造纸机的电气传动系统设计毕业设计论文.docx
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造纸机的电气传动系统设计毕业设计论文
毕业设计论文
造纸机的电气传动系统设计
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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日期:
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日期:
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日期:
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注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
造纸术是我国古代四大发明之一,有着悠久的文明历史。
随着日常生活对纸张品质要求的不断提高,造纸机也正向着大型、高速、高效的方向迅速发展,这就对造纸机的电气传动系统提出了更加严格的要求。
面对日趋激烈的市场竞争,我国造纸业已经步入“质量效益主导型”的新阶段,其中造纸机的电气传动控制系统作为保障纸张质量的关键技术,已经引起了我国造纸企业的高度重视。
首先,本文对造纸机电气传动系统的国内外发展现状做了简要的介绍,并介绍了造纸机的机械结构以及造纸的工艺流程。
接着,详细的分析了速度链、负荷分配以及纸幅张力等影响电气传动控制系统的诸多因素,并给出了造纸机对电气传动控制系统的基本要求。
通过对电气传动控制系统工艺的进一步分析,计算了影响电气传动品质的相关参数。
同时给出了速度链、动态负荷、张力需求的计算公式以及电机电磁转矩的离散化方程。
最后,根据交流变频调速系统的应用,给出了造纸机在实际应用中变频器的相关参数及变频器的选型并对造纸机电气传动控制系统进行了合理的设计。
关键词:
造纸机;电气传动控制;速度链;张力控制;交流变频调速;变频器
THEDESIGNOFPAPERMACHINEELECTRICALDRIVINGSYSTEM
ABSTRACT
Paper-makingtechniqueisoneofancientChina'sfourgreatinventions,hasalonghistoryofcivilization.Withtheincreasingdemandforpaperquality,papermachinetowardsthedevelopmentoflarge-scale,high-speed,efficientdirection,whichalsoputforwardhigherrequirementsforpapermachinecontrolsystem.Withincreasinglyfiercemarketcompetition,Chinesepaperindustryhasstartedtoenterintoanewdevelopmentstageof“qualityandefficiency-oriented”.Andthepapermachineelectricaldrivingcontrolasthepaperqualityprotectiontechnology,hasbeenwidelyfavoredbythepapercompaniesathome.First,thearticlemadeapresentationonthepapermachinecontrolsystemdevelopmentintheworld.Atthesametime,introducesthemechanicalstructureandthetechnologicalprocessofpapermaking.Thenanalyzedthespeedchain,loaddistributionandpapertensiononthedrivingcontrolsystemandmanyfactorsoftheinfluenceoftheelectricaldrivecontrolsystem,andgivethebasicrequirementsoftheelectricdrivecontrolsystem.Inthisthesisanalyzedthetheoreticaltransmissionparametersofthedrivingsystem,calculatedalltherelevantfactorsaffectingthetransmissionqualitytoachieveagoodcontroleffect.Atthesametime,thespeedlink,thedynamicloadandthetensiondemandarecalculated,andtheelectromagnetictorqueofthemotorisdiscretized.Finally,accordingtotheapplicationofACvariablefrequencyspeedcontrolsystem,thecorrelationparametersoftheinverterandtheconverterselectionoftheinverterinpracticalapplicationaregiven.Andthepapermakesareasonabledesignfortheelectricdrivecontrolsystemofpapermachine.
Keywords:
Papermachine;Electricdrivecontrol;Speedchain;Tensioncontrol;ACfrequencyconverter;Frequencyconverter
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(InternationalPaper)、斯道拉恩索(StoraEnso)、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(PaperMachine),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。
图1.15800/1600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、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。
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(papermachine)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
2.1.1造纸机网部
造纸机网部又称成形部,是纸浆纤维脱水成湿纸幅的重要分部间,其机械结构主要由成型网、胸辊、案辊、吸水箱、伏辊等重要成形部件组成,此外,还有成型网网案的支撑机构、驱动机构、张紧机构、校正机构、舒展机构和清洗的辅助机构和抄纸中的操纵控制机构。
2.1.2造纸机压榨部
对成形后的湿纸页以加压的方式进一步脱水。
它由辊面硬和软的两个辊子,如石辊和胶辊相配组成一组压榨,并分别由各自电机独立驱动,在造纸机电气传动控制系统里,每组压榨上辊石辊和压榨下辊胶辊均为主传动点。
2.1.3造纸机压光部
为了使抄纸纸页有良好的光泽度与平滑度,纸页的厚度必须得到均匀的一致性控制,即纸页必须进行多重压光整饰处理。
软压光机与压光机就是能实现上述功能效果的技术装置,压光机机械结构通常有3~10个辊筒,其中2~3个为造纸机电气传动控制系统主传动点。
2.1.4造纸机干燥部和卷取部
造纸机干燥部的机械结构由多组烘缸构成,并采用了双列的烘缸结构形式,上下两层烘缸均配置有干毯,干燥部的最后,通常配置有1~2个冷缸,使水气能在冷缸面上凝聚。
造纸机卷取部的机械结构主要是由卷纸机(复卷机)组成,它可以靠卷纸辊的自身重量及冷缸转动的摩擦力将压光机整饰好的成品纸页卷曲成为筒体。
在造纸机电气传动控制系统中,卷纸机的卷纸辊通常为传动点,并要求这个传动点做好纸幅张力控制,以防纸页断头或出现褶皱。
2.2造纸工艺流程
造纸的原料主要有两种:
一种是含纤维的植物,还有一种就是现在比较环保的废纸在回收。
第一种原料造纸比较复杂一点,先要切碎,在加高浓度碱水进行高温蒸煮,还要经过CX筛、高频震动筛、洗浆机、压滤机等机械去除原桨中含有的碱水,然后进行漂白。
漂白后经洗涤加水配成0.03%的桨液就可以造纸了。
第二种就简单一点了,将废纸、工业双氧水、脱墨剂、碱、水按一定比例配好,用水力碎桨机打一定的时间;最后用跳筛筛去杂质就可以造纸了。
不管用什么方法造纸,原理都是一样,就是把造纸原料的纤维打碎,再经高温从新结合。
造纸的工艺流程由如下几个主要环节组成
制浆段:
原料选择→蒸煮分离纤维→洗涤→漂白→洗涤筛选→浓缩或抄成浆片→储存备用
抄纸段:
散浆→除杂质→精浆→打浆→配制各种添加剂→纸料的混合→纸料的流送→头箱→网部→压榨部→干燥部→表面施胶→干燥→压光→卷取成纸
涂布段:
涂布原纸→涂布机涂布→干燥→卷取→再卷→超级压光
加工段:
复卷→裁切平板(或卷筒)→分选包装→入库结束
造纸机部分工艺流程如图2.2所示。
图2.2造纸工艺部分流程图
2.3本章小结
本章主要介绍了造纸机整体的机械结构以及各分部的电气传动点,简要的介绍了造纸的工艺流程,这为造纸机电气传动系统的控制策略和参数分析提供了良好的支持。
3造纸机电气传动控制策略分析
3.1造纸机电气传动概述
造纸机电气传动往往包含两种基本传动方式:
总轴传动和分部传动。
总轴传动也叫单机传动,它的动力源仅仅来源于某个主变频电动机,这种传动方式往往被使用在工作速度比较低的小型造纸机传动控制系统中。
分部传动也叫多电机传动,它的动力源往往来自于多个主变频电动机,这种传动方式经常被用在工作车速较高的造纸机传动控制系统中。
分部传动的控制方式不仅操作方便运行安全可靠,还能让造纸机各分部的速比关系保持不变,这种传动方式还可以做传动系统的结构优化工作,从而使速度调节范围扩大且速度调节效果更好,这种传动系统节约电能,操作更加简便,满足了本设计的大型高速造纸机电气传动控制系统的传动方式。
3.1.1造纸机电气传动控制系统的基本要求
造纸机电气传动控制系统是造纸机控制系统的重要组成部分,对抄纸的稳定性、纸张的质量有着非常重要的影响。
为了可以生产出品质较高的纸品,在造纸工业中,对造纸机电气传动控制系统提出了如下基本要求:
(1)整机实际工作速度的有效调节
(2)保证实际工作车速的恒定
(3)各分部良好的动态调整
(4)维持分部间定速比关系的恒定不变
(5)稳定的爬行速度
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