的容量選擇在造紙機電氣傳動系統中常常采用通用型交流式變頻器，其容量計算涉及到的關鍵參數包括：變頻器使用功率、變頻器輸出容量以及變頻器的額定輸出電流。但在實際的變頻器容量計算中，必須使其適用于全部傳動場合，絕不可以出現變頻器實際輸出電流長時間大于變頻器額定輸出電流。下面以造紙機電氣傳動系統恒轉矩負載的變頻器容量計算為例：在造紙機電氣傳動系統中，變頻器為紙輥電機提供能源動力時，變頻器驅動電動機的功率超過當前該電動機的功率的狀況下，根據紙輥電機恒轉矩負載工作的工作狀況，設PM為電機負載工作時的輸出功率；η為電機工作效率；cos?為電機有用功率因數；UM為電機工頻電壓；IM為電機的工頻電流；k為電流波動時的修正因子；PCN為變頻器的額定容量；ICN為變頻器的額定電流。則變頻器容量的選擇可由下式計算得出：（5.8）（5.9）（5.10）5.3造紙機電氣傳動系統控制方案設計5.3.1電氣傳動控制系統的整體結構本造紙機電氣傳動控制系統在西門子高級過控系統(SIMATICPCS7)軟件平臺上建立基于現場總線的三級控制網絡形式,用西門子S7-400H系列最新PLCS7-414H控制器作為控制中樞，ABBACS800系列交流變頻器控制并驅動紙輥電機，用高速通訊的PROFIBUS-D現場總線通訊網絡控制傳動速度。其整體結構如圖5.3所示：圖5.3系統整體結構簡圖5.3.2紙輥電機的控制策略為了使造紙機相鄰傳動點速比保持不變，從而保持紙幅張力不變，本文的電氣傳動控制系統采用直接/間接可切換張力控制、速度鏈開/閉環控制和具有良好動態調整的負荷分配控制方案。這種電氣傳動控制方式操作簡單，控制穩定且精度高，非常適用于參數變化較大的場合，其主程序算法流程如圖5.4所示。其紙輥電機電氣原理圖如圖5.5所示。圖5.4造紙機電氣傳動控制系統主程序流程圖圖5.5電機控制原理圖5.4造紙機電氣傳動系統軟件選型近幾年來，在工業自動化測控領域，控制系統品牌種類繁多，其中較為知名的有：霍尼韋爾、ABB、艾默生、西門子、和利時等。然而，造紙機電氣傳動控制系統的結構復雜，控制邏輯很為繁瑣，一般的工業過程控制軟件很難實現對其完美的控制，通過對造紙機控制系統的比較，西門子高級過程控制系統PCS7可以對工業測控領域提供無縫的自動化解決方案，特別適合應用在控制過程及結構較為復雜的造紙機電氣傳動控制場合。5.4.1控制系統概述西門子高級過控系統（SIMATICPCS7）是西門子分布式控制系統（DCS），它不僅可為造紙工業電氣傳動控制系統提供無縫的自動化解決方案，還具有PLC程序設計開發的靈活性，并具備比新型智能DCS更強的優勢。所以，SIMATICPCS7若采用自動化冗余系統可為整個抄紙過程的高效性、連續性提供更可靠的保障。5.4.2S7-400H冗余系統在整個造紙機電氣傳動系統中，尤其是在烘干部和壓榨部，其傳動控制邏輯較高，為了進一步提高其實用性和可靠性，可以通過雙CPU硬冗余控制保障造紙機電氣傳動系統的可靠性。并采用PROFIBUS通訊冗余技術在整個電氣傳動系統中，對造紙機重要設備建立高質量、高可靠性的通訊設計，從而大大降低抄紙工作停機耗時。因為無論電氣傳動系統的故障是出于控制命令錯誤、故障還是維護，其停機所造成的成本都非常大，所以應采用冗余系統，此系統不僅可以防止造紙機停機，還能獲得其容錯設備高昂的費用。5.4.3過程設備管理高速造紙機電氣傳動系統的傳動點很多、相互工作狀態聯系也較為緊密，這就對傳動系統穩定性要求較高，一旦電氣傳動系統局部裝置（控制器、模塊、儀表、電機、變頻器等）出現故障，就會造成生產線大面積的停產，且要恢復系統穩定數據時間很長，還有可能發生難以預知的破壞性事故,從而加大造紙機的投資成本和風險。如何確保造紙機電氣傳動系統的安全運行、做到電氣傳動系統的預知性和可視化的維護，并具有良好的智能性、快速性，已經成為造紙企業提高紙機電氣傳動控制系統效益、穩定性和實用性的關鍵因素。SIMATICPDM又稱過程設備管理器，它是由西門子公司開發的系統監控軟件，能進行現場智能設備和自動化系統組件實時組態、實時參數分配、設備調試、故障診斷及設備維護。所以，本文鑒于生產實際對高速造紙機電氣傳動系統可靠性、可視化監控的需求，利用SIMATICPDM技術建立穩定、耐用和更小故障的高速造紙機電氣傳動控制系統，此系統可以實現合理布局及減少構件，全時段保護系統數據、優化和監控控制系統的相關設備。5.5本章小結本章以高速瓦楞造紙機為例設計了具體的電氣傳動控制系統，包括：控制系統的硬件配置，控制系統選型，冗余控制設計，系統設備過程管理（PDM）設計，從而使整個造紙機電氣傳動控制系統具有較完整的的自動化功能，即造紙機電氣傳動系統具備了較高的自動化程度、靈活的操作性和良好的抄紙控制品質。

結論本文在深入了解造紙機的機械結構、抄紙工藝特點以及國外造紙機電氣傳動控制的基礎上，針對國產高速造紙機電氣傳動控制進行了分析和研究，具體包括：（1）分析了造紙機電氣傳動控制策略本文通過分析造紙機電氣傳動控制策略，指出：速度鏈閉環/開環雙切換的控制方案，其控制精度要遠遠大于直接速度控制；負荷分配采用現場總線主從通訊控制策略，紙輥電機負荷分配控制穩定且無超調；紙幅張力采用張力傳感器/程序估算張力無縫切換控制方式，從而使抄紙過程張力更加穩定，減少了紙頁褶皺與斷頭的情況發生，進而使整個造紙機電氣傳動系統具有穩定可靠、免維護等優勢。（2）對影響造紙機電氣傳動系統控制效果的關鍵參數進行了分析本文對紙輥電機電磁轉矩、紙輥卷徑、速度鏈、負荷分配、紙幅張力值等提出了準確的數學模型建立過程與正確的計算處理方法及如何進行在PLC中程序化。（3）以高速造紙機為例設計了具體的電氣傳動控制系統本文以高速造紙機為例構建了具體的電氣傳動控制系統，包括：控制系統硬件配置，控制系統選型，冗余控制的設計，設備過程管理（PDM）的設計，使整個造紙機電氣傳動系統有了較為完整的的控制功能，即造紙機電氣傳動控制系統具有了較高的自動化程度、靈活的操作性、良好的抄紙控制品質。致謝經過了兩個多月的付出和努力，我終于順利地完成了我的畢業設計。在論文寫作期間，我曾遇到了無數的困難和障礙，都在老師和同學的幫助下度過了。在這里，尤其要強烈感謝我的指導老師——馬連增老師。在論文寫作期間的工作自始自終都是在馬連增老師全面、具體地指導下進行的，大到文章的選題謀篇、布局結構，小到文章的詞語搭配、標點符號。馬連增老師多次以民主的方式引導學生以自己的視角發現問題、分析問題、解決問題，讓我體會到畢業論文不僅僅是對大學所學知識的再學習、再檢驗、再提高的過程，更是一次將大學期間所學到的知識運用到實踐并將其升華的過程。馬老師淵博的學識、敏銳的思維、民主而嚴謹的作風使我們受益匪淺，并終身難忘。在此表示衷心的感謝！同時非常感謝在完成畢業設計（論文）期間給予我各方面支持與幫助的其他老師！同時非常感謝我的同學和朋友們給我的支持與鼓勵！由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！參考文獻[1]范文波,陳奇志.從全球百大紙業公司看我國紙頁公司發展[J].中國造紙,2006(11):59-62.[2]孟彥京.造紙機變頻電氣傳動原理與設計[M].陜西:陜西人民出版社,2002.[3]葛保華,孟彥京.西門子6SE70變頻器在紙機控制系統中的應用[J].微計算機信息,2005(7):125-127.[4]馬小亮.高性能變頻調速及其典型控制系統[M].北京:機械工業出版社,2010.[5]李明輝,劉先保,張洪興.造紙機紙幅張力控制系統的設計及實現[J].包裝工程,2013(3):49-53.[6]孟彥京,李紅壘.高速衛生紙機傳動控制系統研究[J].中國造紙,2011(6):53-57.[7]劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2002.[8]孟彥京,韓旭.大型紙機的電氣傳動控制現狀[J].江蘇造紙,2008(2):26-28.[9]文心.造紙行業“十二五”規劃前瞻[J].造紙化學品,2011(23):36.[10]廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2005.[11]陳克復.制漿造紙機械與設備（下）[M].北京:中國輕工業出版社,2003[4].[12]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京:機械工業出版社,2005．[13]馮海川.高速紙機交流變頻分部電氣傳動控制系統設計[D].山東:山東大學,2007.[14]封云.用PLC實現分部傳動造紙機數字速度鏈[J].中國造紙,2002(4):51-53.[15]張勇，王玉昆.過程控制系統及儀表[M].北京：機械工業出版社，2013.[16]IIR.NorthAmericanPaperMillsPlan125PaperMachineProjects[J].ManufacturingClose-Up.2012.[17]KontuKaisa,RuohonenPekka,HippinenIlkka,AhtilaPekka.TheEffectofChoiceofUtilitySystemsonPrimaryEnergyConsumption-Case:PressandDryingSectionsofAPaperMachine[J].ChemicalEngineeringTransactions.2010.[18]郎建勛.特種造紙機電氣傳動系統設計與應用[D].河北:華北電力大學,2011.[19]孟憲坤,李明輝,李虎.紙機負荷分配控制系統的設計與實現[J].自動化儀表,2012(1):35-38.[20]吳其華,徐邦荃.多電機同步傳動控制系統分析[J].兵工自動化,2003(1):20-24.[21]孟憲坤.基于現場總線的紙機電氣傳動控制系統的設計[D].陜西:陜西科技大學,2012.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究