案例研究：造纸厂分切复卷机的驱动和改造

根据联邦可持续发展网络的数据，美国每年使用大约 800 万吨办公用纸。这足以建造一堵 20 英尺高、6,815 英里长的墙。为了跟上需求，造纸厂一直在寻找提高效率和质量的方法。虽然造纸涉及许多不同的机器和工艺，但任何造纸厂的一个重要部分是分切复卷机。

分切复卷机负责从主造纸机上退绕新制造的巨大卷筒，将它们切割成更小的部分，然后将它们重绕为更易于管理的卷筒以进行分配。作为造纸厂的最终生产点之一，分切复卷机出现任何问题都可能导致整个工厂停产。

分切复卷机由多个电机和控制器组成，是工厂中最先进的设备之一。这台机器过程的核心是张力，它决定了纸卷的质量。在整个过程中需要施加准确和一致的力，以确保完美的纸幅跟踪、精确的分切和正确的卷密度分布。

除了压区控制之外，辊子的质量在很大程度上取决于驱动器的性能。络筒机必须作为一个协调系统运行，并通过连续循环（从停止到全速和回退到零速）提供对速度和扭矩的严格控制。即使是很小的性能误差也会导致问题，例如断纸、毛边、伸缩、偏移和捆绑，从而导致停机、废卷，并最终导致利润损失。

目标：连续高速生产
为了提高生产力和效率，美国东南部一家领先的造纸厂决定改造其分切复卷机并采用最新技术。升级的目标是提高轧辊质量，将机器速度提高到尽可能高的水平，并消除代价高昂的停机。

该工厂求助于 SDS Inc，这是一家总部位于美国的系统集成商，专门从事纸张和卷筒纸处理行业的控制设计。 SDS 分析了现有系统并提供了一种利用现有电机和组件、集成了 ABB 最先进的 ACS800 交流传动和新型 DCS800 直流传动——同类中最先进的直流传动的经济高效的解决方案。驱动硬件由 SDS 的 Intelli-Wind 完善，这是一种流行的双鼓卷绕机 HMI，可提供 TNT 控制、配方、数字和图形设置点、许可和诊断。

系统集成商人员多次访问该设施以调查情况。他们了解到现有的分切复卷机存在各种问题。

SDS 的高级销售工程师约翰·帕克 (John Parker) 说：“必须了解受该复卷机影响的每个人的看法。” “维护人员担心组件故障和需要精确温度控制以防止模拟组件漂移的驱动室。生产部门希望增加正常运行时间、提高卷筒质量并为客户提供具有成本效益的产品，他们希望使用技术先进的设备。我们与 ABB 的合作使我们能够解决并实现这些优势。”

过时的设备：低效且维护成本高
据 ABB 和系统集成商专家称，这家造纸厂是越来越多的制造商之一，这些制造商仍在使用 25 到 30 年的驱动系统。分切复卷机上的驱动系统的维修和维护成本越来越高。许多组件已经过时，无法更换。由于漂移，一些模拟设备需要持续关注，旧接线开始在铰接点出现断裂和绝缘击穿的迹象。将晶闸管组件和熔断器固定到位的机械组件无法修复；而且，最重要的是，电源模块的结构完整性存在问题。

SDS 的高级应用工程师 Craig Tierno 解释说，由于存在这些多重问题，在保留现有功率桥的同时，将模拟稳压器替换为数字稳压器的改造是不切实际的。电源模块内的 SCR 将不可靠。因此集成商建议对驱动和控制系统进行全面升级，以提高可靠性和性能。

“通常，如果一家公司的直流电源模块仍在其生命周期内，我们会建议使用新的数字化高性能前端 (DFE) 对其进行改造，以在启动现有 SCR 的同时增强调节性能，”Tierno 说，“在在这种情况下，我们不能这样做。”

新技术与驱动器相结合，提供宝贵的协同作用
在寻找驱动解决方案的过程中，集成商在 ABB 找到了答案。

“我们最大的担忧是驱动供应商没有对 DC 做任何新的事情。大多数供应商都使用接近 10 到 20 年的产品，”Tierno 说。

他了解到，ABB 正在开发一种新的直流传动，其设计的软件工具和通信模块与其交流产品相同。这使得在项目中使用和集成直流和交流产品变得可行。

整个北美仍有大量直流电机安装基础，具有各种马力和速度范围。

“这些电机使用寿命长，维护得当，偶尔维修，因此客户不必急于更换它们，”Tierno 说。 “找到像 ABB 这样的供应商，他们不断发明并引入新技术来控制这些电机，这从一开始就给了我们一个优势。”

该系统安装了四台 ABB DCS800 变频器。第一个驱动器控制 500 马力的放卷电机，为大母卷提供张力调节。第二个 DCS800 驱动器安装在 50 马力的引入纸卷上，用于将纸张传送到分切部。第三个和第四个驱动器安装在 250HP 前后滚筒上——这些组件负责为重绕卷提供机器速度参考和仿形扭矩。

由于轧辊的尺寸和加速和减速所需的扭矩要求，所有直流驱动器的尺寸都被设计为可以处理 200% 的电流限制一分钟。

两个ACS800交流驱动器和额定功率为15HP的电机连接到骑手辊的两端，为加速和减速扭矩提供垂直力。从机械角度来看，由于电机安装在移动的车架内，因此电机框架尺寸取决于应用马力和通风方式。

用于张力控制的新型称重传感器
用于测量机器退绕部分的幅材张力的称重传感器被 ABB PillowBlock 型 Pressductor 传感器所取代。 PFTL 单元根据系统要求以及它们是旧称重传感器的直接物理替代品这一事实进行选择。 ABB 的新技术称重传感器针对应用进行了预校准，可增强张力控制并减少安装时间和成本。

兼容平台；改造和使用现有的直流电机
集成人员认为 DCS800 非常适合造纸厂的工程和 IT 人员，他们已经熟悉直流驱动器的操作和调试功能。 ABB 互补的 ACS800 外观和感觉类似于直流产品，使工厂可以轻松过渡到交流。

“确保直流驱动器与我们将要对交流产品做的事情完全互补——携手并进，步步为营，这真的很重要；将这两者放在同一个平台上，”Tierno 说。

他解释说，新的直流驱动器使改造商能够以更换整个电力系统的一小部分成本提供最新的技术和出色的监管。 “我们的很多客户都不想更换电机，也不想经历庞大的安装过程。如果有更划算的方法，他们想听听。”

通过绕线机操作软件进行主控制
与驱动器配合使用，系统集成商安装了自己的卷绕机操作软件，称为 iWind，该软件旨在优化轧辊轮廓和质量，同时提供自动停止、产品配方、数字和图形设定点、许可和全面诊断。 iWind 是一个优雅且易于使用的界面，将各种控制设备直接与驱动器硬件合并，从而形成一个不太复杂的系统，提供更高的性能。故障排除和维护也更容易。

SDS 主要关注张力、压区和扭矩 (TNT)，因此能够创建一种架构来满足客户对提高卷筒质量的需求。自动停机功能解决了轧机产品长度和直径的问题。许可和诊断页面为操作员提供快速帮助以保持卷绕机运行，并减少对维护的支持呼叫。配方系统允许操作员快速设置订单并保持产品一致性。

预建高架面板加快五天安装
改造利用了现有结构 - 一种开放式面板设计，需要控制室的最小空间和空间。所有电源模块、断路器和其他组件都布置在高架面板上，而不是使用落地式机柜。这使集成商能够为每个驱动器预先构建一个单独的子面板，从而在拆除旧设备之前留出时间来单独和作为一个组测试驱动器！这使得在安装和调试之前彻底测试驱动器与大部分应用软件和驱动器功能之间的所有通信成为可能。

应用程序的设置和调试是一个顺利的过程。系统集成商团队花了大约四个星期来设计原理图、创建驱动器和控制器软件以及构建面板。经过为期两周的彻底测试过程后，该团队能够在工厂所需的五天应急时间内安装新设备。工程师在启动后留在现场几天，以确保工厂操作员的无缝过渡。

获胜组合实现最佳正常运行时间
自从安装 DCS800 和 ACS800 驱动器以及 iWind 软件后，该轧机就能够实现提高产量、最高速度效率、更好的轧辊质量、减少维护和最少停机的目标。事实上，他们实际上已经能够消除之前由于组件故障而发生的停机。

“我们对 ABB 的产品和支持感到满意，并计划在未来的项目中继续使用 ABB 产品，”帕克说。 “而且，目前，我们面前有八个造纸项目，我们推荐 ABB，ACS800、DCR- 或 DCS-800 用于各种应用。”

Tierno 补充道：“我们与 ABB 和新柏林人民的关系非常有益。他们在产品交付和新产品培训方面最有帮助，尤其是 DCS800。”

ABB 产品为系统集成商提供了他们所需的资源和灵活性，以帮助满足每个客户的特定需求和预算。

ABB 和 SDS 还有一个值得庆祝的理由：造纸厂的安装标志着 DCS800 首次集成到美国的整个系统包中。凭借 DCS800 几乎无限的可扩展性，整个团队期待在未来多年为客户提供驱动器和软件。

东南大型造纸厂分切复卷机直流和交流传动改造示意图。

主面板，其中包含 ABB ACS800 Rider Roll 交流变频器和主控制器。

Unwind Drive – 系统测试期间的新型 ABB DCS800。

从左到右：带有 ABB DCS800 直流驱动器的纸卷、前滚筒、后滚筒面板。预制面板使分切复卷机的整个改造项目能够在五天内安装完毕。

要了解有关此主题的更多信息，请访问 www.abb.us/drives 或通过 262-785-3377 或发送电子邮件至 [email protected] 联系 ABB Inc. 产品线经理 Thomas Junger。