張力控制系統在變頻造紙設備中的應用研究

徐敏XU M in

（徐州工業職業技術學院，徐州221140）

0 引言

造紙業是我國國民經濟重要的基礎性原材料產業，具有技術和資金密集以及規模效益顯著的特點，其產業關聯度較大，市場容量和發展潛力大，并逐步成為拉動農業、機械制造業、化工、印刷等產業的重要力量，為我國經濟發展做出了突出貢獻。傳統的造紙業主要采用大功率的SCR直流調速控制系統，具有能耗量大、維修復雜、抗環境能力差、安全可靠度低等缺點，輕則無法保證生產出來紙張的質量，重則出現機器損壞。與原有的直流調速技術相比，交流變頻調速技術不僅具有卓越的調速性能，還具有良好的節電性能，制造工藝簡便,制造成本低,填補了以往的技術空白，因此被廣泛應用于造紙行業。

交流變頻調速技術目前被公認為最有前途的交流調速方式，它繼承和發揮了交流電機本身固有的優勢，如結構簡單、可靠性高、動態響應度高、耐用性好等。對造紙業而言，在其制造過程中，對造紙機的主要控制要求包括線速度同步、負荷分配功能。速度鏈功能以及張力控制，另外還有一些其他控制要求如爬行、緊紙、急停等。而目前在對造紙機器控制系統的研究中，對張力控制系統的研究越來越成為研究的熱點，張力控制系統可以有效地控制紙幅張力，保證其穩定性，從而保證了紙機生產線的穩定性，避免出現紙幅斷裂情況。紙幅張力控制一般由直接控制和間接控制組成。其中，直接控制一般用于大型、高速紙機的張力控制。

1 造紙機工藝流程概述

按照紙張的成形過程可將造紙機分成網部、壓榨、前干燥、施膠機、后干燥、壓光機、卷紙機幾部分，具體結構見圖1。在造紙過程中，流漿箱先在網部完成紙漿的脫水成型工作，再將紙漿運送至壓榨部進一步脫水，并使紙層均勻展開，接著在前干燥中烘干紙張，之后通過施膠、后干燥以及壓光、成卷，行車將紙卷吊至復卷機，對紙張切邊并分割，以滿足顧客需要。

圖1 造紙機的工藝流程

2 張力控制理論分析

張力控制一般由直接張力控制和間接張力控制組成。直接張力控制通過張力傳感器對張力數據進行檢測，有效地調節了兩個分部之間的速差值，使紙幅的張力最終達到了期望值。直接張力控制法具有精確度高、控制效果好、可操作性強等優點。但與此同時，這種方法的成本較高，不適合一些低速、小型造紙機的張力控制。而間接張力控制主要通過電氣調節的方法有效地補償了紙頁間的張力，它實現了傳動點機械特性的軟化。因此，在日常生產中，人們多采用直接張力控制的方式控制紙幅張力。

2.1 張力檢測原理

在進行檢測時，一般將張力傳感器安裝在紙幅導紙輥的支撐軸下方，在檢測時只檢測水平方向的張力值。當紙幅通過導紙輥時，其張力就被分解為垂直和水平方向的力，具體情況見圖2。

將紙張的總張力設置為F，設導紙輥和軸承的重力為G，紙幅的夾角為α、β，則有：

圖2 張力檢測原理

α、β角可以測得，紙幅的張力值F根據張力傳感器的值可以計算出來，為提高檢測精度，通常在導紙輥兩端各安放一個張力傳感器，測量值經處理器處理后所得平均值送PLC。

2.2 直接張力控制的實現

基于PLC的張力控制原理如圖3所示。

圖3 直接張力控制原理圖

首先先按照（2）式公式計算出輸出速度給定值，再比較張力給定值和張力檢測值的大小，及時調整速度給定，進而調整矢量變頻器的輸出頻率。要想進行直接張力控制，就必須保證變頻器的調節性能良好以及計算精確，從而實現系統的安全穩定運行。

式中：D——輥子直徑（m）；f——變頻器頻率給定（Hz）；V——紙機工作車速（m/min）；p——電機的磁極對數；i——傳動點的總機械傳動比。

3 張力控制MATLAB仿真

整個張力控制過程如圖4所示，當張力實測值不等于張力給定值時，應采用給速度鏈增加附加速度的方式，有效避免紙幅出現過緊或過松的情況，防止斷紙的出現。

已知期望張力值為65N。PID參數kp=0.5，ki=0.3，kd=0.6。仿真結果如圖5所示，由圖可知，初始時紙張張力為64.3N，運行25s后到達穩定值65N。仿真實驗表明，系統完全滿足張力控制要求。

圖4 張力控制過程示意圖

圖5 張力控制MATLAB仿真結果

4 總結

綜上所述，為進一步提高造紙機的安全性和穩定性，防止紙幅斷裂情況的出現。本文就張力控制系統在變頻造紙設備中的應用做了詳細的分析和研究，并提出了張力控制系統張力控制的兩種類型，同時還進行了仿真模擬。本文通過Matlab軟件環境下，Simulink工具箱對張力控制的仿真模擬，有效地分析和驗證了其最終運行結果，從而驗證了張力控制系統應用于變頻造紙設備的可行性。

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