稀释水横向定量控制系统的研究与应用

刘文波 王 樨 汤 伟 王孟效

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安，710021)

纸张的定量、水分和厚度是反映纸张质量的重要技术指标，其中尤其重要的是纸张定量，它用来表征单位面积的纸张质量大小，是纸张质量控制的重要内容［1］。要达到的控制目标是使纸张定量在沿造纸机运行方向 (简称纵向)和垂直于造纸机运行方向(简称横向)都保持均匀。纵向定量波动主要归因于上浆浓度和上浆流量的变化，当前纵向控制己经取得了较好成果。而横向定量波动主要是由造纸机设备(如流浆箱的匀浆和布浆质量等)所引起，目前横向定量控制虽然取得了一些发展，但依然存在许多亟待解决的问题。

造纸机横向控制的概念始于20世纪50年代，但受限于当时的条件:纸幅窄，执行机构、传感器、测量系统以及计算机技术的限制等，横向控制技术并没有得到大的发展。进入20世纪80年代后，随着造纸机幅宽的增加及车速的提高，尤其是用户对纸张质量的要求越来越高，横向控制技术获得越来越多的重视，同时测量传感器和计算机等技术的发展为横向控制系统的开发应用提供了必要的技术支持手段，极大地加快了其发展速度。

横向定量分布是否均匀不仅关系到纸张性能，还大大影响生产效率以及原材料的消耗［2］。据统计，实施横向定量控制能使横向定量分布的均匀度提高40%～70%，可进一步提高纸张抗张强度、耐破度，减少造纸机断纸的次数及停机时间，并获得更好的加工性能，从而达到提高生产效率、降低资源消耗、节能减排、减少对环境污染的目的［3］，因此横向定量控制逐渐成为造纸行业研究的热点之一。

1 横向定量调节方法

1.1 调节原理

纵向定量的调节是通过整体调整流浆箱上唇板开度或改变上网纸浆浓度来实现，而横向定量的调节则有不同的方式。

假设把纸幅沿横向划分为若干等份，则有表达式(1):

式中，Qn为第n段唇口处纸浆流量，Cn为第n段唇口处纸浆浓度，W为纸幅宽度，Hn为第n段唇口开度，Vn为第n段唇口处浆流速度。

Vn由流浆箱结构、上浆总压力等因素决定，而W主要根据造纸机及生产需求而决定，在唇口处无法调整。因此，当纸幅横向定量出现偏差需要对偏差进行调整时，可调因素有Hn和Cn。唇板配曲调节和稀释水调节就是分别针对Hn和Cn来调整纸幅横向定量的。

1.2 唇板配曲调节

20世纪90年代前，针对传统流浆箱，主要采用唇板配曲调节的方法对纸张全幅横向定量进行调节，即通过安装在流浆箱上唇板的微调机构调节喷浆唇板开度大小，从而实现全横幅定量的均匀一致。根据实际分析统计，横向定量调整的精度取决于微调机构的数量与间距。起初该间距约300 mm，为使横向定量调节更为有效精确，微调机构的间距在不断地减小，目前为70～200 mm左右［4］。微调机构大部分都采用差动螺旋机构进行调节，也有应用热胀冷缩的原理进行微调的。

在实际应用中，利用唇板微调调节横向定量的方法存在如下一些缺点:

(1)调节精度差、灵敏度低。

(2)由于调节会导致唇口开度不一致，从而使喷出的浆流在成形网上产生横流、交叉流，会干扰纤维定向，破坏一致性，损伤纤维结合的均匀结构。

(3)若唇口开度长期处于不一致的状态，容易损坏唇板。

1.3 稀释水调节

20世纪90年代中后期出现了稀释水流浆箱［5］，创造性地提出了调浓的方法，突破了传统流浆箱通过调节唇板来调整横向定量的方法。相对唇板微调结构的流浆箱，稀释水流浆箱有较多优点，在实际当中的应用逐渐广泛起来。

它的主要工作原理是，在阶梯扩散匀浆器的大量阶梯扩散管之间，沿横向选择适当的间隔距离，向阶梯扩散管的上游，即第一阶梯管的始端注入稀释水，通常采用低浓造纸白水来局部调节浆料浓度，实现全幅横向定量均匀调节。调节过程中进入进浆总管的浆流浓度和流量是恒定的，在不加稀释水时进入各个阶梯扩散管的浆流浓度和流量也均匀一致。当纸张横向某处定量偏离设定值时，向与该处相对应的阶梯扩散管的上游注入稀释水，通过调节该处的浆流量与白水量的比率来改变该处的浆料浓度，从而实现调控纸张全幅横向定量均匀一致。阶梯扩散匀浆器有大量的阶梯扩散管，但不是每个管都注入稀释水，而是在横向选择一定间距，在一部分阶梯扩散管的上游注入稀释水，根据对纸张全幅横向定量均匀性要求来确定间距的大小，各个不同厂家采用的间距范围30～60 mm。加入单个阶梯扩散管的稀释水量通过稀释水阀门控制。阀门开度的大小根据调节点定量偏离标准定量的差值来确定。调节中，可保持流浆箱的唇口开度全幅均匀一致，这样就可以避免唇板微调的缺点。同时，还具有调节定量精确、灵敏度高、调节范围大、调节速度快，反应时间短、纤维定向性能优良等优点。

国内自20世纪90年代末开始引进稀释水流浆箱，但其核心技术始终由国外公司掌握，国内技术开发缓慢，长期以来仅处于表面模仿阶段，未能攻克其核心关键，在控制技术、性能指标、使用可靠性上都远落后于国外水平。直到2008年国内才研制成功自主设计的高速水力式流浆箱［6］。而与之相配套的稀释水横向定量控制系统的研究也处于起步阶段，与国外水平有较大差距，在实际应用中主要采用国外技术(如霍尼韦尔、美卓公司等)。

当前我国规模以上的造纸企业有3724家，随着国内造纸产业的调整，采用新工艺、新装备和新技术来提高纸张抄造产量和品质成为当前我国造纸工业技术进步与技术改造的重要方向［7］。由于造纸机车速在不断提高，企业对高速水力式流浆箱需求量越来越大，配套的稀释水横向定量控制系统的需求量也将越来越大，仅靠引进国外技术显然是不行的，不但成本高，核心技术也会受到牵制，不利于国内造纸装备自动化水平的提高。因而对稀释水横向定量控制系统进行研究及应用，将有助于为国内中高速造纸机在生产过程中提高纸张品质提供技术参考，促进国内造纸工业装备发展，具有较广阔的应用前景和较大的经济社会效益。

2 稀释水横向定量控制

2.1 系统结构

稀释水流浆箱的控制包括本体控制系统和横向定量控制系统［8］，其中横向定量控制系统用于根据横向定量调节的需要平稳添加稀释水，从而控制横向定量均匀一致。

稀释水横向定量控制系统涉及到横向定量数据的采集与处理、对执行机构的控制等环节，是一个复杂的系统。结合实际生产过程，可设计如图1所示的横向定量控制系统。

图1 稀释水横向定量控制系统结构

此系统可以划分为三部分，即定量检测部分、控制部分、执行机构部分。各部分作用如下:

(1)定量检测部分用于采集当前横向定量数据。

(2)控制部分需根据所获得的横向定量数据，对数据进行处理，并运行控制算法进行实时控制。这其中涉及到上位机与执行器之间的数据交换，是一个较为复杂的部分。

(3)执行器在横向定量控制系统中起着至关重要的作用。通过执行器可对稀释水阀开度进行调整，从而调整纸幅横向的浆流浓度，起到对横向定量调节的作用。

根据以上结构，本横向定量控制系统按照如下步骤对横向定量进行控制:

(1)通过定量检测部分从QCS(Quanlity Control System，质量控制系统)数据服务器获取横向定量数据。

(2)在对数据进行处理之后，控制部分运行控制算法，并得到输出控制量。

(3)通过RS485通信网络将控制命令及控制量数据传送至执行器，驱动执行器调节稀释水阀开度，达到调节横向定量的目的。

(4)循环处理。

在横向定量的控制中，关键技术在于解决如何添加稀释水的问题，这其中包含了复杂的测量和控制技术难题，主要体现在如何实时获取横向定量数据、如何根据横向定量数据利用控制算法对稀释水阀开度进行调节。

2.2 定量数据获取

实际生产中，数据通过定量传感器进行采集。传感器可分为两类，其中一类是阵列传感器，即在纸幅横向等距分布若干传感器用于测量。测量过程中，传感器自身并不运动。此类传感器的特点是扫描速度快、数据量大、可获得实时的横向及纵向数据，但缺点是成本较高，实际中较少使用。另一类是扫描传感器，其利用安装于扫描探头上的传感器，在扫描机架上沿造纸机横向巡回往复运动进行数据测量。根据扫描机架的类型，主要有C型扫描架、O型扫描架。此类传感器成本较低，在实际中得到了大量的应用，通常将扫描传感器设置在造纸机的尾部，沿纸幅横向以巡回扫描的方式检测纸张的定量数据，其扫描轨迹如图2所示，由于纸幅沿纵向移动，因而扫描传感器实际上只能测量纸幅上“Z”字形的区域。

图2 扫描传感器扫描轨迹

目前造纸生产线中大量应用了QCS，而QCS系统中已包含扫描传感器，因而可采用与QCS系统共享扫描数据的方式获取横向定量数据。

横向定量控制系统通过与QCS进行数据交换以获得实时横向定量数据，故需在它们之间组建通信网络。可采用如下方法:

(1)利用现场总线协议交换数据。此方法需双方遵循同一种现场总线通信协议标准，而在实际控制系统中，横向与纵向控制系统有时会采用不同厂商的设备，若它们遵循不同的协议标准，就会导致数据交换的难题。

(2)利用OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的对象连接和嵌入)协议［9］进行数据交换。OPC是自动化领域中处于领导地位的硬件和软件开发商在与微软的合作下协作制定的，当前已成为工业控制和自动化领域中硬件和软件的接口标准，其将设备制造商和软件制造商间的关系确定为OPC服务器和应用程序间的关系，任何带有OPC接口的应用程序都可以和一个或多个设备制造商的OPC服务器连接。目前主流设备制造商皆支持OPC协议通信，因而采用此种方法更具有实际价值。

2.3 控制方法

对纸张横向定量的控制是根据所获得的横向定量数据，经过计算并调节稀释水阀的开度来提供适量的稀释水实现的。其关键在于对定量数据的处理以及控制算法。

(1)数据的高低维映射

横向定量的有效控制依赖于所获取的定量数据与执行器之间的精确对位。实际生产中稀释水阀数目往往为几十个到几百个之间，而扫描传感器每次扫描测得的定量数据点数目一般在几百个到数千个之间。因此对横向定量的控制实际上是对一个高维系统的控制，若采用大系统的方式进行分析，虽然可以得到解决方法，但造成的后果是算法运算量大，无法满足实时控制的需求。因而需要将高维系统转换成低维系统，然后以分散系统的方式进行控制，这样运算量将大幅减少，可满足实时性要求。其中如何进行高维到低维的数据变换就成为一个需要解决的关键问题。传统方法在变换过程中会丢失有用信息，在此采用映射矩阵方式进行高低维变化。

若系统中稀释水调节执行机构数目为m，每次扫描的横向定量数据点数目为n。

用Ycd表示变换之前的高维横向定量数据矩阵，用Ycd'表示经过变换之后得到的低维横向定量数据矩阵，即:

其中，ycd(i)，i=1，2，…，n，表示变换之前每个扫描数据点对应的横向定量值;ycd'(j)，j=1，2，…，m，表示变换之后对应每个稀释水调节执行机构的横向定量值。则可以得到如下变换式:Ycd'=GYcd，其中G为映射矩阵，且有:

其中 gji(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)为变换因子。则进一步有如下变换关系:

由上式可以看出变化过程中应用到了所有的原始横向定量数据，并且考虑到了耦合关系，因而避免了有用信息丢失的缺点。

(2)控制算法

横向定量数据在经过高低维变换后，便得到了与m个稀释水阀调节执行机构对应的纸张等效横向定量值ycd'(j)，j=1，2，…，m。

若用BwSp表示横向定量设定值。对于执行机构来说，若其对应的横向定量值小于设定值，则说明局部浆浓偏小，应减小稀释水阀开度，反之则增大稀释水阀开度。改变量由控制算法自动计算获得，在此以分散系统的方式，采用仿人智能控制算法进行控制。

当纸张横向定量偏差大或较大时，调节作用以尽快消除误差为主;当横向定量偏差小或较小时，则以系统的稳定性为主，且应防止超调。用E表示横幅定量设定值与实际值之间的偏差，EC表示偏差的变化，U表示稀释水阀开度，可得如表1所示的控制规则。

表1 仿人智能控制规则

表1中，En、ECn、Un分别表示E、EC、U离散化后的值;M1、M2表示设定的误差界限，且M1＞M2;K1为增益放大系数，KP为比例增益;Umax为开度的最大值。

3 系统实现及应用

实际中稀释水横向定量控制系统主要由上位机监控、执行机构构成。

3.1 上位机监控

上位机监控用于实现横向定量数据的获取、显示及控制等。实际应用中主要通过两种方式实现，一种是采用WINCC等专用组态软件，另一种是采用Delphi、VC++、VB等开发。本系统中利用VB开发上位机监控软件，主要实现定量数据获取、实时监控、与执行机构通信等功能。具体实现如下。

(1)定量数据获取

横向定量控制系统与QCS之间的通信网络使用工业以太网，并采用OPC进行数据交换。具体方法如下:

①在横向定量控制系统与QCS系统间建立工业以太网连接。

②在 QCS系统上建立 OPC服务器，并进行DCOM配置。

③在横向定量控制系统上位机进行DCOM配置，将其作为OPC客户机。

④配置完毕，横向定量控制系统OPC客户端即可连接QCS系统OPC服务器并实时获取横向定量数据。

(2)横向定量曲线的实时显示

实际生产中扫描传感器沿纸幅横向进行往复扫描检测，在每次扫描中会获得若干个扫描数据点。根据纸幅宽度的不同，数据点个数从数百个到数千个不等，纸幅横向所安装的稀释水调节机构从数十个到数百个不等。这些横向定量数据点将显示在实时监控画面上，并与稀释水调节执行机构相对应。

以某造纸机生产线为例，QCS系统每次扫描获得的数据点个数为200个，对应调节机构55个，设计如图3所示实时监控画面。

图3 纸幅横向定量实时监控画面

(3)稀释水阀开度调节

稀释水阀开度调节有手动调节、自动调节两种方式。其中手动调节方式是在监控室中由操作员通过上位机画面进行调节;自动调节则是横向定量控制系统通过控制算法，自动对稀释水阀开度进行调节。在自动调节模式下，稀释水阀开度由上位机程序自动控制。

3.2 执行机构

执行机构中稀释水调节阀采用高精度电动阀。其具有如下特点:

(1)阀体由高精度步进电机驱动，控制精度为1/10000步。

(2)具有良好的线性调节功能。

(3)具有RS485通信接口。

横向定量控制系统上位机与所有执行机构通过RS485网络连接进行数据交换。由于在工业现场中通信距离往往较远，为使通信可靠，可在网络中加入RS485通信中继器作为执行器通信接口，用于信号的中继与放大。在RS485网络中，上位机作为主机，执行机构作为从机，通信协议可自定义或采用MODBUS协议。通信步骤如下:

(1)上位机向执行机构发送控制命令及数据。

(2)执行机构响应并根据需要回复数据。

(3)轮询处理下一个执行机构。

3.3 运行效果

以本系统在浙江某造纸厂的应用为例，其2#生产线采用四叠网造纸机，设计车速为400 m/min，主要生产定量250～400 g/m2的涂布白纸板。该涂布白纸板面层、衬层、芯层及底层均采用废纸浆为原料，为了提高纸幅横向定量均匀性，芯层采用稀释水流浆箱，安装稀释水阀55个，并应用了本横向定量控制系统。该系统投运前后在生产定量为350 g/m2的涂布白纸板时的运行效果如图4、图5所示，此时面层质量占比为8%，衬层质量占比为10%，芯层质量占比为60%，底层质量占比为12%，涂布质量占比为10%。

图4 系统投运前的横向定量曲线

图5 系统投运后的横向定量曲线

图4和图5中，最大正偏及最大负偏分别表示横向定量的最大值、最小值与平均值之间的差 (单位为g/m2)，2σ值用于衡量横向定量偏差值的离散程度 (单位为g/m2)，此值越小说明横向定量分布均匀性越好。由图4、图5可以看出，系统投运前，纸张横向定量最大正偏、最大负偏值分别为24.3 g/m2、－17.6 g/m2，横向定量从374.3 g/m2至332.4 g/m2之间波动，范围达41.9 g/m2，2σ为15.6 g/m2;在系统投运后最大正偏、最大负偏值分别为4.9 g/m2、－5.7 g/m2，横向定量从354.9 g/m2至344.3 g/m2之间波动，范围为10.6 g/m2，2σ值为4.9 g/m2，最大正偏、最大负偏、波动范围及2σ值的改善率分别达到了79.8%、67.6%、74.7%及68.6%，取得了较好的控制效果。

4 结论

在稀释水横向定量控制系统中，利用VB设计上位机监控软件，并利用OPC实现从QCS系统获取定量数据，经过仿人智能控制算法处理，并通过RS485总线控制各执行机构动作对稀释水阀开度进行调节，从而调整局部上浆浓度，为实际生产过程中横向定量的控制提供了有效的解决方法。该控制系统易于实现，人机界面友好，具备手动调节及自动调节功能，运行稳定可靠，便于使用，可有效减少横向定量的误差和操作员的工作量，提高生产效率与产品品质。

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