辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）
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1 绪论
1.1 课题研究背景
随着全球造纸业及其相关行业的快速发展，人们不仅对纸张质量要求越来越严格，同时对纸张依赖性也变的越来越强。尤其是近几年，造纸业已经成为国际化程度非常高的行业之一，一个国家各类纸张的消费水平，在某种程度上标志了这个国家的文明程度。我国现在仍是个造纸产业的大国，远远不是个造纸产业的强国，与造纸产业强国相比，我国造纸业还有相当大的差距。同时我国的造纸业面临着很大的困难，即造纸业一方面要实现“十二五”期间低污染、低消耗、低排放、大量推广先进造纸技术与造纸装备以及提高造纸业自动化技术水平的目标；另一方面正遭遇着非常严峻的挑战，像国际纸页（International Paper）、斯道拉恩索（Stora Enso）、芬欧汇川纸业（UPM）等超级造纸业集团在我国都有造纸业投资和发展的规划。
在造纸业中，起着保障纸张最终品质的重要联合装备是造纸机（Paper Machine），它可以把符合造纸特性的纸料纤维悬浮液经滤网成形、机械挤压脱水、烘缸干燥、表面施胶、压光机压光、卷纸机卷取等过程抄制成成品纸幅，在此过程中它不仅要保证纸品优质性，还要满足抄纸生产运行的连续性、高效性及可控性。然而，由于造纸机实际抄纸运行工况复杂，工作车速波动控制要求非常严格，速度非常低就出现纸张严重窜边；速度非常高就出现纸张的残余应力过大而使纸张损坏纸边或断头。因此，造纸机若想制造出质量合格的成品，其必须拥有良好的电气传动控制系统，做到合理、高效地修正纸张实时线速度、纸辊电机实时转矩及纸幅实时张力等参数于相应的设定值区间内，进而来保障优质的纸张形态。
目前，为了设计出适用于制造不同纸种的造纸机电气传动控制系统，市面上已经出现和利时造纸机电气传动控制系统、ABB造纸机电气传动控制系统、西门子造纸机电气传动控制系统以及上海华章电气造纸机电气传动控制系统等多个现代造纸机电气传动控制系统，其中以西门子造纸机电气传动控制系统最为常见，本课题也主要以国内西门子高速造纸机电气传动控制系统为研究和设计的对象。图 1.1 所示为某5800/1600国内西门子造纸机电气传动控制系统的运行现场。
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图 1.1 5800/1600 西门子造纸机电气传动控制系统运行现场
1.2 造纸机电气传动控制系统国内外的研究现状及已有成果
国外的造纸业强国对造纸机系统的研究已经取得了丰硕的成果，尤其是大大提升了造纸机电气传动控制系统整体自动化水平，包括：操作更加方便简洁，适用于100多个纸种，实现了造纸、成本调控动作过程的全自动化，而且整个设计车速也已经超过2000m/min，工作车速也超过了1500m/min。并且在造纸机电气传动控制领域，国外各大电气传动集团公司已经设计出了用于造纸机电气传动控制的软件和硬件，如：西门子造纸机电气传动控制系统、ABB造纸机电气传动控制系统及分别针对它们最典型的西门子公司6SE70系列交流变频器，ABB公司的ACS800交流调速变频器。可以看出这些国外造纸机电气传动控制系统不但有自己的电机交流变频调速装置，还有针对性很强的系统专用控制面板或软件系统。
造纸在我国拥有悠久的历史，我国也是一个造纸大国，造纸工业在国民经济中所占的地位非常重要。目前，我国造纸工业的主要特点是：造纸企业数目众多，但普遍规模较小，并且所生产纸张品种单一，技术含量较低，自动化水平较低，污染也较为严重。据统计，我国的中型造纸企业大概有3000多家，这些造纸企业大多使用的都是低速造纸机，所谓低速造纸机指的是车速在300m/min以下的造纸机，并且这些造纸机控制系统大多采用的是开环控制系统；对于车速在300m/min至550m/min之间的中速造纸机而言，则经常会出现速度链同步不理想以及断纸等生产事故，而且均没有考虑故障诊断和容错控制等问题，极易导致误停车，造成生产事故，使企业损失重大。造纸机市场竞争
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激烈，国内该方面研发实力又落后于国外，因此必须加快研制高档造纸机的速度，同时逐步完善中档造纸机的控制系统，争取尽快扩大国内造纸机械的市场占用率。
一直以来，直流调速系统凭借其优良的调速性能以及负载率大等优点在造纸机传动系统中的应用占据着很大的比例。然而，直流调速系统也存在着很多缺点，比如：直流电动机的成本比较高，电刷维护困难，有些场合（如防爆、防腐蚀、防潮等场所）不能使用等等。随着计算机技术、电力电子技术、传感器技术以及智能控制理论的逐步完善和快速发展，交流变频调速系统在各工业领域的应用已经越来越广泛。交流变频调速与直流调速系统相比，其具有容量大、维护方便、节约能耗以及价格较低等优点。现在变频调速技术已经较为成熟，使交流调速系统也拥有了调速性能好、过载力矩和起动力矩大、启动平滑等等优点，已经逐渐取代了直流调速系统。另外，交流调速系统还具有如下优点：
（1）使用场合比直流调速系统更广泛。
（2）安装维护方便，能使用标准化的电机电缆。 （3）电动机的正反转控制变得更简单。
（4）避免了直流电动机的电刷粉尘对生产过程的影响。
近年来，采用可编程序控制器（PLC）结合现场总线技术来实现多台电动机的变频调速同步控制系统，已经成为国内外研究造纸机自动控制系统的一个推荐方案。从以上的分析可以看出，在现阶段，造纸机电气传动自动控制系统的研究对于我国造纸业的发展有着非常重要的理论和实践意义。
1.3 本文主要工作
通过对国外高速造纸机电气传动控制系统的研究，本文设计了国产高速造纸机电气传动控制系统，优化了造纸机电气传动控制策略并对国产高速造纸机高速运行时的关键参数进行了分析与设计，由实际造纸机电气传动控制工程项目检验了理论研究的成果和PLC软件控制算法的正确性。具体进行的主要工作如下：
（1）为了获得良好的抄纸纸页，进行了造纸机电气传动控制策略设计。 （2）造纸机通常运行在高速的状态下，且其工况会经常变化，其系统参数化分析就必然显得格外重要，本文对速度、负荷、张力等参数进行了计算和优化分析。
（3）本文具体的进行了造纸机电气传动控制系统的设计，包括系统硬件的配置、
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软件的选型、变频器的参数设置以及选型。特别是进行了冗余控制设计，设备过程管理（PDM）设计等。
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2 造纸机机械结构及造纸工艺流程
2.1 造纸机机械结构
造纸机（paper machine）是纸张抄造的联合装备，从第一台造纸机1803年问世至今，造纸机整体的机械结构在逐渐的完善，并有了固定的造纸工业技术规范，即整个抄纸过程由湿部和干部构成，湿部包括：浆料流送装置（流浆箱）、网部（成形部）以及压榨部；干部包括：干燥部、涂布部、压光部以及卷纸部。而现代造纸机的机械结构对于生产不一样的纸种必须用不同的机械结构形式，即在于不一样的网部（成形部）设计、压榨部设计、干燥部设计。如图 2.1 所示为造纸机机械结构示意图。
1-浆流分部器 2-流浆箱 3-胸辊 4-案辊 5-真空吸水箱 6-真空伏辊 7-压榨毛毯 8-第一道压榨辊 9-导纸辊 10-通风罩 11-干燥帆布 12-烘缸 13-通风系统电机 14-冷缸 15-纸幅 16-卷取机 17-压光机 18-导网辊 19-张紧辊 20-校正辊 21-导纸辊 22-第二道压榨辊 23-第三道压榨辊 24-烘缸组
图 2.1 造纸机机械结构