基于KajaaniRM3的特種紙留著率在線測(cè)量控制系統(tǒng)

霍 宏

(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(jiǎn)稱恒豐紙業(yè))16#特種紙機(jī)主要生產(chǎn)卷煙用紙，多種工藝指標(biāo)要求非常嚴(yán)格。

從造紙工藝來講，如果紙機(jī)濕部的網(wǎng)下白水濃度穩(wěn)定，則網(wǎng)部的留著率也就能夠穩(wěn)定，即產(chǎn)品的合格率提高。眾所周知，紙機(jī)濕部會(huì)受到多種生產(chǎn)變化因素的影響，所以紙機(jī)濕部工藝參數(shù)很難穩(wěn)定。對(duì)于卷煙用紙來講，紙機(jī)濕部的白水成分主要是原料中的纖維和碳酸鈣，所以保證原料纖維濃度和碳酸鈣濃度的穩(wěn)定就可保證白水濃度和網(wǎng)上留著率穩(wěn)定。從控制理論上來講，若要保證纖維濃度和碳酸鈣濃度穩(wěn)定，則必須準(zhǔn)確測(cè)量出纖維濃度和碳酸鈣濃度。恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)采用的是美卓公司KajaaniRM3濃度分析儀和傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)下白水濃度。

1 KajaaniRM3濃度分析儀的組成和測(cè)量原理

KajaaniRM3濃度分析儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由1個(gè)測(cè)量單元 (傳感器)、1個(gè)變送器中心單元(TCU)和1個(gè)手動(dòng)取樣器組成。在恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)上，KajaaniRM3濃度分析儀安裝在紙機(jī)中央布漿器旁邊，取樣器安裝在中央布漿器回流管路上。KajaaniRM3濃度分析儀是模塊化測(cè)量分析儀，可以根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)取樣位置進(jìn)行模塊化安裝，如取樣器、樣品泵、反沖洗隔絕閥等都是可選組件。KajaaniRM3濃度分析儀在TCU中有各種用戶接口、PC連接和DCS連接。在TCU中可以進(jìn)行就地采樣和查看等操作;PC連接可以通過FidldCare軟件進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)查看、組態(tài)、標(biāo)定、診斷和趨勢(shì);DCS連接接口用于操作、控制和報(bào)警。

圖1 KajaaniRM3濃度分析儀的結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)量單元

測(cè)量單元為KajaaniRM3濃度分析儀的傳感器部分，由圖1可知，測(cè)量單元主要由光學(xué)測(cè)量模塊、電子連接單元、沖洗單元組成。測(cè)量單元可以對(duì)中央布漿器回流白水進(jìn)行在線連續(xù)測(cè)量，不僅可以測(cè)量白水總濃度，也可以測(cè)量出白水中的碳酸鈣濃度，同時(shí)可以計(jì)算出碳酸鈣百分比。

1.1.1 光學(xué)測(cè)量模塊

光學(xué)測(cè)量模塊由激光源、氙光源、測(cè)量室、檢測(cè)器等組成。在測(cè)量過程中，激光源和氙光源交替發(fā)出并形成一定波長的極化光，極化光通過光束分離器分成兩束極化光，其中一束極化光在測(cè)量室中被白水中的纖維和碳酸鈣吸收衰減成測(cè)量信號(hào)，另一束未被衰減極化光作為參考信號(hào)。測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)通過檢測(cè)器就可以計(jì)算出白水中纖維濃度和碳酸鈣濃度。

1.1.2 電子連接單元

電子連接單元包括對(duì)白水測(cè)量指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集和控制中央處理器單元 (CPU);包括監(jiān)測(cè)和控制模擬量、數(shù)字量I/O信號(hào)板部分;包括測(cè)量白水pH值、電導(dǎo)率、溫度的測(cè)量放大板;包括與其他設(shè)備通信的通信板，可以實(shí)現(xiàn)PC連線和Hart通信協(xié)議。

1.1.3 沖洗單元

沖洗單元包括沖洗閥A和反沖洗隔絕閥B。沖洗單元的功能為在規(guī)定階段對(duì)樣品進(jìn)行正反兩個(gè)方向清洗，在TCU中可以對(duì)正反兩個(gè)方向的清洗時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。

1.2 KajaaniRM3濃度分析儀測(cè)量原理

KajaaniRM3濃度分析儀主要是檢測(cè)網(wǎng)下白水中纖維濃度和碳酸鈣濃度，圖2為KajaaniRM3濃度分析儀的測(cè)量原理。

圖2 KajaaniRM3濃度分析儀的測(cè)量原理

KajaaniRM3濃度分析儀主要是利用光學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量。由圖2可知，該分析儀有兩個(gè)光源 (激光源、氙光源)和6個(gè)接收信號(hào)組成。兩個(gè)光源在沒有進(jìn)行測(cè)量之前，氙光源通過偏光鏡變成極化光，然后通過反光鏡將兩個(gè)光束分成兩路光，一路是測(cè)量光束，另一路是參考光束。測(cè)量光束測(cè)量樣品時(shí)遇到纖維素和碳酸鈣顆粒會(huì)把光束變成散射光和較亮的一致性光束，則散射光接收元件和氙氣/激光測(cè)量元件分別接收這兩種光束。最終氙光/激光測(cè)量元件檢測(cè)信號(hào)和氙光/激光參考元件檢測(cè)信號(hào)作為參考信號(hào)，以散射光接收元件檢測(cè)信號(hào)作為補(bǔ)償信號(hào)，就可以計(jì)算出纖維和碳酸鈣顆粒在白水中的含量。

2 留著率在線間接測(cè)量原理

留著率是指從流漿箱噴射出的漿料留著在網(wǎng)部伏輥處的物料與從流漿箱噴射出的漿料之比。即留著率=［(流漿箱漿料－網(wǎng)下白水漿料)/流漿箱漿料］×100%［1］。在造紙過程中，通過流漿箱的漿料量和留著在網(wǎng)上網(wǎng)下漿料量是一定的，即知道流漿箱漿料濃度和網(wǎng)下白水物料濃度便可知其留著率。

通過上述分析可知，若想準(zhǔn)確測(cè)出網(wǎng)部留著率，需要安裝兩套留著率分析儀，分別檢測(cè)流漿箱漿料和網(wǎng)下白水的濃度。恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)只在中央布漿器回流管路上安裝1臺(tái)KajaaniRM3濃度分析儀檢測(cè)網(wǎng)下白水濃度，沒有檢測(cè)流漿箱漿料濃度，也實(shí)現(xiàn)了留著率自動(dòng)控制，圖3為恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)留著率自動(dòng)控制原理圖。

2.1 網(wǎng)下白水濃度檢測(cè)和流漿箱漿料濃度計(jì)算

對(duì)于卷煙用紙，從流漿箱噴射出的漿料主要為漿纖維和碳酸鈣混合漿料。由圖3可知，16#特種紙機(jī)網(wǎng)下白水的纖維和碳酸鈣濃度可通過安裝在中央布漿器回流管路上的KajaaniRM3濃度分析儀實(shí)時(shí)檢測(cè)。

流漿箱漿料濃度可通過QCS和DCS系統(tǒng)檢測(cè)到信息進(jìn)行計(jì)算得出。流漿箱中漿料體積一定，知道流漿箱漿料纖維質(zhì)量和碳酸鈣質(zhì)量就可計(jì)算出流漿箱漿料的纖維濃度和碳酸鈣濃度，便可知漿料總濃度。在該方案中，流漿箱漿料纖維質(zhì)量和碳酸鈣質(zhì)量可通過QCS系統(tǒng)掃描架檢測(cè)紙張的絕干定量和灰分進(jìn)行檢測(cè)，從而可知流漿箱漿料中的纖維濃度和碳酸鈣濃度，但該濃度是靜態(tài)理想濃度。造紙過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，所以流漿箱漿料動(dòng)態(tài)的纖維濃度和碳酸鈣濃度，具體計(jì)算見式 (1)和式 (2)。

圖3 留著率自動(dòng)控制原理

漿料動(dòng)態(tài)纖維濃度=

式中，漿料動(dòng)態(tài)纖維濃度、碳酸鈣動(dòng)態(tài)濃度單位均為g/L;上漿、白水量、布漿器回流量單位均為L/min;網(wǎng)速單位為m/min;K為標(biāo)定系數(shù)，K=3.65;灰分質(zhì)量(g)=QCS灰分測(cè)量的百分比×紙張定量。

在恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)應(yīng)用中，留著率控制采用的是KajaaniRM3濃度分析儀檢測(cè)的網(wǎng)下白水總濃度，所以流漿箱漿料濃度也采用總濃度，即漿料動(dòng)態(tài)纖維濃度加上碳酸鈣動(dòng)態(tài)濃度之和。網(wǎng)下白水碳酸鈣濃度和流漿箱碳酸鈣濃度用于日常參考查看。

2.2 留著率控制原理

由式 (1)和式 (2)可知流漿箱漿料和網(wǎng)下白水動(dòng)態(tài)濃度，若這兩個(gè)濃度穩(wěn)定，就可以保證濕部工藝指標(biāo)穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率即可提高。但在實(shí)際生產(chǎn)中網(wǎng)下白水濃度波動(dòng)很大，同時(shí)也會(huì)干擾流漿箱漿料濃度，所以關(guān)鍵是保證網(wǎng)下白水濃度的穩(wěn)定。

在實(shí)際生產(chǎn)中通過添加助留劑可以改善穩(wěn)定留著率，降低網(wǎng)下白水濃度波動(dòng)。所以控制助留劑的流量是控制網(wǎng)下白水濃度最有效的辦法，即通過控制白水濃度間接控制網(wǎng)部留著率。該方案中留著率控制分為兩級(jí)控制，一級(jí)是助留劑流量控制，即內(nèi)環(huán)控制;二級(jí)是網(wǎng)下白水濃度控制，即外環(huán)控制。由圖3可知，螺桿泵馬達(dá) M、流量計(jì)L與PC面板(PLC200控制器)可以組合成一級(jí)助留劑流量自動(dòng)控制。當(dāng)PC面板進(jìn)入本地自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，螺桿泵馬達(dá)M轉(zhuǎn)速可根據(jù)助留劑流量大小進(jìn)行控制;螺桿泵馬達(dá) M、KajaaniRM3濃度分析儀、PC面板 (PLC200控制器)、QCS服務(wù)器組合成二級(jí)助留劑濃度自動(dòng)控制。當(dāng)在PC面板切換到遠(yuǎn)程控制狀態(tài) (螺桿泵馬達(dá)M轉(zhuǎn)速不受PLC200檢測(cè)到流量計(jì)信號(hào)大小進(jìn)行控制)與QCS系統(tǒng)組合成二級(jí)網(wǎng)下白水濃度控制時(shí)，即KajaaniRM3濃度分析儀檢測(cè)到網(wǎng)下白水濃度信號(hào)送到QCS服務(wù)器，然后QCS服務(wù)器上設(shè)定的白水濃度與KajaaniRM3濃度分析儀檢測(cè)到網(wǎng)下白水濃度進(jìn)行比較，形成的輸出控制信號(hào)傳給現(xiàn)場(chǎng)的PLC200控制器，控制助留劑螺桿泵的轉(zhuǎn)數(shù)，從而保證網(wǎng)下白水實(shí)時(shí)滿足生產(chǎn)工藝要求。

由上述分析可知，保證網(wǎng)部留著率穩(wěn)定之外，紙張的定量和灰分穩(wěn)定尤為重要。由圖3可以看出，網(wǎng)下白水濃度、流漿箱漿料濃度、漿料量、碳酸鈣量之間存在相互制約干擾關(guān)系，所以也需要穩(wěn)定控制漿料量和碳酸鈣量。由圖3可知，該方案中漿料量與碳酸鈣量通過掃描架檢測(cè)紙張的定量和灰分來控制。當(dāng)二級(jí)控制投入自動(dòng)控制時(shí)，QCS系統(tǒng)會(huì)根據(jù)紙張的定量、灰分和網(wǎng)下白水濃度進(jìn)行解耦模型運(yùn)算來控制網(wǎng)下白水濃度，最終保證紙機(jī)無論在正常生產(chǎn)狀態(tài)下還是斷紙接頭時(shí)都能保證一個(gè)穩(wěn)定快速的動(dòng)態(tài)控制過程。

3 留著率自動(dòng)控制方案

圖4為留著率控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成。從圖4可知，留著率控制系統(tǒng)包括執(zhí)行部分和控制部分。執(zhí)行部分包括助留劑變頻器和螺桿供料泵控制輸出;控制部分包括西門子 PLC200控制器、PC控制面板、QCS/DCS控制器和QCS操作站/服務(wù)器。

西門子PLC200控制器可以通過PC面板進(jìn)行本地控制和QCS遠(yuǎn)程控制。助留劑由南京麥文公司制備，本文不加贅述。助留劑給定輸出通過PLC200控制器來控制變頻供料泵來實(shí)現(xiàn)，可以通過PC面板進(jìn)行本地和QCS遠(yuǎn)程控制。

圖4 留著率控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

PC面板、PLC200控制器、變頻泵和流量計(jì)組成助留劑流量控制系統(tǒng)，即內(nèi)環(huán)控制。該控制具有手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和報(bào)警功能。手動(dòng)控制功能即在PC面板上給變頻泵一個(gè)固定頻率向紙機(jī)系統(tǒng)里輸送助留劑，對(duì)助留劑的流量不做控制，所以手動(dòng)控制不適合助留劑流量波動(dòng)和濃度波動(dòng)環(huán)境。自動(dòng)控制功能就是PC面板、控制器、流量計(jì)和變頻泵組成了一個(gè)PID流量控制回路，所以助留劑流量波動(dòng)可以控制，但是對(duì)網(wǎng)下白水濃度波動(dòng)還是不能實(shí)現(xiàn)控制，網(wǎng)下白水濃度控制問題在上述留著率控制原理中已分析。

該方案留著率自動(dòng)控制采用的是網(wǎng)下白水濃度控制，即采用上述中的二級(jí)控制方案?？刂七壿嫿Y(jié)合圖4所示，根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)工藝單白水濃度要求在QCS操作站/服務(wù)器上輸入白水濃度設(shè)定值，白水濃度設(shè)定值與KajaaniRM3濃度分析儀檢測(cè)白水濃度值進(jìn)行比較后，輸出控制信號(hào)給PLC200控制器，然后PLC200控制器來控制變頻器和螺桿供料泵，從而通過助留劑來控制網(wǎng)下白水濃度穩(wěn)定。流漿箱漿料濃度根據(jù)2.1部分介紹，已經(jīng)知道了流漿箱漿料總濃度計(jì)算方法。由留著率定義可知，知道了白水總濃度和流漿箱漿料總濃度便可知道紙機(jī)網(wǎng)部留著率。在恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，由于流漿箱的漿料量和留著網(wǎng)上網(wǎng)下漿料量以及流漿箱漿料濃度基本是不變的，所以控制網(wǎng)下白水濃度穩(wěn)定就可以保證網(wǎng)部留著率穩(wěn)定［2］。

3 結(jié)語

恒豐紙業(yè)16#特種紙機(jī)網(wǎng)部留著率控制方案在實(shí)際應(yīng)用中控制效果比較明顯，但在更換品種相差較大紙種時(shí)控制響應(yīng)速度相對(duì)慢一些。如果是更換過的紙種或相近的紙種可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)定控制，這樣控制響應(yīng)速度就會(huì)顯著提高。如果采用在流漿箱和網(wǎng)下白水各安裝1臺(tái)美卓KajaaniRM3濃度分析儀，在更換紙種或斷紙時(shí)控制效果會(huì)更好，但是資金投入也會(huì)大幅增加。

［1］ CAO Yan-jun．Measures to Improve Retention System［J］．China Pulp ＆ Paper，2004，23(3):64．曹衍軍．提高系統(tǒng)留著率的措施［J］．中國造紙，2004，23(3):64．

［2］ LU Ping．Application of On-line Detection System in Specialty Paper Machine［J］．China Pulp ＆ Paper，2013，32(4):53．陸 平．在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在特種紙機(jī)上的應(yīng)用［J］．中國造紙，2013，32(4):53． CPP