变频器在造纸行业的应用和分析（二）
而对于干部传动控制。由于干部的纸张已经建立了张力，所以，干部的控制以张力为目标。对张力容易发生变化的区域内的传动点采用转矩/张力控制，而对张力不容易发生变化的区域内的传动点则采用速度闭环控制。HZ-3000控制网络还提供了系统连锁（安全连锁、工艺连锁、起动连锁、停机连锁、断纸连锁、故障连锁等）和系统保护（相序监测、缺相监测、欠压监测、过压监测、瞬间过流保护、长时过流保护、编码器信号丢失报警和保护、超频、超速报警和保护、接地故障报警、通讯故障报警等）。由于在纸机传动控制系统中采用了通讯网络技术，纸机各传动分部的数据和系统连锁信息能通过通讯网络直接传送到信息层网络，即以太网。而以太网采用公开的通讯协议（EtherNetIP），因此能将数据传送给其它系统（如MCS、DCS和QCS系统）。
SIED造纸系统包括三部分：（1）工业PC机并预装先进的工控软件作为上机，用于过程、生产流程、机械和设备的可视化操作。通过MPI（多点接口）与PLC主站通讯。（2）PLC主站采用先进的高性能PLC系统配置，并提供标准工具及软件对硬件进行配置、参数设置、编程、操作、诊断。通过PROFIBUS-DP接口连接到现场级PROFIBUS-DP网络上，以12Mbit/s的通讯速度与下一级HMI人机界面或传动控制装置通讯。（3）HMI人机界面或传动控制装置通过PROFIBUS-DP接口连接到现场PROFIBUS-DP网络上。HMI人机界面或传动控制装置完成对现场数据的采集，并通过现场级PROFIBUS——DP网络交换数据和接受PLC主站指令并向PLC主站发送数据。
2、可控张力和转矩
在纸和纸板工业生产中，通常都需要进行张力和卷取控制，以生产符合要求的纸材，如超级压光机、复卷机、机外涂布机、切纸机等。目前，矢量变频器对于转矩和张力的控制已经可以基本满足造纸生产工艺的要求，其采用的方式主要有两种：闭环张力控制和开环张力控制。
张力闭环，是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成PID闭环，然后调整变频器的输出频率命令（速度模式）或输出转矩指令（转矩模式）。此方案可以适用于高精度的张力控制场合，如复卷机的张力控制。
但对于要求并不要求严格、又要求性价比高的收卷来说，可以采用比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、PID控制器，而只需要简单的变频器加PLC控制即可。在这种控制方式下，实际张力还是必须要知道的，无非它是通过变频器内部的检测和计算来获取的，从而省去张力检测装置，降低了系统的成本和难度。
矢量控制的变频器是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。
就目前的技术而言，具有收卷和放卷控制的变频器已经在纸机传动的很多设备进行了广泛的应用，并以简介的配置和灵活的应用获得了用户的好评。
3、直接传动系统
ABB从事纸机传动系统的供应已经有100年的历史了。初期是采用长轴传动，在上世纪六十年代开始被直流分部传动所替代。1983年，ABB公司第一个将交流的分部传动概念运用到纸机工业中。现在看来，所有的新纸机和大部分的纸机改造会采用交流分部传动。
为了更大程度上提高可靠性和降低运行周期成本，ABB在20世纪90年代中期开始着手发展一个新的纸机传动系统。其目标就是将一个高转矩直接耦合到纸机的传动端，从而可以在大部分情况下省去传动电机和纸机部分耦合的机械部分（如齿轮箱等）。
新一代纸机传动的第一个例子是在1999年中期在芬兰的一家纸机上，它已经成功运行到现在。该传动的功率是在234转/分时输出90KW。ABB其实是用“虚拟的数字齿轮箱”来替代了真正的机械齿轮箱。
在直接传动系统中，马达是通过一个传统的低速连接器直接耦合到纸机部分的。该电机是同步永磁电动机。ABB能提供这种专为纸机配套的系列电机产品。传动柜通常是由ABB的ACS600/800变频器组成的。关于变频器的硬件组成是与传统的交流异步传动一致的，都可以采用风冷和水冷。而软件的设计则是专用的永磁电机驱动软件。同步电机允许在纸机上采用无编码器的运行方式。传动部分的控制系统、应用软件以及人机界面的控制这几部分都是跟ABB在纸机上的解决方案一致。因此，直接传动能与其他的ABB传动方案同时并列运行，而且ACS600/800无须更换就可以升级到新的直接传动系统。
随着直接传动技术的发展，一个更简单的纸机传动系统现在看来已经可以出现在人们的面前。
在通常的纸机传动中，齿轮电机的速度通常都是在1500转/分到1800转/分。然后通过选择合适的齿轮比就可以获取合适的纸机运行速度。而在直接传动中，电机的额定转速通常是在300转/分到600转/分。使用一个传统的异步电机在此速度下运行，电机的尺寸将至少会是现在的2倍。很明显这样既不实用也不有效，因此这也是我们要发展新电机的一个原因。在新的永磁电机中，用永磁体替代了异步电机的鼠笼式导体。
在新的转子设计中，已经充分注意到降低转矩谐振以满足纸机运行所需要的光滑转矩特性。既然转子是实际上不耗能的，电机就能设计成更高的功率段，而且允许有更高的定子能量损耗。由于转子是永磁体，定子电流不再需要用做转子的励磁部分，因此能够产生更有效的转矩。几乎由定子产生的损耗如采用水冷式还能达到更高的负载稳定性能。
用户将从直接传动中获益，采用直接传动的好处主要有：
（1）由于采用更少的机械传动部件可以使工厂节省工程施工成本和安装费用；
（2）直接采用同步电机，降低了转矩脉动，能更好地保证纸机运行可靠性；
（3）更少的机械传动部件和省去了编码器使得纸机具有更高的可靠性；
（4）由于采用更少的零部件使得系统更加简单，维修成本也大为降低；
（5）更低的能量损耗。
几年前ABB公司就已经与一家叫RSO的咨询公司合作开展对将传统的齿轮传动更换直接传动后节能的研究，这里就讲讲当时这项研究的主要部分。这项课题的研究方向就是针对一个现代的、高容量的纸机。运行成本的节省是从用户的观点出发来考虑的。运行成本的节省包括在齿轮箱、联结器、附件和备件以及齿轮的附件系统。在建筑结构的投资、相关的工程施工工作等也需要计算在内。所有者的费用能分为运行费用、维护费用以及所引起的其他费用。直接传动系统省去了齿轮箱，尺寸的减少也可以节省厂房空间和传动的基础部分。对纸机部分的影响也同时省去了对该部分进行计划的成本。在对齿轮箱传动改造后可以腾出更多的空间来放置新的设备。影响纸机的因素包括地面设备的安置、电气室的配置和其他的电气设备等，同时也包括了维护人员日常的巡检通道、排风机的通风等。间接的受益还包括提供了一个更大的工作空间。研究的结果表明总的费用节省大概是一台相同规模纸机，20%是来自获得的节省额，80%是用户的成本。
四、造纸行业变频改造的前景
我们在关注新增纸机产能的同时，我们也必须注意到现有纸机的改造一块。据有关方面统计，我国拥有3780多万吨生产能力，单机生产能力在5万吨以上以及纸板机生产能力在10万吨以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生产能力需要投入巨资改造，其中至少三分之一的纸机需要部分或全部更换原来的传动部分（包括机械齿轮箱和电机传动），以提高车速或降低能耗。事实已经证明造纸企业是高能耗企业，据多年的数字统计，每吨纸所耗电能都在500度以上，电力消耗十分严重。
在今后五年间大约有40～60万KW制浆造纸设备的装机功率需要投入改造。按改造系统1KW/1500RMB的计算，会将近有6～9亿左右的变频器市场，由于原本涉及国内本地化改造项目，将会有相当数量地采用国产变频器，因此这将是国产变频器可以角逐的天地，市场潜力巨大，应该引起足够重视。
1、纸机分部传动的变频改造
造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差，主要表现如下：1.整流子磨损严重,烧毁整流子的故障,导致停机时间长；2.直流电机维修困难多,要求高,修理费用也高；3.测速发电机易磨损，造成传动系统精度低；4.直流调速控制系统复杂,调试困难,一般技工很难调出好的机器。
目前我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，最高车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。
纸机传动的变频改造有非常好的效果，如从工艺上改善纸品、增加产能、降低能耗、延长停机检修周期。为了生产过程纸页特性变化的需要，纸机的变频传动能够保证在一定范围内调节车速，且各个分部的速度能单独调节。
2、造纸附属设备的变频改
SIED造纸系统包括三部分：（1）工业PC机并预装先进的工控软件作为上机，用于过程、生产流程、机械和设备的可视化操作。通过MPI（多点接口）与PLC主站通讯。（2）PLC主站采用先进的高性能PLC系统配置，并提供标准工具及软件对硬件进行配置、参数设置、编程、操作、诊断。通过PROFIBUS-DP接口连接到现场级PROFIBUS-DP网络上，以12Mbit/s的通讯速度与下一级HMI人机界面或传动控制装置通讯。（3）HMI人机界面或传动控制装置通过PROFIBUS-DP接口连接到现场PROFIBUS-DP网络上。HMI人机界面或传动控制装置完成对现场数据的采集，并通过现场级PROFIBUS——DP网络交换数据和接受PLC主站指令并向PLC主站发送数据。
2、可控张力和转矩
在纸和纸板工业生产中，通常都需要进行张力和卷取控制，以生产符合要求的纸材，如超级压光机、复卷机、机外涂布机、切纸机等。目前，矢量变频器对于转矩和张力的控制已经可以基本满足造纸生产工艺的要求，其采用的方式主要有两种：闭环张力控制和开环张力控制。
张力闭环，是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成PID闭环，然后调整变频器的输出频率命令（速度模式）或输出转矩指令（转矩模式）。此方案可以适用于高精度的张力控制场合，如复卷机的张力控制。
但对于要求并不要求严格、又要求性价比高的收卷来说，可以采用比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、PID控制器，而只需要简单的变频器加PLC控制即可。在这种控制方式下，实际张力还是必须要知道的，无非它是通过变频器内部的检测和计算来获取的，从而省去张力检测装置，降低了系统的成本和难度。
矢量控制的变频器是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。
就目前的技术而言，具有收卷和放卷控制的变频器已经在纸机传动的很多设备进行了广泛的应用，并以简介的配置和灵活的应用获得了用户的好评。
3、直接传动系统
ABB从事纸机传动系统的供应已经有100年的历史了。初期是采用长轴传动，在上世纪六十年代开始被直流分部传动所替代。1983年，ABB公司第一个将交流的分部传动概念运用到纸机工业中。现在看来，所有的新纸机和大部分的纸机改造会采用交流分部传动。
为了更大程度上提高可靠性和降低运行周期成本，ABB在20世纪90年代中期开始着手发展一个新的纸机传动系统。其目标就是将一个高转矩直接耦合到纸机的传动端，从而可以在大部分情况下省去传动电机和纸机部分耦合的机械部分（如齿轮箱等）。
新一代纸机传动的第一个例子是在1999年中期在芬兰的一家纸机上，它已经成功运行到现在。该传动的功率是在234转/分时输出90KW。ABB其实是用“虚拟的数字齿轮箱”来替代了真正的机械齿轮箱。
在直接传动系统中，马达是通过一个传统的低速连接器直接耦合到纸机部分的。该电机是同步永磁电动机。ABB能提供这种专为纸机配套的系列电机产品。传动柜通常是由ABB的ACS600/800变频器组成的。关于变频器的硬件组成是与传统的交流异步传动一致的，都可以采用风冷和水冷。而软件的设计则是专用的永磁电机驱动软件。同步电机允许在纸机上采用无编码器的运行方式。传动部分的控制系统、应用软件以及人机界面的控制这几部分都是跟ABB在纸机上的解决方案一致。因此，直接传动能与其他的ABB传动方案同时并列运行，而且ACS600/800无须更换就可以升级到新的直接传动系统。
随着直接传动技术的发展，一个更简单的纸机传动系统现在看来已经可以出现在人们的面前。
在通常的纸机传动中，齿轮电机的速度通常都是在1500转/分到1800转/分。然后通过选择合适的齿轮比就可以获取合适的纸机运行速度。而在直接传动中，电机的额定转速通常是在300转/分到600转/分。使用一个传统的异步电机在此速度下运行，电机的尺寸将至少会是现在的2倍。很明显这样既不实用也不有效，因此这也是我们要发展新电机的一个原因。在新的永磁电机中，用永磁体替代了异步电机的鼠笼式导体。
在新的转子设计中，已经充分注意到降低转矩谐振以满足纸机运行所需要的光滑转矩特性。既然转子是实际上不耗能的，电机就能设计成更高的功率段，而且允许有更高的定子能量损耗。由于转子是永磁体，定子电流不再需要用做转子的励磁部分，因此能够产生更有效的转矩。几乎由定子产生的损耗如采用水冷式还能达到更高的负载稳定性能。
用户将从直接传动中获益，采用直接传动的好处主要有：
（1）由于采用更少的机械传动部件可以使工厂节省工程施工成本和安装费用；
（2）直接采用同步电机，降低了转矩脉动，能更好地保证纸机运行可靠性；
（3）更少的机械传动部件和省去了编码器使得纸机具有更高的可靠性；
（4）由于采用更少的零部件使得系统更加简单，维修成本也大为降低；
（5）更低的能量损耗。
几年前ABB公司就已经与一家叫RSO的咨询公司合作开展对将传统的齿轮传动更换直接传动后节能的研究，这里就讲讲当时这项研究的主要部分。这项课题的研究方向就是针对一个现代的、高容量的纸机。运行成本的节省是从用户的观点出发来考虑的。运行成本的节省包括在齿轮箱、联结器、附件和备件以及齿轮的附件系统。在建筑结构的投资、相关的工程施工工作等也需要计算在内。所有者的费用能分为运行费用、维护费用以及所引起的其他费用。直接传动系统省去了齿轮箱，尺寸的减少也可以节省厂房空间和传动的基础部分。对纸机部分的影响也同时省去了对该部分进行计划的成本。在对齿轮箱传动改造后可以腾出更多的空间来放置新的设备。影响纸机的因素包括地面设备的安置、电气室的配置和其他的电气设备等，同时也包括了维护人员日常的巡检通道、排风机的通风等。间接的受益还包括提供了一个更大的工作空间。研究的结果表明总的费用节省大概是一台相同规模纸机，20%是来自获得的节省额，80%是用户的成本。
四、造纸行业变频改造的前景
我们在关注新增纸机产能的同时，我们也必须注意到现有纸机的改造一块。据有关方面统计，我国拥有3780多万吨生产能力，单机生产能力在5万吨以上以及纸板机生产能力在10万吨以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生产能力需要投入巨资改造，其中至少三分之一的纸机需要部分或全部更换原来的传动部分（包括机械齿轮箱和电机传动），以提高车速或降低能耗。事实已经证明造纸企业是高能耗企业，据多年的数字统计，每吨纸所耗电能都在500度以上，电力消耗十分严重。
在今后五年间大约有40～60万KW制浆造纸设备的装机功率需要投入改造。按改造系统1KW/1500RMB的计算，会将近有6～9亿左右的变频器市场，由于原本涉及国内本地化改造项目，将会有相当数量地采用国产变频器，因此这将是国产变频器可以角逐的天地，市场潜力巨大，应该引起足够重视。
1、纸机分部传动的变频改造
造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差，主要表现如下：1.整流子磨损严重,烧毁整流子的故障,导致停机时间长；2.直流电机维修困难多,要求高,修理费用也高；3.测速发电机易磨损，造成传动系统精度低；4.直流调速控制系统复杂,调试困难,一般技工很难调出好的机器。
目前我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，最高车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。
纸机传动的变频改造有非常好的效果，如从工艺上改善纸品、增加产能、降低能耗、延长停机检修周期。为了生产过程纸页特性变化的需要，纸机的变频传动能够保证在一定范围内调节车速，且各个分部的速度能单独调节。
2、造纸附属设备的变频改
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