中高速衛(wèi)生紙機集成優(yōu)化控制系統(tǒng)

王博 湯偉 王孟效 董超 李虎 李清旺 朱忠杰 李永兵

摘要：隨著生活用紙市場競爭的加劇，以及節(jié)能降耗的低碳經濟之路政策的推進，生活用紙企業(yè)紛紛新建車速800 m/min以上的中高速衛(wèi)生紙機，但中高速衛(wèi)生紙機在打漿控制、質量控制、干燥部節(jié)能和傳動控制等方面尚存一些技術問題需要突破。本課題提出打漿度在線軟測量及恒打漿度控制、定量在線軟測量及絕干漿量控制、干燥部能耗協同控制、同步傳動控制等控制策略，并開發(fā)了集成優(yōu)化控制系統(tǒng)。應用結果表明，打漿度控制誤差低于±0.5°SR，漿耗低于1.05 t漿/t紙; 實現了在無定量水分在線檢測裝置條件下的絕干漿量精確控制，控制誤差低于±0.4 g/m2;汽耗低于2.03 t汽/t紙，穩(wěn)定生產車速達1300 m/min。

關鍵詞：中高速衛(wèi)生紙機;軟測量及控制;能耗協同控制;同步傳動控制

中圖分類號：TS736? 文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.09.008

Abstract： Medium and high speed tissue paper machines， with running speed higher than 800 m/min， were launched in many enterprises due to market competition intensifying， and the implementation of the policies of energy-saving and low-carbon economic. However many technical problems included beating control， basis weight control， energy-saving of drying section and driving control were needed to be solved. To solve those problems， online soft measurement and control strategy of beating degree， online soft measurement method of basis weight， energy consumption synergistic control algorithm of dryer section and three-points driving control method of driving system were proposed in this study， finally. An integrated optimization control system was developed based on the software platform of WinCC， Step7 and PCS7. The practical running effect showed that the error of beating degree was smaller than ±0.5°SR， and the stock consumption was less than 1.05 tons per ton peper. The precise control of basis weight was realized， without equipping with online quality control system （QCS）， the error was lower than ±0.4 g/m2. The average steam consumption of drying section was lower than 2.03 tons. The stable running speed could reach 1300 m/min.

Key words： medium and high speed tissue paper machine; soft measurement and control; energy consumption synergistic control; synchronous driving control

目前我國生活用紙的生產量及消費量逐年上升，據《中國造紙工業(yè)2018年度報告》統(tǒng)計，2018年生活用紙生產量970萬t，較上年增長1.04%，消費量901萬t，較上年增長1.24%。2009—2018年生活用品生產量年均增長率5.88%，消費量年均增長率6.10%[1]。雖然生活用紙行業(yè)處于生產量及消費量雙增長階段，但總體上表現為產能過剩，生活用紙生產企業(yè)為了應對日益嚴峻的市場形勢，一方面要增產提質，另一方面通過節(jié)能降耗，降低生產成本，以獲取更大的利潤空間。生活用紙生產企業(yè)紛紛淘汰能耗高、污染大的低速衛(wèi)生紙機，取而代之的是中高速衛(wèi)生紙機。當今，幅寬為2500～4500 mm、車速800～1800 m/min的中高速國產生活用紙紙機（單大缸，直徑一般都不小于3600 mm）已大面積推廣。這說明我國造紙工業(yè)已經步入由成長期向成熟期發(fā)展的轉型期，處于調整結構、轉型升級和尋求新平衡的過程中[2-3]。

目前新上生產線多為單大缸中高速衛(wèi)生紙機，以新月形衛(wèi)生紙機為例，其主要結構如圖1所示。由圖1可以看出，紙機本體主要有流漿箱、成形部、壓榨部、干燥部、卷取部組成。一般而言，生活用紙生產線由打漿、備漿流送、干燥部、同步傳動控制4個子系統(tǒng)組成。紙張抄造原料為商品木漿，碎漿后經過打漿進入抄紙工段，從備漿工段送來的漿料進入流漿箱，從流漿箱的唇口噴出，在傳動裝置帶動作用下漿料從網子轉移到毛毯并經過壓榨部進行脫水，此時濕紙幅干度可達到45%左右，接著進入干燥部經揚克烘缸及揚克氣罩共同加熱干燥作用后干度可達94%左右，從而完成紙幅的干燥過程，最后在卷取部卷取成卷。

由圖1還可以看出，中高速衛(wèi)生紙機具有特殊的構造與工藝要求，其控制系統(tǒng)與生產文化用紙、工業(yè)用紙的紙機存在顯著差別，只有采用先進的控制策略及配套合適的自動化控制系統(tǒng)才能實現節(jié)能、高效的生產。為解決這一難題，本課題針對中高速衛(wèi)生紙機生產線打漿、定量控制、干燥部能耗、傳動控制及系統(tǒng)的集成優(yōu)化這5個方面展開應用技術研究工作。

1 中高速衛(wèi)生紙機控制策略

1.1 打漿度在線軟測量及恒打漿度控制

因生活用紙不同于其他紙張的質量指標要求（如松厚度等的特殊要求），打漿非常關鍵。目前針對打漿度控制采用的方法主要為比能量控制[4]，該方案將盤磨機主電機工作功率作為控制量，磨盤間隙作為操作量，漿料的流量、濃度、壓力等因素作為擾動量，通過調節(jié)動、定磨盤之間的間隙，將功率控制在設定值附近。這種簡單的開環(huán)控制方式僅能控制功率恒定，在流量、濃度、壓力等其他過程變量均保持穩(wěn)定的情況下，才能夠保證成漿質量穩(wěn)定。在實際應用中，以上過程變量均會發(fā)生波動，導致成漿質量的不穩(wěn)定，從而影響衛(wèi)生紙品的質量。由于磨盤是封閉結構，工作區(qū)的實際狀態(tài)難以直接觀測，所以目前只能對打漿過程進行簡單的定性描述，難以做到精確測量。而打漿過程中各參數之間（如流量、濃度、磨盤間隙、壓力等因素）相互耦合，共同影響著打漿質量、打漿產量以及能耗。

支持向量機（Support Vector Machine，SVM），在解決非線性、高維度以及小樣本問題上有著很多優(yōu)勢。以漿種、濃度、流量和功率等參數為二次變量，建立基于SVM算法的打漿度在線軟測量數學模型如圖2所示[5-6]。根據磨漿機的特性，提出了以磨漿機主電機功率控制為副環(huán)、打漿度控制為主環(huán)的恒打漿度控制方案[7-8]，由軟測量模型計算出打漿所需要的功率值，并通過調節(jié)盤磨機的進退刀實現磨漿機的恒功率控制，控制流圖如圖3所示。

采用該控制策略后，打漿度控制的實時曲線如圖4所示，其中圖4（a）為傳統(tǒng)的比能量打漿度控制，圖4（b）為打漿度在線軟測量及恒打漿度控制。由圖4（a）可見，采用傳統(tǒng)的比能量控制策略，當磨漿過程發(fā)生投入漿板量不均、流量變化或將廢紙投料時，打漿度會出現波動，波動幅度可達±1.5°SR，而且難以快速達到設定值。由圖4（b）可見，當在水力碎漿階段，人工操作發(fā)生投料不均或者將損紙加入到水力碎漿機中，導致碎漿階段產生漿料濃度波動之類干擾因素出現時，采用本課題提出的打漿度在線軟測量及恒打漿度控制策略，能夠使打漿度快速穩(wěn)定到設定值，誤差也能控制在±0.5°SR以內，達到了控制成漿質量的目的。而且由于打漿度穩(wěn)定，生產過程中的廢漿率也隨之降低。據統(tǒng)計，與傳統(tǒng)比能量打漿度控制相比，打漿度在線軟測量及恒打漿度控制抄紙工段的成紙一等品率由90%上升至94%，噸紙漿耗由1.12 t降至1.05 t，有效地提升了原料的利用率。

1.2 無QCS條件下定量在線軟測量及絕干漿量精確控制

定量（又稱絕干漿量）是指紙張單位面積中所含纖維的質量[9-10]，一般來說，評價紙張質量最重要的指標是定量和水分，這兩個質量指標是否達標決定著成紙的一等品率。在整個備漿流送系統(tǒng)中，保證紙張定量是一項重要任務，一般衛(wèi)生紙機生產紙張定量范圍在10～20 g/m2。以14 g/m2的生活用紙為例，國家標準規(guī)定定量誤差低于±1.0 g/m2[11]。中高速衛(wèi)生紙機的定量控制不同于傳統(tǒng)的長網紙機，它不僅車速高，而且定量低，需要采用钷（Pm147）放射源才能滿足低定量紙張的檢測要求，然而此元素的半衰期僅為2.62年，由于半衰期較短，定量傳感器的耐久性不佳，需要頻繁地定期標定或更換，使用成本較高。采用掃描架循環(huán)掃描紙張定量時，紙機運行車速高、紙張定量低，紙張的顫動容易造成探頭劃破紙張，損壞定量傳感器或造成斷紙，從而影響紙機連續(xù)生產。采用定點掃描時無法保證橫幅定量的均勻穩(wěn)定，具有較大局限性，無法得到較好的運行效果。在中高速衛(wèi)生紙機生產線中，不便于配置在線質量控制系統(tǒng)（Quality Control System，QCS），因此定量在線軟測量及絕干漿量精確控制策略是解決這一問題的合適方案[12]。

定量在線軟測量技術是基于紙張定量與漿濃和上漿流量的關系，具體關系如公式（1）所示。

式中，D為紙張定量;K為修正系數;C為上漿濃度;F為上漿流量;L為抄造幅寬;V為紙機車速。

在中高速衛(wèi)生紙機生產線中，紙張抄造幅寬一般是固定值，車速保持穩(wěn)定，通過測量上漿濃度及流量，再乘以修正系數，實現在無QCS條件下，應用在線軟測量技術測得衛(wèi)生紙定量。

紙張定量控制工藝中控制變量為上漿濃度及流量，兩者存在耦合關系，在控制邏輯中需要進行解耦運算;而濃度調節(jié)是一個純滯后過程，常規(guī)PID控制對較大純滯后對象的控制始終存在不足，無法取得較好的控制效果，基于模糊PID控制的定量控制方案可以改善濃度控制的滯后現象[13]，具體控制方案如圖5所示。

注 FSV（s）、CSV（s）分別為流量和濃度設定值;FPV（s）、CPV（s）分別為流量和濃度檢測值;GF（s）、GC（s）分別為流量和濃度控制對象;CF（s）為流量控制器;CC（s）為濃度控制器，其中濃度控制采用模糊PID控制。

該控制策略在四川某紙企車速為1000 m/min的中高速衛(wèi)生紙機生產線上得到了應用，現場測量數據表明，定量控制誤差的最大波動量均小于±0.4 g/m2，滿足國家標準規(guī)定的±1.0 g/m2的誤差許可范圍，實現了無在線QCS條件下紙張定量及水分指標長期達標穩(wěn)定運行的目的。

1.3 干燥部蒸汽冷凝水與通風氣罩能耗協同優(yōu)化控制

衛(wèi)生紙機干燥部主要設備包括揚克烘缸、揚克氣罩、閃蒸罐等。濕紙幅進入干燥部緊貼揚克烘缸表面，在烘缸內蒸汽熱傳導及揚克氣罩高速熱風的共同作用下，完成紙張的干燥。蒸汽冷凝水系統(tǒng)主要能耗影響因素來源于以下兩部分：①供汽方式不同將導致新鮮蒸汽的消耗量不同，目前大多數造紙企業(yè)采用熱泵供汽;②烘缸一旦積水將導致傳熱效率降低、烘缸運轉負荷加重，電耗、汽耗均大幅增加。因此，干燥部的供汽方式及防止烘缸積水是節(jié)約衛(wèi)生紙機干燥部能耗的關鍵因素[14-15]。

多段供汽和熱泵供汽相結合的供汽方式以及烘缸蒸汽冷凝水子系統(tǒng)與通風氣罩子系統(tǒng)能耗協同控制方案能夠有效地利用干燥部熱能[16-17]，具體控制工藝流程圖如圖6所示。在工藝設計階段要將通風氣罩供熱系統(tǒng)與蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)結合起來，統(tǒng)一進行能量恒算，烘缸蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)供應商在進行熱力平衡計算時，要充分考慮通風氣罩的熱風能耗，使蒸汽冷凝水系統(tǒng)不便循環(huán)使用的余熱余能全部進入通風氣罩，用來預熱新風，實現能量的綜合利用。

為了實現本系統(tǒng)的總體設計思想，在節(jié)能和響應速度兩方面都盡可能地趨于最優(yōu)，借助于非線性PID的控制算法及模糊PID算法，分別針對熱泵組的壓力分段控制、熱泵開度的低端選擇控制、通風氣罩二次蒸汽回收壓力回路的分程控制及烘缸差壓控制[17-20]，能夠充分利用蒸汽的熱能，降低干燥部能耗。該控制策略在保定某生活用紙生產線得到了應用，連續(xù)12個月的噸紙汽耗統(tǒng)計數據如圖7所示。從圖7可以看出，該生產線2017年度汽耗均值為2.03 t汽/t紙，與國外同類產品能達到的噸紙汽耗指標（2.0～2.1 t汽/t紙）基本持平。這表明在裝備具有價格優(yōu)勢的國產中高速衛(wèi)生紙機中，采用合理的能耗協同控制策略，能夠達到與國外同類產品相近的能耗指標，從而有助于廠家降低設備的投資成本。

1.4 中高速衛(wèi)生紙機同步傳動控制

中高速衛(wèi)生紙機的揚克烘缸直徑一般為3660～4877 mm，質量高達80～100 t，屬于大慣量設備，烘缸啟動和制動的時間都比較長。負載的大轉動慣量也會影響系統(tǒng)運行定位的快速性和精度，比較難以實現系統(tǒng)的快速跟蹤定位。成形輥、烘缸、卷紙輥構成了中高速衛(wèi)生紙機的3點聯合驅動，由于生活用紙紙張薄、車速高，相對于長網紙機對同步傳動的要求極高，通常要求速度誤差要小于±0.5%，一旦超過誤差范圍會造成斷紙、褶皺增多、粘缸等問題影響生產。

在紙機傳動過程中，需要使相鄰傳動點之間的速度保持一定的比例，并且在紙機調節(jié)車速的過程中，隨著各傳動點上負載轉矩的變化，通過變頻器自動調節(jié)驅動電機的輸出和轉矩，實現同步運動的精確控制。負荷分配要兼顧速度與轉矩的合理設定，優(yōu)先保證主從傳動單元速度同步，精確控制轉矩差的3點聯動同步傳動方案（見圖8），能夠解決中高速衛(wèi)生紙機的同步傳動精確控制問題。具體控制方法如下：選取揚克烘缸作為主傳動點，維持速度穩(wěn)定，成形輥作為從傳動點，根據可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）從變頻器讀取的揚克烘缸轉矩信號與負荷分配比例相乘的結果得到從傳動點的轉矩設定值，達到負荷分配控制的目的。

基于負荷分配的同步傳動控制策略，在保定某紙企的中高速衛(wèi)生紙機生產線運行結果表明，穩(wěn)定生 產車速達1300 m/min，杜絕了意外停機現象的發(fā)生，減少了生產廢品率，提高了生產效率，降低了生產成本。

2 中高速衛(wèi)生紙機生產線全集成優(yōu)化控制系統(tǒng)工程實現

中高速衛(wèi)生紙機生產線十分緊湊，對儀表、閥門等自控設備的集成度要求高，而且打漿度在線軟測量及恒打漿度控制、無QCS條件下定量在線軟測量及絕干漿量精確控制、蒸汽冷凝水與通風氣罩能耗協同優(yōu)化控制、中高速衛(wèi)生紙機同步傳動控制均需要采用復雜的數學工具進行解算和優(yōu)化，在PLC控制器內難以實現復雜算法。因此，針對生產線全過程的集成優(yōu)化控制，采用分布式PLC ET200M站分別對制漿、流送、干燥、傳動各工段進行現場過程參數的采集、處理和控制運算;操作員站實現上位機監(jiān)控和人機交互操作;優(yōu)化站實現全過程復雜數學算法的優(yōu)化;工程師站實現對生產線的調試、參數設定工作。優(yōu)化站內運行優(yōu)化軟件，通過OPC（OLE for Process Control）通信協議與操作員站和工程師站通信獲得在線數據，經高級算法解算后將優(yōu)化值傳遞給控制器，實現生產過程的優(yōu)化運行，全集成優(yōu)化控制系統(tǒng)結構如圖9所示[21]。

3 技術推廣應用情況

陜西科技大學工業(yè)自動化研究所及陜西西微測控工程有限公司30多年來深耕于制漿造紙過程自動化控制技術的研發(fā)及工程實施，近十多年借國內中高速衛(wèi)生紙更新換代的時機，圍繞中高速衛(wèi)生紙機生產線的國產化和產業(yè)化展開應用技術研究，提出了打漿度在線軟測量及恒打漿度控制、無QCS條件下的定量在線軟測量及絕干漿量精確控制、蒸汽冷凝水與通風氣罩能耗協同優(yōu)化控制、中高速衛(wèi)生紙機同步傳動控制等控制策略，進而開發(fā)出了中高速衛(wèi)生紙機全集成優(yōu)化控制系統(tǒng)，取得了技術創(chuàng)新和突破。研究成果已經與國內外多家造紙企業(yè)達成合作。

國內生活用紙企業(yè)的中高速衛(wèi)生紙機，采用本課題所述的先進控制技術及控制策略，車速、能耗指標與國外進口紙機基本持平，生產車速穩(wěn)定在1300 m/min。

4 結 語

本課題提出的中高速衛(wèi)生紙機集成優(yōu)化控制技術及控制策略，貫穿從制漿到成紙的全過程，可有效地解決目前我國生活用紙生產企業(yè)自動化水平低、能耗大、產能低、利潤薄的問題，更好地服務于造紙機械裝備制造業(yè)和造紙企業(yè)。對我國生活用紙結構調整、生態(tài)環(huán)境保護、節(jié)能降耗、產品質量和產能提高以及生活用紙行業(yè)的平穩(wěn)健康發(fā)展等提供理論及技術參考。

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（責任編輯：黃 舉）