一种用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器

摘要

本发明公开了一种用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器，该执行器的稀释水阀门与减速箱的输出轴下端通过联轴器连接；步进电机采用双输出轴结构，其前输出轴端安装在减速箱的输入端；减速箱包括两对传动副，一对是由大齿轮和小齿轮组成的直齿轮传动副，另一对是由蜗杆和蜗轮组成的蜗杆蜗轮传动副；蜗轮安装在减速箱的输出轴上，在减速箱的箱体上设置限位钉，在蜗轮上设置90度机械限位槽，下机械限位对应稀释水阀门的0度位置，上机械限位对应稀释水阀门的90度位置。本发明的智能执行器可精确控制稀释水阀加入的稀释水量，稀释水最小的控制间距小于60mm，保证纸张局部横幅定量的精确控制，提高纸张产品质量。

说明书

技术领域

本发明涉及制浆造纸技术领域，特别是涉及一种用于造纸机中通过稀释水 调节局部浆料浓度来控制纸页横向定量分布的流浆箱的稀释水阀门执行器，具 体涉及基于CAN总线的稀释水智能执行器，适应高速造纸机对纸张横幅定量 的控制要求。

背景技术

对于纸张横幅定量的控制，上世纪九十年代中后期，美国Beloit、德国Voith 等公司推出了稀释水控制纸张横幅定量的流浆箱，在流浆箱的浆料横幅上，分 成若干个分区，在不同分区上分别加入稀释水，调节分区的浆料浓度，从而改 变该分区的绝干定量，达到降低纸张横幅定量差的目的。这种方法极大的克服 了老式唇口机械微调装置调节精度差、相邻调节点相互影响较大的缺点，使纸 页横幅定量差减少到1%以下，而且调节速度更快、反应时间更短。

传统的调节流浆箱稀释水添加量的方法有人工现场调节和气动或电动调 节两种方法。

人工现场调节方法是根据操作人员的经验，人为手动调节对应分区的稀释 水阀门，改变对应分区的稀释水量，从而改变对应分区的绝干定量。人工现场 调节的方法存在以下不足：调节定量的实时性差，滞后时间长，受操作人员经 验影响因素较大，只能作为一种粗略的调节横幅定量手段。

气动或电动调节方法采用一般气动或电动调节阀来改变分区的稀释水。这 种气动或电动调节阀基本都是通过4‐20mA的模拟量来调节阀门的开度，而且 阀门开度一般不是闭环控制，或采用模拟量检测阀门的位置来实现阀门开度的 闭环控制，无法精确控制稀释水阀门的开度，控制精度低。由于一台流浆箱通 常有几十到上百个稀释水阀门，采用这种非总线控制的阀门，接线多，故障率 高，抗干扰差，无法满足高速造纸机对纸张横幅定量的控制要求。

国际上生产流浆箱的稀释水智能执行器厂家有Honywell公司、Metso公 司、Voith公司等，精度和性能较好，但价格昂贵，在国内只有少数进口高档 造纸机使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决进口智能执行器价格昂贵问题，本发明提 供一种精度高、稳定性好、功能性强的用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量 的智能执行器。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器，主要由CAN 总线控制器、步进电机、稀释水阀门位置传感器、减速箱和稀释水阀门；稀释 水阀门与减速箱的输出轴下端通过联轴器连接；稀释水阀门位置指示器与减速 箱的输出轴上端连接；步进电机采用双输出轴结构，其前输出轴端安装在减速 箱的输入端；稀释水阀门位置传感器安装在步进电机的后输出轴；CAN总线控 制器与步进电机和稀释水阀门位置传感器连接；减速箱包括两对传动副，一对 是由大齿轮和小齿轮组成的直齿轮传动副，另一对是由蜗杆和蜗轮组成的蜗杆 蜗轮传动副；蜗轮安装在减速箱的输出轴上，在减速箱的箱体上设置限位钉， 在蜗轮上设置90度机械限位槽，下机械限位对应稀释水阀门的0度位置，上 机械限位对应稀释水阀门的90度位置。

优选地，所述智能执行器还包括稀释水阀门位置指示器，稀释水阀门位置 指示器与减速箱的输出轴上端连接。

所述稀释水阀门位置传感器采用光学编码器。

所述CAN总线控制器、步进电机、稀释水阀门位置传感器、减速箱都安 装在外壳里。

所述CAN总线控制器与步进电机和稀释水阀门位置传感器通过电缆连接。

所述执行器最大宽度小于等于59mm。

所述的CAN总线控制器的执行器自动间隙补偿模块、CAN总线通讯模块、 参数存储模块、阀门位置断电记忆模块、阀门自动校正模块、故障报警自诊断 模块、步进电机驱动模块和阀门位置闭环反馈模块分别与DSP微处理器连接； 所述步进电机驱动模块根据DSP微处理器给定的指令驱动步进电机转动；所述 阀门位置闭环反馈模块与光学编码器用电缆连接，阀门位置闭环反馈模块接收 稀释水阀门位置传感器的数据，将数据送到DSP微处理器，进行阀门位置闭环 反馈控制；所述的参数存储模块用于存储执行器的控制参数和步进电机、稀释 水阀门位置传感器、减速箱的特性参数；所述的自动间隙补偿模块对执行器的 反向转动间隙误差进行自动补偿；所述的阀门自动校正模块自动检测减速箱的 下机械限位，标定稀释水阀门在此位置为0度；自动检测减速箱的上机械限位， 标定稀释水阀门在此位置为90度；所述的阀门位置断电记忆模块在执行器断 电瞬间将稀释水阀门的实际位置数据保存，在执行器重新上电时将保存的稀释 水阀门位置数据恢复；所述的CAN总线通讯模块接收纸张横幅定量控制系统 的给定稀释水阀门开度数据，将稀释水阀门的实际开度位置数据和执行器的报 警数据传送到纸张横幅定量控制系统；所述的故障报警自诊断模块实时监测 CAN总线控制器的各模块运行参数，当参数达到预设定的报警值时，将该报警 数据通过CAN总线通讯模块传送到纸张横幅定量控制系统进行故障处理。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明的智能执行器采用全数字化控制，步进电机驱动，阀门位置闭环反 馈，执行器自动间隙补偿，可精确控制稀释水阀加入的稀释水量，而且稀释水 最小的控制间距小于60mm，保证纸张局部横幅定量的精确控制，有效改善纸 张横向全局定量差，提高纸张产品质量；本发明的智能执行器还具有稀释水阀 门位置断电记忆功能和稀释水阀门自动校正功能，节省大量的人力和时间，同 时方便组成CAN总线网络，提高控制系统的可靠性。

附图说明

图1为用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器的结构立面 示意图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为图1的CAN总线控制器3功能模块示意图。

图4为智能执行器控制工作流程图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步描述，需要说明的 是，具体实施方式并不对本发明要求保护的范围构成限制。

如图1所示，一种用于流浆箱的稀释水控制纸张横幅定量的智能执行器， 主要由CAN总线控制器3、步进电机4、稀释水阀门位置传感器5、减速箱6、 稀释水阀门7、稀释水阀门位置指示器1、外壳2组成。稀释水阀门7与减速 箱6的输出轴下端通过联轴器连接；稀释水阀门位置指示1与减速箱6的输出 轴上端连接；步进电机4采用双输出轴结构，其前输出轴端安装在减速箱6 的输入端；稀释水阀门位置传感器5安装在步进电机4的后输出轴；CAN总线 控制器3、步进电机4、稀释水阀门位置传感器5、减速箱6、稀释水阀门位置 指示器1都安装在外壳2里面；CAN总线控制器3与步进电机4和稀释水阀门 位置传感器5通过电缆连接；CAN总线控制器3控制步进电机4转动，步进电 机4带动减速箱6转动，减速箱6输出轴带动稀释水阀门7转动。稀释水阀门 位置指示器1与减速箱6的输出轴上端连接，在执行器上面可显示当前稀释水 阀门的位置，方便操作人员现场检查。

图2示出了智能执行器的剖面图，如图2所示，智能执行器最大宽度小于 等于59mm；减速箱6包括两对传动副，一对是由大齿轮8和小齿轮9组成的 直齿轮传动副，另一对是由蜗杆10和蜗轮11组成的蜗杆蜗轮传动副；蜗轮 11安装在减速箱6的输出轴上，减速箱6的输出具有自锁功能；在减速箱6 的箱体14上设置限位钉13，在蜗轮11上设置90度机械限位槽12，下机械限 位对应稀释水阀门7的0度位置，上机械限位对应稀释水阀门7的90度位置。

图3示出了CAN总线控制器3功能模块示意图，如图3所示，CAN总线控 制器3的功能模块包括DSP微处理器15、执行器自动间隙补偿模块16、CAN 总线通讯模块17、参数存储模块18、阀门位置断电记忆模块19、阀门自动校 正模块20、故障报警自诊断模块21、步进电机驱动模块22和阀门位置闭环反 馈模块23；DSP微处理器15是控制器的核心，执行器自动间隙补偿模块16、 CAN总线通讯模块17、参数存储模块18、阀门位置断电记忆模块19、阀门自 动校正模块20、故障报警自诊断模块21、步进电机驱动模块22和阀门位置闭 环反馈模块23分别与DSP微处理器15连接；步进电机驱动模块22还与步进 电机4连接，根据DSP微处理器15给定的指令驱动步进电机4转动；稀释水 阀门位置传感器5采用光学编码器，光学编码器安装在步进电机4的后输出轴， 用于检测步进电机4的实际转动位置，从而检测稀释水阀门7的实际开度位置， 并作为稀释水阀门7开度位置的闭环控制反馈的数据源；光学编码器用电缆与 阀门位置闭环反馈模块23连接，阀门位置闭环反馈模块23接收稀释水阀门位 置传感器5的数据，将数据送到DSP微处理器15，进行阀门位置闭环反馈控 制；由于执行器中的减速箱5存在反向传动间隙，步进电机4驱动减速箱5 从正向转到反向转动时，减速箱5的输出轴没有立即转动，直到步进电机4 转动了间隙距离后减速箱5的输出轴才真正转动，影响传动精度。为了消除反 向传动间隙对执行器输出定位的影响，通过人工检测执行器的反向转动间隙误 差值，将该值输入到CAN总线控制器3的参数存储模块18里存储，当执行器 从正向转到反向转动时，执行器自动间隙补偿模块16自动将执行器需要反向 转动的目标值与存储在参数存储模块18的反向转动间隙误差值相加，并将相 加值作为执行器反向转动新目标值，CAN总线控制器3就控制步进电机4按新 目标值转动，由于步进电机4多转动了间隙误差值，执行器就真正转动到用户 需要的目标值，实现执行器反向间隙自动补偿；阀门自动校正模块20能自动 检测减速箱6的机械限位，在减速箱的蜗轮11上设置有90度的限位槽12， 限位钉13一端固定在减速箱6的箱体14上，另一端安装在限位槽12里；当 步进电机正转带动蜗轮11转动时，蜗轮11的限位槽12的下限位撞到限位钉 13，蜗轮11停止转动，步进电机4也被动停止转动，安装在步进电机4的稀 释水阀门位置传感器5就没有数据输出，阀门自动校正模块20检测到稀释水 阀门位置传感器5数据停止，标定稀释水阀门7在此位置的开度为0度,同时 向DSP微处理器15发出指令控制步进电机4停止。同样当步进电机反转带动 蜗轮11转动时，自动检测蜗轮11的限位槽12的上限位，标定稀释水阀门7 在此位置的开度为90度；阀门位置断电记忆模块19设置有大容量电容器，在 执行器断电瞬间，大容量电容器存储的电量可保持控制器5短时间工作，在这 期间，阀门位置断电记忆模块19将稀释水阀门位置传感器5的当前数据保存， 也就保存了稀释水阀门7的实际开度位置数据，在执行器重新上电进行初始化 时将保存的数据恢复；纸张横幅定量控制系统24是用于造纸生产过程中在线 控制纸张横幅定量，保证纸张横向定量分布均匀一致，主要包括纸张横幅定量 在线测量的扫描架设备、横幅定量控制软件和执行机构控制接口。执行器的 CAN总线通讯模块17与纸张横幅定量控制系统24的执行机构控制接口进行通 讯，纸张横幅定量控制系统24根据扫描架在线测量的纸张横幅定量数据，计 算各个分区稀释水的加入量，得到各分区稀释水阀的开度数据，并将稀释水阀 开度数据通过控制系统的接口传送到执行器的CAN总线通讯模块17，控制各 个分区稀释水阀门7的开度，达到纸张横幅定量控制系统24要求的稀释水加 入量，从而调节相应分区浆料浓度，从而实现纸张横幅定量的均匀一致。当稀 释水阀到达要求的开度后，当前的稀释水阀门位置传感器5的数据和执行器的 报警数据通过CAN总线通讯模块17传送到纸张横幅定量控制系统24，进行纸 张横幅定量控制系统的闭环控制。参数存储模块18用于存储执行器的控制参 数和步进电机4、稀释水阀门位置传感器5、减速箱6的特性参数，在执行器 初始化时读取，并提供给其它模块调用。故障报警自诊断模块21实时监测CAN 总线控制器3的各模块运行参数，当参数达到预设定的报警值时，将该报警数 据通过CAN总线通讯模块17传送到纸张横幅定量控制系统24进行故障处理。 智能执行器由于具有CAN总线通讯模块17，可组成CAN总线网络，一个CAN 总线网络可连接1个至100个智能执行器，执行器通过CAN总线网络与纸张横 幅定量控制系统24通讯。

本发明的智能执行器控制工作流程，如图4所示，包括正常控制流程、自 动间隙补偿流程、阀门自动校正流程和阀门位置断电记忆流程。执行器上电开 机和初始化，读出控制参数。接收CAN总线数据命令，判断是否进行阀门自动 校正还是进入正常控制流程。

正常控制流程：CAN总线接收横幅定量控制系统送来的稀释水阀开度数据， 判断执行器是正转还是反转。如果是正转，根据正转目标值驱动步进电机转动， 如果是反转，将执行器反向转动目标值与执行器反向转动间隙误差值相加，得 到执行器反向转动新目标值，根据反向转动新目标值驱动步进电机转动。在步 进电机在转动过程中根据光学编码器数据闭环反馈控制，并判断光学编码器输 出数据是否正常，如不正常，则发出报警信号，如正常，根据光学编码器输 出的数据判断执行器转动到位后，步进电机停止运动，CAN总线发送当前光学 编码器数据和报警数据到横幅定量控制系统。

阀门自动校正流程：

执行器接收到命令驱动步进电机转动，带动减速箱蜗轮转动，光学编码器 数据输出，判断数据输出停止后，如果步进电机是正转，表示蜗轮限位槽的下 限位撞到限位钉，并标定稀释水阀在此位置的开度为0度，如果步进电机是反 转，表示蜗轮限位槽的上限位撞到限位钉，标定稀释水阀门在此位置的开度为 90度，步进电机停止。

本发明的智能执行器安装在流浆箱上，在流浆箱的布浆横幅上，分成若干个 分区，一个分区安装一个智能执行器，改变对应分区的稀释水加入量。执行器 的最大宽度为59mm，所以在流浆箱的横幅上以59mm的间隔距离横向排列安 装执行器，稀释水加入间距为59mm。

本发明的智能执行器采用全数字化控制，步进电机驱动，稀释水阀门位置 闭环反馈，执行器自动间隙补偿，可精确控制稀释水阀门加入的稀释水量，而 且控制稀释水加入的最小的间距小于60mm，保证纸张局部横幅定量的精确控 制，有效改善纸张的横向全局定量差，提高纸张产品质量；本发明的智能执行 器具有稀释水阀门位置断电记忆功能和稀释水阀门自动校正功能，节省大量的 人力和时间，同时方便组成CAN总线网络，提高控制系统的可靠性。