變頻器在造紙行業(yè)的應(yīng)用和分析（一）

一、造紙行業(yè)的應(yīng)用背景
造紙行業(yè)是我國的基礎(chǔ)工業(yè)之一，國內(nèi)紙漿造紙企業(yè)數(shù)量大、分布廣，在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。
造紙變頻的最主要應(yīng)用是多電機(jī)分部傳動(dòng)。由于老式紙機(jī)很多采用單直流電機(jī)傳動(dòng)，且通過機(jī)械分配轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)速，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常由于機(jī)械磨損、皮帶的打滑等因素造成速度匹配失調(diào)，容易形成斷紙、厚薄不均等現(xiàn)象，同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)高溫潮濕而使電機(jī)維護(hù)量增加。為了優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，很多現(xiàn)場(chǎng)已將其改為多電機(jī)分部傳動(dòng)，即取消直流電機(jī)及其動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)部分，在每一個(gè)傳動(dòng)分部安裝交流電機(jī)并配置相應(yīng)的變頻器，同時(shí)采用交流多點(diǎn)傳動(dòng)方式，結(jié)合速度控制、張力控制、負(fù)荷控制等不同的方式進(jìn)行傳動(dòng)配置。為了生產(chǎn)過程中紙頁特性變化的需要，造紙機(jī)的分部傳動(dòng)除了保證高精度的同步控制外，還必須能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)車速，且各個(gè)分部的速度能單獨(dú)調(diào)節(jié)。
同時(shí)，造紙行業(yè)也是風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載的大戶，而且該類負(fù)載的運(yùn)行時(shí)間都是連續(xù)的，各個(gè)廠家是根據(jù)實(shí)際的工作情況，需要對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的負(fù)載作不同程度的調(diào)節(jié)，這就使變頻器在造紙行業(yè)的應(yīng)用而為企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。
二、造紙行業(yè)變頻器的應(yīng)用分析
1、造紙產(chǎn)能
中國造紙工業(yè)有效生產(chǎn)能力自1990年以來，特別是自1995年以來一直在持續(xù)增長。據(jù)中國造紙協(xié)會(huì)對(duì)綜合信息資料調(diào)查，2004年全國紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)約有3500家，全國紙及紙板生產(chǎn)量4950萬噸，較上年4300萬噸增長15.1％。消費(fèi)量5439萬噸，較上年4806萬噸增長13.2％，人均年消費(fèi)量為42公斤，比上年增長5公斤。從2004年的生產(chǎn)和消費(fèi)形勢(shì)分析來看，全年生產(chǎn)和消費(fèi)均呈現(xiàn)升高的走勢(shì)，并保持了較高速度增長。特別是紙及紙板生產(chǎn)增量650萬噸，達(dá)歷年最高。生產(chǎn)量增幅較大的主要品種有新聞紙、輕量涂布紙、銅版紙、涂布白紙板、箱紙板、瓦楞原紙等。消費(fèi)量增幅較大的主要品種有：新聞紙、輕量涂布紙、銅版紙、書寫紙、箱紙板、涂布白紙板、瓦楞原紙等。
假設(shè)我國在今后一段時(shí)間內(nèi)GDP總量以年均7%的速度遞增，同時(shí)，取過去12年的年均人口增長率0.91%作為今后的年人口凈增長率，到2010年，我國的人均GDP達(dá)到13890元人民幣，屆時(shí)人均耗紙量可上升到60公斤。可以預(yù)測(cè)，到2010年，總消費(fèi)量將達(dá)6900萬噸。而在今后的幾年中，還將會(huì)有近1000萬噸的新增生產(chǎn)能力。屆時(shí)，我國造紙工業(yè)的生產(chǎn)能力總和將會(huì)達(dá)到近5500萬噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自從2000年以來，全球生產(chǎn)的大型造紙機(jī)有1/2都安裝在中國。目前，高檔紙機(jī)在國內(nèi)市場(chǎng)的占有率為33％，而且基本上以國際造紙機(jī)械巨頭如VOITH、METSO、ANDRITZ等為主。
2、造紙變頻器的容量
由于目前的新增紙機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備已經(jīng)有80%以上采用交流傳動(dòng)變頻器，所以在今后每年新增的300-400萬的產(chǎn)量中，每年的紙機(jī)傳動(dòng)裝機(jī)容量將非常可觀。
我們以某廠引進(jìn)的VOITH產(chǎn)的17.5萬噸/年的紙板機(jī)的裝機(jī)容量為例，它的紙品為雙面涂布白板紙，其幅寬4.2米，包括四層網(wǎng)部、四道壓榨、10組烘缸、1組冷缸、1組施膠壓榨、3道雙輥壓光、4組氣刀涂布、1個(gè)卷紙部等，共計(jì)72個(gè)傳動(dòng)，設(shè)計(jì)克重120-500、車速600米/分，其紙機(jī)分部傳動(dòng)（就是指72個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)）的變頻容量總計(jì)為5490KW。由此可以計(jì)算出通用的噸紙傳動(dòng)容量計(jì)算為31W，那么我們就可以概算出今后每年的變頻裝機(jī)容量大約為9萬KW左右。以紙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1KW/2000RMB的計(jì)算，共計(jì)有1.8億左右的紙機(jī)主傳動(dòng)市場(chǎng)。當(dāng)然在這里面，變頻器品牌基本上是由國外主要生產(chǎn)廠商ABB、SIEMENS、AB、YASKAWA、三菱等占主導(dǎo)地位。
從目前情況看，我國所有造紙制漿機(jī)械的生產(chǎn)能力大概在35～45萬噸/年，2004年的制漿造紙?jiān)O(shè)備制造業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值為56.9億元，國內(nèi)的市場(chǎng)份額大概不到1/4，其余將全部是國外的造紙機(jī)械商所占有。
我們也同時(shí)注意到高檔紙機(jī)的增加量將達(dá)到歷史的最高峰，幅寬的增大和車速的快速提高都促使在新增的紙機(jī)裝機(jī)中大量使用最新的高檔矢量型或DTC控制型變頻器，而目前國內(nèi)相應(yīng)的成熟變頻器基本沒有，所以大部分為進(jìn)口品牌所擁有，國內(nèi)品牌的份額不到5%。當(dāng)然我們也注意到，由于中國日益成為世界工廠，由中國制造的變頻器將逐漸走向已經(jīng)有本地化機(jī)構(gòu)的國際紙機(jī)機(jī)械廠家（如美卓紙業(yè)、VOITH紙業(yè)）的高檔造紙機(jī)。
目前在紙機(jī)分部傳動(dòng)上使用的變頻器必須能同時(shí)具備以下特性：（1）調(diào)速范圍寬，在全速度范圍內(nèi)，效率必須在90%以上；（2）功率因數(shù)高于0.9以上；（3）輸入諧波電流總失真小于3%；（4）采用可靠性高、技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件IGBT；（5）能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果；（6）利用通訊功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。
三、造紙行業(yè)變頻傳動(dòng)配置的發(fā)展趨勢(shì)
造紙是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的過程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。變頻調(diào)速作為目前來說最強(qiáng)有力的控制方式進(jìn)入了原本屬于直流調(diào)速（適用于大中紙機(jī)）和滑差電機(jī)（適用于中小紙機(jī)）天下的造紙領(lǐng)域，并已近取得良好的市場(chǎng)效果。
目前，國際上先進(jìn)的造紙機(jī)都朝高效率、低消耗方向發(fā)展，這是市場(chǎng)競爭的需要。而目前有很多正在運(yùn)行的造紙機(jī)在這方面則處于劣勢(shì)，有必要進(jìn)行技術(shù)改造進(jìn)行升級(jí)；而對(duì)于造紙機(jī)械的廠家也必須迎頭趕上，從設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行性能提升。
傳動(dòng)作為造紙機(jī)的核心部分，其發(fā)展要求是提高車速和自動(dòng)化程度。現(xiàn)在運(yùn)行中的一些國產(chǎn)造紙機(jī)，最快的只有500-600米/分，而國外造紙機(jī)運(yùn)行速度已達(dá)1600-1800米/分，某些甚至超過2000米/分，差距甚大。車速越快效率則越高。同時(shí)目前國產(chǎn)造紙機(jī)多為人工控制，即使是最新的國產(chǎn)造紙機(jī)，其自動(dòng)控制紙機(jī)，其自動(dòng)控制程度也不高，而國外大型造紙機(jī)，其自動(dòng)化程度相當(dāng)高，隨著紙機(jī)的高速和大型化，靠人工控制已是很難的事。
在這里，我們將從著重闡述數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)、可控張力和轉(zhuǎn)矩、直接傳動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)不同的方面來闡述紙機(jī)傳動(dòng)配置的發(fā)展趨勢(shì)。
1、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)
目前的造紙機(jī)上，對(duì)于傳動(dòng)的控制基本上有兩種：（1）模擬控制；（2）數(shù)字控制。
模擬控制的傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易操作作，對(duì)用戶技術(shù)方面要求不高，速度精度可以滿足用戶的需求，且穩(wěn)定可靠，同時(shí)具有速度統(tǒng)調(diào)、微調(diào)滿足生產(chǎn)工藝的要求，并可以根據(jù)負(fù)載結(jié)構(gòu)的變化，靈活的改變控制方式，它還有良好的顯示界面，操作者能夠?qū)嵤┛刂圃O(shè)備運(yùn)行狀況。但它只能適用低速紙機(jī)，且不易實(shí)現(xiàn)管控一體化。
數(shù)字控制的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于線路較長、分部傳動(dòng)數(shù)量較多的中大型高速紙機(jī)。它利用通訊方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)衰減差，分辨率高，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時(shí)可以根據(jù)紙機(jī)工藝要求及負(fù)載情況控制更靈活。
無論是二級(jí)控制系統(tǒng)或者三級(jí)控制系統(tǒng)，全數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用不但大幅度提高了紙機(jī)車速，而且減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和減少了維修時(shí)間。使產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高。全數(shù)字分部傳動(dòng)技術(shù)是模擬量控制技術(shù)和總軸傳動(dòng)系統(tǒng)無法比擬的。
在目前傳動(dòng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，PROFIBUS始終是最受歡迎的。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線特別適應(yīng)于需要快速響應(yīng)和數(shù)據(jù)交流量不大的現(xiàn)場(chǎng)，是一種開放式現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，并以標(biāo)準(zhǔn)化。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線有以下特點(diǎn)：經(jīng)過雙絞線或光纜的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、能進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的柔性和模塊化設(shè)計(jì)、節(jié)省接線費(fèi)用、最多125個(gè)節(jié)點(diǎn)、最大為12Mbit/s、響應(yīng)時(shí)間短、傳輸距離可達(dá)23.8Km、通過各種專用集成電路（ASIC）和接口模板、簡化設(shè)備的連接,PROFIBUS-DP是“全集成自化”的系統(tǒng)總線、世界上著名的可編程序控制器銷售商普遍認(rèn)識(shí)到作為現(xiàn)場(chǎng)層標(biāo)準(zhǔn)接口的PROFIBUS-DP的優(yōu)點(diǎn)。基于以上原因本所在紙機(jī)的電氣控制上也大量采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。
目前國內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要有西安寶德自動(dòng)化的WB-PDD-A系統(tǒng)、杭州華章電氣的HZ-AC3000系統(tǒng)、上海造紙電控所的SIED紙機(jī)電氣二級(jí)或三級(jí)控制系統(tǒng)等。
WB-PDD-A造紙機(jī)控制系統(tǒng)是針對(duì)2640/320低定量涂布造紙機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS，以1.5MH的通訊速率將西門子最新型S7-400PLC、6RA24全數(shù)字直流傳動(dòng)裝置、OP37智能操作單元等構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)造紙系統(tǒng)的張力、速度、負(fù)荷分配等各種參數(shù)的設(shè)定及控制，可對(duì)紙線中的任何一臺(tái)傳動(dòng)裝置進(jìn)行啟動(dòng)、停止、爬行、點(diǎn)動(dòng)、松弛和張緊控制。系統(tǒng)環(huán)境為中文WIN95界面，應(yīng)用軟件采用西門子WINCC組態(tài)軟件。系統(tǒng)可對(duì)每一個(gè)傳動(dòng)控制點(diǎn)的過程參數(shù)、故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)視、存儲(chǔ)及打印，并提供歷史趨勢(shì)圖及完成工藝參數(shù)的在線修改與保存。
HZ-AC3000造紙系統(tǒng)采