KR20120053959A - 권취기 드라이브에 관한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 언와인더(unwinder)로부터 권취기(winder)로 이동하는 연속적인 재료 웨브에 관한 방법 및 장치로서, 상기 언와인더 및 권취기 중의 적어도 하나는 중심권취기이며, 상기 중심권취기는 토크 제어가 제공되는 전기 구동장치에 의해 제어된다. 상기 방법은 상기 중심권취기 상의 재료의 밀도에 대한 초기치를 제공하는 과정, 상기 중심권취기 상의 재료의 한 롤에 대한 관성모멘트를 계산하는 과정, 기계적 센서에 의해 재료 웨브의 강인성을 결정하는 과정, 재료 웨브 강인성 기준, 상기 결정된 재료 웨브 강인성 및 중심권취기 상의 재료 롤의 관성모멘트에 기초하여 토크 계산을 위한 수정 조건을 강인성 컨트롤러에 의해 생성하는 과정, 상기 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건 및 상기 중심권취기 상의 재료 롤의 계산된 관성모멘트에 기초하여 토크 기준을 계산하는 과정, 그리고 상기 토크 기준에 기초하여 중심권취기의 토크를 제어하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정조건에 기초하여 중심권취기 상의 재료의 밀도 값을 수정하는 과정을 포함한다.

Description

권취기 드라이브에 관한 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT IN CONNECTION WITH WINDER DRIVE}

본 발명은 일반적으로 연속적인 재료 웨브(material web)를 위한 권취기(와인더: winder)에 관한 것으로서, 특히 재료 웨브의 강인성(tightness)을 제어하는 것에 관한 것이다.

제지 산업에서는 실질적인 제지기계에 부가하여 중간권취기(intermediate winder), 코팅기(coater), 여러 종류의 캘린더(calender), 슬리터(slitter) 및 권취기(rewinder) 등과 같은 다양한 종류의 후처리(post-processing) 기계장치들을 활용하고 있다. 전기구동장치들 중의 적어도 하나는 중심권취기(center winder)라 불리는 기계인데, 여기서 페이퍼 롤이 풀리거나 감기게 되고 권취 동작중에 페이퍼 롤의 직경이 변하는 것이 그러한 후처리 기계의 특징이라 할 수 있다. 권취기(와인더) 또는 언와인더(unwinder)의 또 다른 특징은 감기는 웨브(web)가 강인성(tightness) 컨트롤 수단에 의해 제어된다는 것이다. 강인성 컨트롤은 컨트롤러(controller)로 이루어지는데, 그의 전류 값은 롤에 설치된 센서에 의해 종이 웨브뿐만 아니라 피드포워드(feedforward) 조건으로부터 측정되며, 여기서 상기한 조건 중의 일부는 가속가능한 관성 모멘트로 이루어진다.

제지 산업에서 이용되는 후처리 기계의 권취기 및 언와인더는 큰 관성 질량을 가속 및 감속하는 것을 포함하는데, 성공적인 권취동작을 보장하기 위해서는 이러한 관성 질량을 정확하게 아는 것이 중요하다. 관성모멘트를 결정할 때, 페이퍼 롤에서의 종이의 밀도를 아는 것은 매우 중요하다. 전형적으로, 종이의 밀도는 제지기계를 막 벗어나는 페이퍼 롤에 대한 데이터 파일로부터 획득된다. 후처리 기계에 있어, 밀도 데이터는 페이퍼 롤 데이터로부터 자동으로 획득되거나, 또는 오퍼레이터가 후처리 기계장치의 시스템으로 데이터를 수동으로 입력할 필요가 있다.

제지 기계에 대한 등급 변경과 관련하여, 또는 그 기계의 다른 고장 상황에 있어서, 종이 밀도가 잘못되거나 또는 밀도 데이터가 부정확하게 측정되거나 입력될 수 있는데, 그러한 경우 후처리 공정 중에 웨브의 강인성이 매우 큰 변화를 보이게 되는데, 최악의 경우, 웨브가 찢어져 생산성 손실을 초래할 수 있다. 그러한 잘못된 밀도 데이터는 또한 후처리된 롤들의 품질을 더 낮추는 요인이 될 수 있다. 저품질의 페이퍼 롤은 예를 들면 프린터용 종이로 사용되는 것을 어렵게 만든다.

최근에는 밀도 값은 제지기계를 바로 벗어난 페이퍼 롤뿐만 아니라 프로세스 및 강인성 컨트롤을 시각적으로 모니터함에 의해 교정된다. 그러나, 그러한 방법으로 밀도 값을 교정하는 것은 상당한 기술과 경험을 필요로 한다. 그러한 경험적 방식의 밀도 값의 교정은 특히 신뢰성이 결여된 절차인 것이 또한 명백할 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 경감할 수 있도록 하는 방법 및 그 방법을 구현하는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 후술하는 독립청구항들에 기술된 것을 특징으로 하는 방법 및 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 의해 개시된다.

본 발명은 가속 중에 강인성이 조절된 재료 웨브(material web)에 대한 중심권취기(center winder)의 관성 모멘트 값이 권취 중인 재료의 밀도 값을 수정함으로써 수정된다는 개념에 근거를 두고 있다. 만일 상기 장치의 강인성 컨트롤러가 토크 계산을 수정할 필요가 있다면 상기 밀도 값은 부정확한 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따른 방법과 장치구성의 이점은 바로 첫 번째 가속 이후 감기는 재료, 예를 들면, 종이에 대하여 시스템에 입력된 밀도 값이 실제의 밀도와 상응하도록 수정된다는 것이다. 수정된 밀도 값은 수행되고 있는 권취 과정에 대해 그리고 종이의 추후 활용을 위해 모두 중요한 정보의 일부이다. 그 다음, 권취 과정은 어떠한 강인성 변화를 갖지 않는 균일한 최종 결과, 즉 고객용 페이퍼 롤을 만들어 낸다. 마찬가지로, 고객용 페이퍼 롤의 최종소비자가 재료의 밀도에 대한 정보를 필요로 하면, 그러한 신뢰성 있는 밀도 값을 제공하는 것이 이제 가능할 것이다.

이하 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예들에 관하여 더 상세히 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 권취 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1은 본 발명에 따른 강인성-조절형(tightness-controlled) 와인딩 장치 및 그에 관련된 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1의 장치는, 예를 들면, 종이를 위한 후처리(post-processing) 장치일 수 있는데, 여기서 종이가 중심권취기(center winder)에 의해 롤(1)로부터 풀려 롤(4)에 감긴다. 상기한 후처리 장치는 예를 들면, 제지기계를 방금 벗어난 기계 롤들을 고객이 주문한 고객용 롤들로 절단하는 슬리터(slitter)일 수 있다. 상기 후처리 장치는 또한 리와인더(rewinder), 캘린더(calender) 또는 연속적인 재료 웨브를 위한 기타 처리장치일 수 있는데, 상기 재료는 하나의 롤에서 풀려져 하나 또는 다수의 다른 롤들에 감긴다. 본 설명에서는 중심권취기인 언와인더(unwinder) 상에서 재료의 밀도에 대한 결정에 관하여 주로 논의한다.

도 1은 언와인더의 모터(2)를 주파수 컨버터(5)가 어떻게 제어하는지를 보여준다. 도 1은 또한 세 개의 다른 모터들(M)을 나타낸다. 이 모터들은 여기에 도시되어 있지는 않지만 주파수 컨버터들에 의해 또한 제어된다. 전형적으로, 강인성-조절형 권취기 구동장치는 권취기(4)가 속도-조절형으로 제어되는 반면에 언와인더는 언와인더 모터(2)의 토크를 제어함으로써 재료 웨브의 강인성(tightness)을 제어하기 위하여 사용되도록 동작한다.

전형적인 권취 공정에 있어서, 상기 재료는 원하는 운전속도로 가능한 한 신속하게 가속되며, 필요한 양의 재료가 다 감겨졌을 때에는 운전속도에서 정지상태로 감속된다. 따라서 강인성 조절형 권취 공정에 있어 주파수 컨버터(5)와 강인성 측정기(3)에 의해 발생되는 토크에 의해서 상기 재료 웨브의 강인성을 원하는 값으로 조절하기 위해 언와인더가 사용될 수 있다는 것은 중요하다.

상기 방법에 따르면, 언와인더 상의 재료의 밀도(ρ)는 소정의 초기치로 주어진다. 이러한 밀도 크기는 예를 들어 생산될 종이의 등급(paper grade)이 알려져 있을 경우 제지기계로부터 획득된다. 밀도 초기치는 또한 실험실 측정에 기초해 획득될 수도 있다.

언와인더 상의 재료의 다른 파라미터들과 밀도에 기초하여 언와인더 상의 롤의 관성 모멘트가 계산된다. 재료 롤의 관성 모멘트 J_p를 계산하기 위해서는, 재료 롤의 직경(D), 탬부어 릴(tambour reel)의 직경(d), 그리고 재료 롤의 폭(l), 즉 재료 웨브의 폭에 대한 정보가 실제로 알려진 방식으로 필요하다. 또한 탬부어 릴의 관성 모멘트 J_t가 상기 관성 모멘트에 추가된다.

재료 롤의 관성 모멘트는 아래의 식 (1)에 의해 그 자체로 알려진 방식으로 계산된다.

여기에 상기 탬부어 릴의 기지의 관성 모멘트가 전술한 바와 같이 추가될 것이다.

재료 롤의 직경의 크기는 자동장치에 의해 측정될 것이며 그 측정 데이터는 권취 공정 중 업데이트 된다. 재료 웨브의 폭을 측정하는 것은 또한 신뢰성 있는 측정 결과치를 산출하는 간단한 과정이다.

도 1은 밀도 및 직경과 같은 필요한 파라미터들이 어떻게 초기치로서 토크 계산부(torque calculation block, 6)에 전달되는지를 보여준다. 동 파라미터들은 토크를 계산할 때 고려되어야할 상기 장치에 존재하는 마찰력(fric)을 결정하는 마찰결정부(7)에 또한 전달된다. 더욱이, 관성모멘트 계산부(moment-of-inertia calculation block, 8)에 있어서 관성모멘트는 상기 식 (1)을 이용해 상기한 초기치로부터 계산된다. 물론 계산된 관성모멘트의 크기는 와인딩이 진행됨에 따라 풀리는 롤의 직경이 감소하므로 변화한다. 관성모멘트의 크기는 또한, 상기 주어진 밀도가 상기 방법에 의해 설정된 밀도에서 벗어날 경우, 상기 방법에 따라 과정이 수행될 때 수정된다.

도 1의 강인성 컨트롤러(9)는 전술한 파라미터 데이터뿐만 아니라 강인성 기준(T_ref)과 강인성 센서(3)로부터의 강인성 측정 데이터(T_meas)를 입력(input)으로서 받는다. 강인성 컨트롤러의 출력(T_cont)은 상기한 블록들(7, 8)의 출력과 함께 토크계산부(6)에 공급된다. 토크계산부(6)에서는 필요한 토크가 계산되고, 토크계산부의 출력의 토크 기준(Tq_ref)이 모터(2)를 제어하기 위해 주파수 컨버터(5)에 인가된다.

가속 또는 감속에 필요한 모멘트는 각속도 ω의 시간 미분계수와 가속되는 롤의 관성모멘트와의 곱으로서 기지의 방식으로 계산될 수 있다.

각속도 데이터는 예를 들어 웨브 속도 및 롤 직경에 의해서 컨트롤 시스템으로부터 획득된다. 만일 관성모멘트에 대해 주어진 계산된 초기치가 정확하지 않다면, 전기구동장치에 대해 주어지는 토크 기준치는 또한 부정확하게 되고, 이 경우 측정될 웨브 강인성은 참조하기 위해 주어진 강인성 기준과는 부합하지 않을 것이다. 그 다음, 강인성 컨트롤러는 정확한 웨브 강인성이 달성되도록 토크 계산과 토크 기준 형성을 수정한다. 본 발명에 따르면, 강인성 컨트롤러에 의해 생성되어 토크계산부(6)로 전달되는 수정 조건(correction term)은 풀리고 있는 재료의 밀도를 수정하기 위해 추후에 사용된다. 도 1은 강인성 컨트롤러(9)의 출력이 관성모멘트 계산부(8)를 위한 밀도 수정(ρ_corr)을 형성하는 강인성 제어 검출기(10)에 어떻게 연결되는지를 보여준다.

강인성 제어 검출기는 예를 들어 강인성 컨트롤러 출력의 극성에 따라서 밀도 값이 증가 또는 감소하도록 하는 방식으로 동작한다. 밀도 값은 예를 들면 밀도가 일정한 크기를 갖는 개별적인 단계들로 변하도록 변화될 수 있다. 달리 말하면, 상기 강인성 제어 검출기(10)는 관성모멘트를 계산하기 위하여 관성모멘트 계산부(8)에서 사용될 밀도 값을 증가 또는 감소시킨다.

강인성 제어 검출기는 또한 밀도 값을 변경하기 위해 필요한 논리회로들을 포함하는데, 그 이유는, 어떤 언와인더에서는 재료가 롤의 최상부로부터 아니면 저부로부터 풀리는지를 선택하는 것이 가능하므로, 그 변화의 방향은 언와인더 상의 롤이 가속되는지 아니면 감속되는지 그리고 그 롤이 구르고 있는 방향에 대해 의존하기 때문이다. 일반적으로, 밀도 값을 증가시키는 것은 또한 계산된 관성모멘트의 값을 증가시키고, 또한 상응하게, 밀도 값을 감소시키는 것은 계산된 관성모멘트의 값을 감소시킨다.

따라서, 본 발명의 해결방법에 따르면 속도 변화 중에 강인성 컨트롤러의 출력의 작동이 모니터 되고, 그 출력에 근거하여, 관성모멘트를 계산하기 위해 사용될 밀도 값이 변화한다. 강인성 컨트롤러의 출력이 토크 계산의 수정을 더 이상 하지 않을 때, 재료의 밀도는 정확한 값으로 수정된 것으로 간주된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 강인성 컨트롤러의 출력이 소정의 범위 내에 있을 때에는 밀도 값은 수정되지 않는다. 다시 말해서, 시스템이 다른 방법으로 안정된 상태에서 동작하는 경우 밀도 값의 약간의 벗어남에 대해서는 수정이 불필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 밀도 값의 수정은 속도의 안정된 변화 중에 수행된다. 안정된 가속 또는 감속은 밀도 수정을 더욱 신뢰성 있게 해주는데, 그 이유는 토크 기준으로 계산될 각속도 미분계수는 실질적으로 일정하기 때문이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수정된 밀도 값은 표시장치를 통해 오퍼레이터에게 지시되거나 그 값이 기록되어 제지기계를 벗어나는 롤에 대한 추후의 활용을 위해 사용된다.

웨브 강인성의 측정이 정확하게 보정(calibration)되었고 정적 및 동적 마찰력이 또한 정확하게 결정되었다고 가정할 때, 위에서 개시된 해결방법은 필요한 토크의 계산에 있어 다른 부정확한 것들을 또한 수정한다. 밀도로는 설정된 상한치 및 하한치가 제공될 수도 있다. 수정된 밀도 값이 상한치를 초과하거나 하한치에 못 미칠 경우 시스템에서 경보(알람)가 활성화된다. 이 경보의 목적은 밀도 값이 현실적으로 적정한 것으로 인정되는 범위를 벗어나게끔 수정되었다는 것을 나타내기 위함인데, 이 경우 시스템 자체는 후속적으로 해결되어야할 문제를 갖게 된다.

전형적으로, 초기 밀도 값의 오류는 첫 번째 가속 중에 이미 수정하게 되는데, 이로써 고객용 롤들은 처음부터 바로 양호한 품질을 갖게 될 것이다.

도 1에서 본 발명은 개개의 구성 블록들에 의해 기술되었다. 그러나, 개별적으로 도시된 다수의 구성블록들은 하나로 된 프로세싱 부재로, 예를 들면, 동작을 실행하기 위해 필요한 계산능력을 갖는 주파수 컨버터 또는 프로세싱 컴퓨터 등에 의해 일체화될 수도 있음은 명백하다.

본 발명에 따른 장치는 언와인더 상의 재료의 밀도에 대한 초기치를 제공하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이 수단은 재료의 밀도 값에 대한 정보가 재료 제조장치로부터 본 발명의 방법을 구현하는 장치로 전달되는 자동적인 수단을 구비할 수도 있다. 상기 초기치는 또한 임의의 입력장치를 통해 밀도 초기치를 입력하는 수동적인 수단에 의해 제공되어도 좋다.

상기 장치는 또한 언와인더 상의 재료 롤의 관성모멘트를 계산하기 위한 수단을 포함한다. 전형적으로 이 수단들은 읽기 또는 기록이 가능한 메모리와 프로세서를 포함한다.

재료 웨브의 강인성을 결정하도록 구성되는 상기 장치의 기계적 강인성 센서는 재료 웹브와 접촉하게끔 배치되는 통상적인 강인성 센서이며, 재료 웨브는 강인성에 비례하는 힘을 센서에 인가한다. 강인성 센서의 유형은 기계적 센서의 그것과는 또 다른 형태의 것이어도 좋다.

상기 장치는, 재료 웨브의 강인성 기준, 결정된 재료 웨브 강인성, 및 언와인더의 관성모멘트에 기초해 토크 계산을 위한 수정 조건을 생성하도록 구성된 강인성 컨트롤러(tightness controller), 그리고 상기 언와인더 상의 재료 웨브의 계산된 관성모멘트와 상기 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정조건에 기초해서 토크 기준(torque reference)을 계산하기 위한 수단을 더 포함한다. 상기 강인성 컨트롤러는 강인성 센서로부터 피드백된 신호와 강인성 기준(tightness reference)을 입력하는 통상적인 컨트롤러이다. 이러한 출력들에 기초해 상기 강인성 컨트롤러는 토크 계산부로 전달되는 그의 출력에 있어 하나의 값을 생성한다.

상기한 토크 기준을 기초로 하여 언와인더의 토크를 제어하기 위한 장치의 수단은 전형적으로 토크 기준에 따라 상기 언와인더에 토크를 제공하는 주파수 컨버터로 이루어진다. 전형적으로, 주파수 컨버터와 관련하여 모터는 교류(AC) 모터이다. 필요한 토크는 또한 직류(DC) 구동장치에 의해 생성될 수도 있는데, 여기서 직류 모터가 연결되어 권취기를 회전시키며, 상기 직류 모터는 적절한 전력 공급 제어장치에 의해 제어된다.

강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건에 기초해 언와인더 상의 재료의 밀도 값을 수정하기 위한 상기 장치의 수단들은 그 수정 조건을 입력하여 그것을 기초로 하여 이전의 밀도를 지시하는 값에 대한 수정을 행하는 프로세서로부터 형성될 수 있다. 이러한 프로세서 수단은 밀도 값이 저장되어 있는 메모리와, 상기 수정 조건에 응답하여 메모리에 저장된 값을 변경하기 위해 필요한 수단을 포함할 수도 있다.

본 발명은 특히 언와인더 상의 재료의 밀도를 결정하기 위한 것으로서 지금까지 설명되었다. 그러나 재료의 밀도는 중심 권취기(center winder)인 권취기와 관련하여 상응한 방식으로 결정될 수도 있음이 명백하다.

본 발명의 기본적인 개념은 많은 상이한 방식으로 구현될 수도 있다는 것이 당해 기술분야의 전문가에게는 명백할 것이다. 따라서 본 발명과 그의 실시예들은 전술한 예들에만 한정되는 것이 아니라 후술하는 청구범위 내에서 변화될 수 있다.

Claims (6)

1. 언와인더로부터 권취기(winder)로 이동하는 연속적인 재료 웨브(material web)에 관한 방법으로서, 상기 언와인더 및 권취기 중 적어도 하나는 중심권취기(center winder)이며, 상기 중심권취기는 토크 제어가 제공되는 전기 구동장치에 의해 제어되는 것인 방법으로서, 상기 방법은,
   상기 중심권취기 상의 재료의 밀도에 대한 초기치를 제공하는 과정,
   상기 중심권취기 상의 재료의 롤에 대한 관성모멘트를 계산하는 과정,
   기계적 센서에 의해 재료 웨브의 강인성을 결정하는 과정,
   재료 웨브 강인성 기준, 상기 결정된 재료 웨브 강인성 및 중심권취기 상의 재료 롤의 관성모멘트에 기초하여 토크 계산을 위한 수정 조건을 강인성 컨트롤러에 의해 생성하는 과정,
   상기 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건 및 상기 중심권취기 상의 재료 롤의 계산된 관성모멘트에 기초하여 토크 기준을 계산하는 과정, 그리고
   상기 토크 기준에 기초하여 중심권취기의 토크를 제어하는 과정을 포함하는 것인 방법에 있어서,
   상기 방법은 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정조건에 기초하여 중심권취기 상의 재료의 밀도 값을 수정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건에 기초하여 밀도 값을 수정하는 과정은, 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건의 절대치가 소정의 한계치를 초과할 경우, 상기 밀도 값을 변경하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방법은,
   밀도에 대한 상한치와 하한치를 결정하는 과정, 그리고
   밀도가 상기 상한치 또는 하한치에 도달할 때 상기 밀도를 수정하기를 중지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 방법은 상기 재료 웨브의 제어시스템에서 수정된 밀도가 상기 상한치 또는 하한치에 도달할 때 경보(alarm)를 활성화하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은,
   상기 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건에 대한 허용오차 한계를 결정하는 과정, 그리고
   상기 수정 조건이 허용오차 한계 내에서 존재할 때 상기 밀도 값을 수정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 언와인더로부터 권취기(winder)로 이동하는 연속적인 재료 웨브에 관한 장치로서, 상기 언와인더 및 권취기 중 적어도 하나는 중심권취기이며, 상기 중심권취기는 토크 제어가 제공되는 전기 구동장치에 의해 제어되는 것인 장치로서,
   상기 중심권취기 상의 재료의 밀도에 대한 초기치를 제공하기 위한 수단,
   상기 중심권취기 상의 재료의 롤에 대한 관성모멘트를 계산하기 위한 수단,
   상기 재료 웨브의 강인성을 결정하도록 구성된 기계적 강인성 센서,
   재료 웨브 강인성 기준, 결정된 재료 웨브 강인성, 및 중심권취기 상의 재료 롤의 관성모멘트에 기초하여, 토크 계산을 위한 수정 조건을 생성하도록 구성된 강인성 컨트롤러,
   상기 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 수정 조건 및 상기 중심권취기 상의 재료 롤의 계산된 관성모멘트에 기초하여, 토크 기준을 계산하기 위한 수단, 그리고
   상기 토크 기준에 기초하여, 중심권취기의 토크를 제어하기 위한 수단을 포함하는 장치에 있어서,
   상기 장치는 강인성 컨트롤러에 의해 생성된 상기 수정 조건에 기초하여 중심권취기 상의 재료의 밀도 값을 수정하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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