變頻器在造紙行業的應用和分析（二）
而對于干部傳動控制。由于干部的紙張已經建立了張力，所以，干部的控制以張力為目標。對張力容易發生變化的區域內的傳動點采用轉矩/張力控制，而對張力不容易發生變化的區域內的傳動點則采用速度閉環控制。HZ-3000控制網絡還提供了系統連鎖（安全連鎖、工藝連鎖、起動連鎖、停機連鎖、斷紙連鎖、故障連鎖等）和系統保護（相序監測、缺相監測、欠壓監測、過壓監測、瞬間過流保護、長時過流保護、編碼器信號丟失報警和保護、超頻、超速報警和保護、接地故障報警、通訊故障報警等）。由于在紙機傳動控制系統中采用了通訊網絡技術，紙機各傳動分部的數據和系統連鎖信息能通過通訊網絡直接傳送到信息層網絡，即以太網。而以太網采用公開的通訊協議（EtherNetIP），因此能將數據傳送給其它系統（如MCS、DCS和QCS系統）。
SIED造紙系統包括三部分：（1）工業PC機并預裝先進的工控軟件作為上機，用于過程、生產流程、機械和設備的可視化操作。通過MPI（多點接口）與PLC主站通訊。（2）PLC主站采用先進的高性能PLC系統配置，并提供標準工具及軟件對硬件進行配置、參數設置、編程、操作、診斷。通過PROFIBUS-DP接口連接到現場級PROFIBUS-DP網絡上，以12Mbit/s的通訊速度與下一級HMI人機界面或傳動控制裝置通訊。（3）HMI人機界面或傳動控制裝置通過PROFIBUS-DP接口連接到現場PROFIBUS-DP網絡上。HMI人機界面或傳動控制裝置完成對現場數據的采集，并通過現場級PROFIBUS——DP網絡交換數據和接受PLC主站指令并向PLC主站發送數據。
2、可控張力和轉矩
在紙和紙板工業生產中，通常都需要進行張力和卷取控制，以生產符合要求的紙材，如超級壓光機、復卷機、機外涂布機、切紙機等。目前，矢量變頻器對于轉矩和張力的控制已經可以基本滿足造紙生產工藝的要求，其采用的方式主要有兩種：閉環張力控制和開環張力控制。
張力閉環，是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設定值構成PID閉環，然后調整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉矩指令（轉矩模式）。此方案可以適用于高精度的張力控制場合，如復卷機的張力控制。
但對于要求并不要求嚴格、又要求性價比高的收卷來說，可以采用比較實用的矢量變頻器限轉矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。在這種控制方式下，實際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內部的檢測和計算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，降低了系統的成本和難度。
矢量控制的變頻器是通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，可以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。
就目前的技術而言，具有收卷和放卷控制的變頻器已經在紙機傳動的很多設備進行了廣泛的應用，并以簡介的配置和靈活的應用獲得了用戶的好評。
3、直接傳動系統
ABB從事紙機傳動系統的供應已經有100年的歷史了。初期是采用長軸傳動，在上世紀六十年代開始被直流分部傳動所替代。1983年，ABB公司第一個將交流的分部傳動概念運用到紙機工業中。現在看來，所有的新紙機和大部分的紙機改造會采用交流分部傳動。
為了更大程度上提高可靠性和降低運行周期成本，ABB在20世紀90年代中期開始著手發展一個新的紙機傳動系統。其目標就是將一個高轉矩直接耦合到紙機的傳動端，從而可以在大部分情況下省去傳動電機和紙機部分耦合的機械部分（如齒輪箱等）。
新一代紙機傳動的第一個例子是在1999年中期在芬蘭的一家紙機上，它已經成功運行到現在。該傳動的功率是在234轉/分時輸出90KW。ABB其實是用“虛擬的數字齒輪箱”來替代了真正的機械齒輪箱。
在直接傳動系統中，馬達是通過一個傳統的低速連接器直接耦合到紙機部分的。該電機是同步永磁電動機。ABB能提供這種專為紙機配套的系列電機產品。傳動柜通常是由ABB的ACS600/800變頻器組成的。關于變頻器的硬件組成是與傳統的交流異步傳動一致的，都可以采用風冷和水冷。而軟件的設計則是專用的永磁電機驅動軟件。同步電機允許在紙機上采用無編碼器的運行方式。傳動部分的控制系統、應用軟件以及人機界面的控制這幾部分都是跟ABB在紙機上的解決方案一致。因此，直接傳動能與其他的ABB傳動方案同時并列運行，而且ACS600/800無須更換就可以升級到新的直接傳動系統。
隨著直接傳動技術的發展，一個更簡單的紙機傳動系統現在看來已經可以出現在人們的面前。
在通常的紙機傳動中，齒輪電機的速度通常都是在1500轉/分到1800轉/分。然后通過選擇合適的齒輪比就可以獲取合適的紙機運行速度。而在直接傳動中，電機的額定轉速通常是在300轉/分到600轉/分。使用一個傳統的異步電機在此速度下運行，電機的尺寸將至少會是現在的2倍。很明顯這樣既不實用也不有效，因此這也是我們要發展新電機的一個原因。在新的永磁電機中，用永磁體替代了異步電機的鼠籠式導體。
在新的轉子設計中，已經充分注意到降低轉矩諧振以滿足紙機運行所需要的光滑轉矩特性。既然轉子是實際上不耗能的，電機就能設計成更高的功率段，而且允許有更高的定子能量損耗。由于轉子是永磁體，定子電流不再需要用做轉子的勵磁部分，因此能夠產生更有效的轉矩。幾乎由定子產生的損耗如采用水冷式還能達到更高的負載穩定性能。
用戶將從直接傳動中獲益，采用直接傳動的好處主要有：
（1）由于采用更少的機械傳動部件可以使工廠節省工程施工成本和安裝費用；
（2）直接采用同步電機，降低了轉矩脈動，能更好地保證紙機運行可靠性；
（3）更少的機械傳動部件和省去了編碼器使得紙機具有更高的可靠性；
（4）由于采用更少的零部件使得系統更加簡單，維修成本也大為降低；
（5）更低的能量損耗。
幾年前ABB公司就已經與一家叫RSO的咨詢公司合作開展對將傳統的齒輪傳動更換直接傳動后節能的研究，這里就講講當時這項研究的主要部分。這項課題的研究方向就是針對一個現代的、高容量的紙機。運行成本的節省是從用戶的觀點出發來考慮的。運行成本的節省包括在齒輪箱、聯結器、附件和備件以及齒輪的附件系統。在建筑結構的投資、相關的工程施工工作等也需要計算在內。所有者的費用能分為運行費用、維護費用以及所引起的其他費用。直接傳動系統省去了齒輪箱，尺寸的減少也可以節省廠房空間和傳動的基礎部分。對紙機部分的影響也同時省去了對該部分進行計劃的成本。在對齒輪箱傳動改造后可以騰出更多的空間來放置新的設備。影響紙機的因素包括地面設備的安置、電氣室的配置和其他的電氣設備等，同時也包括了維護人員日常的巡檢通道、排風機的通風等。間接的受益還包括提供了一個更大的工作空間。研究的結果表明總的費用節省大概是一臺相同規模紙機，20%是來自獲得的節省額，80%是用戶的成本。
四、造紙行業變頻改造的前景
我們在關注新增紙機產能的同時，我們也必須注意到現有紙機的改造一塊。據有關方面統計，我國擁有3780多萬噸生產能力，單機生產能力在5萬噸以上以及紙板機生產能力在10萬噸以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生產能力需要投入巨資改造，其中至少三分之一的紙機需要部分或全部更換原來的傳動部分（包括機械齒輪箱和電機傳動），以提高車速或降低能耗。事實已經證明造紙企業是高能耗企業，據多年的數字統計，每噸紙所耗電能都在500度以上，電力消耗十分嚴重。
在今后五年間大約有40～60萬KW制漿造紙設備的裝機功率需要投入改造。按改造系統1KW/1500RMB的計算，會將近有6～9億左右的變頻器市場，由于原本涉及國內本地化改造項目，將會有相當數量地采用國產變頻器，因此這將是國產變頻器可以角逐的天地，市場潛力巨大，應該引起足夠重視。
1、紙機分部傳動的變頻改造
造紙是一個連續生產的過程，因此生產線的連續和有序控制成為了制約成品紙質量和產量的瓶頸。直流調速系統在紙機的發展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環境能力差，主要表現如下：1.整流子磨損嚴重,燒毀整流子的故障,導致停機時間長；2.直流電機維修困難多,要求高,修理費用也高；3.測速發電機易磨損，造成傳動系統精度低；4.直流調速控制系統復雜,調試困難,一般技工很難調出好的機器。
目前我國造紙機分部傳動設備，以前采用SCR直流調速方式，由于存在滑環和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導致紙機的機械落后，最高車速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速紙機相比。
紙機傳動的變頻改造有非常好的效果，如從工藝上改善紙品、增加產能、降低能耗、延長停機檢修周期。為了生產過程紙頁特性變化的需要，紙機的變頻傳動能夠保證在一定范圍內調節車速，且各個分部的速度能單獨調節。
2、造紙附屬設備的變頻改
SIED造紙系統包括三部分：（1）工業PC機并預裝先進的工控軟件作為上機，用于過程、生產流程、機械和設備的可視化操作。通過MPI（多點接口）與PLC主站通訊。（2）PLC主站采用先進的高性能PLC系統配置，并提供標準工具及軟件對硬件進行配置、參數設置、編程、操作、診斷。通過PROFIBUS-DP接口連接到現場級PROFIBUS-DP網絡上，以12Mbit/s的通訊速度與下一級HMI人機界面或傳動控制裝置通訊。（3）HMI人機界面或傳動控制裝置通過PROFIBUS-DP接口連接到現場PROFIBUS-DP網絡上。HMI人機界面或傳動控制裝置完成對現場數據的采集，并通過現場級PROFIBUS——DP網絡交換數據和接受PLC主站指令并向PLC主站發送數據。
2、可控張力和轉矩
在紙和紙板工業生產中，通常都需要進行張力和卷取控制，以生產符合要求的紙材，如超級壓光機、復卷機、機外涂布機、切紙機等。目前，矢量變頻器對于轉矩和張力的控制已經可以基本滿足造紙生產工藝的要求，其采用的方式主要有兩種：閉環張力控制和開環張力控制。
張力閉環，是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設定值構成PID閉環，然后調整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉矩指令（轉矩模式）。此方案可以適用于高精度的張力控制場合，如復卷機的張力控制。
但對于要求并不要求嚴格、又要求性價比高的收卷來說，可以采用比較實用的矢量變頻器限轉矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。在這種控制方式下，實際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內部的檢測和計算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，降低了系統的成本和難度。
矢量控制的變頻器是通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，可以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。
就目前的技術而言，具有收卷和放卷控制的變頻器已經在紙機傳動的很多設備進行了廣泛的應用，并以簡介的配置和靈活的應用獲得了用戶的好評。
3、直接傳動系統
ABB從事紙機傳動系統的供應已經有100年的歷史了。初期是采用長軸傳動，在上世紀六十年代開始被直流分部傳動所替代。1983年，ABB公司第一個將交流的分部傳動概念運用到紙機工業中。現在看來，所有的新紙機和大部分的紙機改造會采用交流分部傳動。
為了更大程度上提高可靠性和降低運行周期成本，ABB在20世紀90年代中期開始著手發展一個新的紙機傳動系統。其目標就是將一個高轉矩直接耦合到紙機的傳動端，從而可以在大部分情況下省去傳動電機和紙機部分耦合的機械部分（如齒輪箱等）。
新一代紙機傳動的第一個例子是在1999年中期在芬蘭的一家紙機上，它已經成功運行到現在。該傳動的功率是在234轉/分時輸出90KW。ABB其實是用“虛擬的數字齒輪箱”來替代了真正的機械齒輪箱。
在直接傳動系統中，馬達是通過一個傳統的低速連接器直接耦合到紙機部分的。該電機是同步永磁電動機。ABB能提供這種專為紙機配套的系列電機產品。傳動柜通常是由ABB的ACS600/800變頻器組成的。關于變頻器的硬件組成是與傳統的交流異步傳動一致的，都可以采用風冷和水冷。而軟件的設計則是專用的永磁電機驅動軟件。同步電機允許在紙機上采用無編碼器的運行方式。傳動部分的控制系統、應用軟件以及人機界面的控制這幾部分都是跟ABB在紙機上的解決方案一致。因此，直接傳動能與其他的ABB傳動方案同時并列運行，而且ACS600/800無須更換就可以升級到新的直接傳動系統。
隨著直接傳動技術的發展，一個更簡單的紙機傳動系統現在看來已經可以出現在人們的面前。
在通常的紙機傳動中，齒輪電機的速度通常都是在1500轉/分到1800轉/分。然后通過選擇合適的齒輪比就可以獲取合適的紙機運行速度。而在直接傳動中，電機的額定轉速通常是在300轉/分到600轉/分。使用一個傳統的異步電機在此速度下運行，電機的尺寸將至少會是現在的2倍。很明顯這樣既不實用也不有效，因此這也是我們要發展新電機的一個原因。在新的永磁電機中，用永磁體替代了異步電機的鼠籠式導體。
在新的轉子設計中，已經充分注意到降低轉矩諧振以滿足紙機運行所需要的光滑轉矩特性。既然轉子是實際上不耗能的，電機就能設計成更高的功率段，而且允許有更高的定子能量損耗。由于轉子是永磁體，定子電流不再需要用做轉子的勵磁部分，因此能夠產生更有效的轉矩。幾乎由定子產生的損耗如采用水冷式還能達到更高的負載穩定性能。
用戶將從直接傳動中獲益，采用直接傳動的好處主要有：
（1）由于采用更少的機械傳動部件可以使工廠節省工程施工成本和安裝費用；
（2）直接采用同步電機，降低了轉矩脈動，能更好地保證紙機運行可靠性；
（3）更少的機械傳動部件和省去了編碼器使得紙機具有更高的可靠性；
（4）由于采用更少的零部件使得系統更加簡單，維修成本也大為降低；
（5）更低的能量損耗。
幾年前ABB公司就已經與一家叫RSO的咨詢公司合作開展對將傳統的齒輪傳動更換直接傳動后節能的研究，這里就講講當時這項研究的主要部分。這項課題的研究方向就是針對一個現代的、高容量的紙機。運行成本的節省是從用戶的觀點出發來考慮的。運行成本的節省包括在齒輪箱、聯結器、附件和備件以及齒輪的附件系統。在建筑結構的投資、相關的工程施工工作等也需要計算在內。所有者的費用能分為運行費用、維護費用以及所引起的其他費用。直接傳動系統省去了齒輪箱，尺寸的減少也可以節省廠房空間和傳動的基礎部分。對紙機部分的影響也同時省去了對該部分進行計劃的成本。在對齒輪箱傳動改造后可以騰出更多的空間來放置新的設備。影響紙機的因素包括地面設備的安置、電氣室的配置和其他的電氣設備等，同時也包括了維護人員日常的巡檢通道、排風機的通風等。間接的受益還包括提供了一個更大的工作空間。研究的結果表明總的費用節省大概是一臺相同規模紙機，20%是來自獲得的節省額，80%是用戶的成本。
四、造紙行業變頻改造的前景
我們在關注新增紙機產能的同時，我們也必須注意到現有紙機的改造一塊。據有關方面統計，我國擁有3780多萬噸生產能力，單機生產能力在5萬噸以上以及紙板機生產能力在10萬噸以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生產能力需要投入巨資改造，其中至少三分之一的紙機需要部分或全部更換原來的傳動部分（包括機械齒輪箱和電機傳動），以提高車速或降低能耗。事實已經證明造紙企業是高能耗企業，據多年的數字統計，每噸紙所耗電能都在500度以上，電力消耗十分嚴重。
在今后五年間大約有40～60萬KW制漿造紙設備的裝機功率需要投入改造。按改造系統1KW/1500RMB的計算，會將近有6～9億左右的變頻器市場，由于原本涉及國內本地化改造項目，將會有相當數量地采用國產變頻器，因此這將是國產變頻器可以角逐的天地，市場潛力巨大，應該引起足夠重視。
1、紙機分部傳動的變頻改造
造紙是一個連續生產的過程，因此生產線的連續和有序控制成為了制約成品紙質量和產量的瓶頸。直流調速系統在紙機的發展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環境能力差，主要表現如下：1.整流子磨損嚴重,燒毀整流子的故障,導致停機時間長；2.直流電機維修困難多,要求高,修理費用也高；3.測速發電機易磨損，造成傳動系統精度低；4.直流調速控制系統復雜,調試困難,一般技工很難調出好的機器。
目前我國造紙機分部傳動設備，以前采用SCR直流調速方式，由于存在滑環和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導致紙機的機械落后，最高車速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速紙機相比。
紙機傳動的變頻改造有非常好的效果，如從工藝上改善紙品、增加產能、降低能耗、延長停機檢修周期。為了生產過程紙頁特性變化的需要，紙機的變頻傳動能夠保證在一定范圍內調節車速，且各個分部的速度能單獨調節。
2、造紙附屬設備的變頻改
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢