MetsoDNA CR系統(tǒng)在特種紙機上的應(yīng)用

陸 平

(牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司 (以下簡稱恒豐紙業(yè))16#特種紙機年產(chǎn)1.5萬t特種紙。該項目于2010年4月12日投產(chǎn)，是恒豐紙業(yè)五年翻番戰(zhàn)略的第一個大項目，也是其在國家“十二五”規(guī)劃中完成的第一個大項目。該項目總投資3.7億元，造紙機及成品設(shè)備由國際最先進的法國阿里曼德和德國格貝爾公司提供。工控DCS、QCS系統(tǒng)設(shè)備由芬蘭美卓公司提供。16#特種紙機與其他造紙機不同，具有“一機多能”的特點，既可生產(chǎn)恒豐紙業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)品卷煙紙，又可生產(chǎn)其他特種紙，滿足了該公司開拓非卷煙紙的市場需求，也增加了其進一步拓展國際市場的可能。與之前的項目相比，該項目生產(chǎn)的產(chǎn)品將更加節(jié)能環(huán)保。

1 MetsoDNA CR系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

MetsoDNA(Metso Dynamic Network of Applications)CR系統(tǒng)是新一代自動化和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺，在這個平臺中涵蓋Field應(yīng)用控制和過程控制、機器控制、質(zhì)量控制、傳動控制及設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)。MetsoDNA Automation System的結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，并遵循TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠方便與其他自控系統(tǒng)相結(jié)合。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 PCS-MetsoACN過程數(shù)據(jù)控制器

過程數(shù)據(jù)控制器功能在DCS和QCS系統(tǒng)中相當于計算機中央處理器CPU，屬于核心關(guān)鍵器件。16#特種紙機采用的過程數(shù)據(jù)控制器型號是MetsoACN(Metso Application and Control Node)C20。

MetsoACN C20作為DCS、QCS系統(tǒng)中心控制處理器，為MetsoDNA CR軟件執(zhí)行提供可靠的使用環(huán)境。在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上可以成為應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一部分，其加載需要從BU服務(wù)器中調(diào)用。

1.2.2 MetsoACN C20接口

圖1為MetsoACN C20控制器重要的常用控制接口。為進一步了解該控制器功能，重點介紹了DP通信故障處理和CF卡數(shù)據(jù)備份。

圖1 MetsoCAN C20控制器接口

兩個PCI擴展卡插槽。這兩個PCI擴展卡插槽分別安裝兩塊Profibus Interface SST通信卡，該通信卡將Profibus開放式現(xiàn)場總線通信與第三方網(wǎng)絡(luò)之間建立連接。控制器在通信功能上被組態(tài)為一個主站，周期性地查詢從站的數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)傳送到從站，同時從站的數(shù)據(jù)也可以反饋給這個主站 (硬件組態(tài)中將該控制器設(shè)成主站)，從而達到遠程監(jiān)控的目的。地址定義分別為FB3和FB4，其主要功能是與造紙機主傳通信、智能MCC通信、各個輔助設(shè)備現(xiàn)場PLC通信、造紙機上8個ProfibusDP編碼器通信和Metso雕印輥PLC通信。在Profibus InterfaceCard通信卡上分別有SYS LED和COMM LED兩個指示燈，正常運行時均為綠色;若顯示紅色則分別代表系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換異常和現(xiàn)場設(shè)備地址識別不正確。

一個CompactFlash插槽，安裝一個4G的CF數(shù)據(jù)存儲卡。該卡有兩種工作方式，一種是控制器獨立運行狀態(tài)，CF卡可以安裝Linux系統(tǒng) (包括與DCS服務(wù)器通信的相關(guān)組件)和控制器IP地址;另一種是控制器需要與BU服務(wù)器一起運行，CF卡只起到“網(wǎng)絡(luò)啟動” (包括與BU服務(wù)器通信的相關(guān)組件)和儲存控制器IP地址功能。“網(wǎng)絡(luò)啟動”就是控制器每次啟動時需要從BU服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)。CF卡數(shù)據(jù)可以通過美卓DCS系統(tǒng)提供的“dnaCFWriter tool”工具進行讀寫。16#特種紙機DCS系統(tǒng)有BU服務(wù)器，所以CF卡主要起到“網(wǎng)絡(luò)啟動”功能。

2 Metso PaperIQ Select QCS系統(tǒng)

在16#特種紙機生產(chǎn)線上安裝2臺Mesto PaperIQ Select QCS系統(tǒng)，分別安裝在特種紙機施膠機前側(cè)和卷曲前側(cè)，系統(tǒng)號分別是9216和9217。9216配有定量和水分傳感器，9217配有定量、水分和灰分傳感器。其定量傳感器放射源為Kr85、測量范圍為15～750 g，精度為0.08%或0.12 g，重復(fù)性為0.08%或0.09 g。水分傳感器是紅外線傳感器，測量范圍最大為30 g水重，精度和重復(fù)性分別為0.10%和0.08%。其灰分傳感器放射源為 Fe55，測量范圍為1% ～40%，精度和重復(fù)性分別為0.15%和0.1%，橫向分辨率為10 mm。QCS系統(tǒng)主要是通過傳感器平臺移動掃描采集CD(橫向)和MD(縱向)信號，來控制調(diào)節(jié)紙張的CD和MD參數(shù)［1］。

2.1 橫向控制

紙機的橫向控制難度遠遠超過縱向控制。縱向控制應(yīng)用時間遠比橫向控制時間久遠，所以縱向控制技術(shù)比較成熟。隨著造紙機車速的提高和紙幅寬度的增加，造紙機橫向控制的紙張橫向定量均方差成為造紙機關(guān)鍵控制點和生產(chǎn)合格品的瓶頸。造紙機橫向控制除了擾動因素多以外，對紙張的檢測能力和控制執(zhí)行設(shè)備精度要求也很高。

橫向控制一般包括橫向定量和橫向水分控制，兩者控制原理相同，本文以橫向定量控制進行描述。橫向定量控制根據(jù)流漿箱結(jié)構(gòu)不同分為橫向唇板控制和橫向稀釋水控制。橫向唇板控制是通過改變流漿箱局部唇板開度來控制紙張橫向定量;橫向稀釋水控制是通過改變流漿箱唇板局部上漿濃度進行紙張橫向定量控制，在流漿箱前面有一臺中央布漿器，安裝48個與唇板位置一一對應(yīng)的稀釋水調(diào)節(jié)閥門。16#特種紙機橫向定量控制采用的是橫向稀釋水控制，通過手動橫向唇板粗調(diào)、自動稀釋水精調(diào)的控制方式。

16#特種紙機中央布漿器上48個稀釋水閥門，每個閥門控制紙幅橫向?qū)挾葹?6 mm，所以橫向唇板寬度為3648 mm。卷曲前掃描架定量傳感器掃描劃分365點，每個點為10 mm，所以橫向采樣寬度為3650 mm。

圖2為橫向定量優(yōu)化界面。橫向稀釋水定量控制采用絕干量橫向稀釋水控制的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序依靠濃度橫幅技術(shù)控制橫向定量。因為上漿濃度沿橫幅變化，隨之絕干量也發(fā)生變化，即絕干量的改變與稀釋水的改變成反比。所以減少橫向紙幅定量的均方差可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的紙張。當然，如果上漿濃度和白水濃度穩(wěn)定，橫向控制效果會更加理想。由于上漿濃度是系統(tǒng)在線連續(xù)打漿和多級濃度控制，故能夠保證穩(wěn)定。

圖2 橫向定量優(yōu)化

要想實現(xiàn)穩(wěn)、準、快的自動控制系統(tǒng)，除了需要好的控制算法外，檢測設(shè)備和執(zhí)行元件也非常重要。16#特種紙機生產(chǎn)線安裝兩套QCS掃描架檢測系統(tǒng)，分別位于施膠前側(cè)和卷曲前側(cè)。橫向定量控制系統(tǒng)通過施膠前和卷曲前的掃描架采樣都可以進行控制和切換，圖2所示的SP Scaner/RL Scaner即可以進行切換控制。這個功能可以根據(jù)不同紙種和工藝要求進行橫向定量控制切換，另一個功能就是當有一臺掃描架發(fā)生故障時，另一臺掃描架可以實現(xiàn)自動橫向控制。

2.2 橫向定量稀釋水控制方法

圖3為橫向定量稀釋水的3種控制方式，分別為稀釋率控制 (Dilution Rate Control)、稀釋壓力控制(Dilution Pressure Control)和稀釋手動控制 (Dilution Manual Control)，這3種控制方式均通過中央布漿器來完成。

圖3 稀釋水三種控制方式

稀釋率控制是通過進入中央布漿器白水量與進入布漿器上漿量，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求控制在一定的比率。稀釋壓力控制是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求控制白水進入布漿器入口壓力恒定進行控制。稀釋手動控制是手動控制上漿泵轉(zhuǎn)速，也是保證布漿器入口壓力恒定，該種控制方式一般不能滿足控制要求。稀釋率和稀釋壓力控制是通過上漿泵投入到自動狀態(tài)來完成的，經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)中央布漿器用稀釋率控制效果比較理想，16#特種紙機當前車速是487 m/min，流漿箱稀釋率為15.8%。

2.3 橫向定量稀釋水閥門控制原理

中央布漿器上每個稀釋水閥門都具備PID調(diào)節(jié)功能，可以實現(xiàn)手動控制和自動控制，如圖4所示。根據(jù)16#特種紙機工藝特性，48個稀釋水閥門每次投入使用的初始閥位設(shè)定在70%，這樣可以快速使稀釋水閥門進入工作狀態(tài)。手動控制通常是因為紙邊發(fā)生較大變化需要將紙邊的某一個或幾個稀釋水閥門投入到手動工作狀態(tài)下進行調(diào)節(jié)。自動控制是根據(jù)紙幅橫向定量某一點發(fā)生變化計算出對應(yīng)稀釋率來控制稀釋水閥門，從而保證紙幅橫向定量均方差2σ達到工藝要求［2］。

圖4 稀釋水閥門控制

當然也可以將稀釋水閥門由稀釋率控制切換到閥門控制，圖4中JD1 Valve Positions的D-RATIO狀態(tài)切換到VALVE狀態(tài)。若進入VALVE狀態(tài)則不能用稀釋率控制稀釋水，而是橫向定量發(fā)生變化直接控制閥門 (要求白水濃度穩(wěn)定)或者手動控制閥門。

2.4 橫向定量稀釋水閥門清洗

由于橫向稀釋水閥門流動介質(zhì)是白水，而且白水中有纖維和碳酸鈣等介質(zhì)，所以稀釋水閥門需要定期清洗。稀釋水閥門清洗方式可以根據(jù)需要進行設(shè)定，如圖5所示。16#特種紙機的48個稀釋水閥門分成3組，每組為16個;清洗時間設(shè)定為60 s;清洗閥門組的標記數(shù)第一組用1表示，第二組用17表示，第三組用33表示;每組稀釋水閥門清洗開度由95%到5%，當清洗第一組閥門時閥門開度為95%，其他兩組閥門開度為5%。

圖5 稀釋水閥門清洗

2.5 橫向定量執(zhí)行器存儲

橫向定量執(zhí)行器存儲 (見圖6)可以縮短從開機到生產(chǎn)合格品的調(diào)試時間，提高生產(chǎn)效率。圖6中最下面48個閥門橫向稀釋率畫面是當前生產(chǎn)時控制畫面。工藝技術(shù)人員可以根據(jù)當前紙種和生產(chǎn)運行狀況，認為當前橫向生產(chǎn)狀態(tài) (均方差2σ很小)良好，可以將當前閥門控制狀態(tài)存儲起來，對其進行描述性命名。該畫面可以在施膠掃描架和卷取掃描架分別存儲6組數(shù)據(jù)畫面，如圖6所示。

需要注意的是根據(jù)當前生產(chǎn)紙種需要調(diào)用某一個數(shù)據(jù)畫面時，需要到圖2左上角將橫向稀釋水閥門由自動狀態(tài) (Auto)切換到手動狀態(tài) (Manual)，然后到圖6所示畫面將相應(yīng)數(shù)據(jù)畫面Copy到最下面當前執(zhí)行數(shù)據(jù)畫面上。并且可以將Copy的數(shù)據(jù)畫面進行扁平 (Flat)調(diào)整，滿意后下載 (Load)應(yīng)用，若感覺調(diào)整不理想，可以重新操作 (Undo)。

圖6 橫向定量執(zhí)行器存儲

2.6 橫向稀釋水閥門標定

橫向稀釋水閥門有自身標定功能，標定頁面如圖7所示。該項操作通常是在更換新的稀釋水閥門或者橫向定量控制不理想時進行。該功能可以對所有閥門進行標定，也可以對某一個或多個進行標定。

稀釋水閥門標定需在停機狀態(tài)下進行。在標定之前，要到圖2左上角將橫向稀釋水閥門切換到自動狀態(tài) (Auto)。然后點擊圖7中“Select”圖標，進行標定閥門選擇 (如圖8所示)，可以對所有閥門進行標定 (All ON)，也可以不標定所有閥門而是選擇某一個或多個進行標定。

選擇標定閥門后，點擊圖7中“Start”圖標就可以進行稀釋水閥門標定。在圖7右側(cè)可以看到標定閥門對應(yīng)閥位、編號和狀態(tài)。完成標定后，除了能夠標定出每個閥門的斜率和截距外，還可以看到每一個閥門相應(yīng)參數(shù)，如閥門的工作死區(qū) (Positioning Dead-Band)、閥門回差 (Oscillation)、閥門偏差 (Drifting)、控制脈沖效率比 (Pulse efficiency ratio)。

圖7 稀釋水閥門標定

圖8 閥門標定選擇

3 結(jié)語

牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司16#特種紙機應(yīng)用MetsoDNA CR自動控制系統(tǒng)及MetsoACN過程數(shù)據(jù)控制器，滿足了生產(chǎn)過程的控制需求。

［1］ LIU Cheng-dong，DUAN Jing-bo．Affordable-based DCS System on Paper Machine［J］．China Pulp ＆ Paper，2011，30(7):48．劉承棟，段靜波．經(jīng)濟適用型DCS系統(tǒng)在紙機上的應(yīng)用［J］．中國造紙，2011，30(7):48．

［2］ ZHOU kun-peng．OptiFeed Slurry Flow System Used in the Highspeed Machine［J］．China Pulp ＆ Paper，2004，23(3):32．周鯤鵬．OptiFeed漿料流送系統(tǒng)在高速紙機上的應(yīng)用［J］．中國造紙，2004，23(3):32． CPP