QCS及稀释水横幅定量控制系统在生活用纸生产上的应用

莫建军 绵阳同成智能装备股份有限公司

QCS及稀释水横幅定量控制系统在生活用纸生产上的应用

QCS & Dilution CD Control System for Tissue Production

莫建军 绵阳同成智能装备股份有限公司

1 QCS及稀释水横幅定量控制系统介绍

1.1 需求是发展的原动力

随着生活品质的提高，人们对纸品质量要求越来越高，在造纸生产环节，成品中最重要的几个指标就是纸张的纵向及横向的定量、水分、厚度、灰分等，其中，定量和水分是生活用纸特别需要关注的。

在QCS出现之前，调节纸张的这几个指标是通过稳定上浆的浓度和流量去稳定纵向定量，通过稳定蒸汽压力去稳定水分。但生产中的纸幅定量和水分含量是无法即时得到的，直到一轴原纸生产完毕，把纸样拿到实验室去测量，才能得到具体数据，然后根据数据再去调整过程参数。如果发现了问题，那前面生产的整整一轴原纸，是没有办法去修正的，甚至可能成为废品。QCS的出现解决了这一难题，通过在线的定量、水分测量，可以随时在生产中进行调整。

横幅方向的指标调节，以真空圆网卫生纸机为例，如果要调整横幅定量，需要把网笼撤开，按照实验室数据去一一调校唇口开度。每个部位要调校多少，全凭操作者的经验。调校完成后，把网笼复位。重新开机并生产一轴原纸后，再实验室化验，才能确定唇口调校是否达到效果。这一周期一般需要4h以上，如果效果不好，可能还要反复调校。而小唇板经常调整，会带来形变，影响其使用寿命，更换价格不菲。

显然，这种操作方式即无法保证质量，也会影响产量。稀释水横向定量控制系统的出现，带来了革命性的改观，从QCS获得当前的横幅曲线，可在线即时调整，保证了纸张品质，也不会对唇板造成损伤。

1.2 QCS控制系统

1.2.1 工作原理

QCS（Quality Control System），质量控制系统，用来在线对纸张品质进行测量和控制。QCS包括扫描架、传感器、小车运动控制、数据检测处理及通讯、过程控制、数据分享等几个子系统，涵盖了机械加工、传动、检测、控制、数据总线等多种技术，可以说QCS是纸机上技术最复杂，设计要求最高的设备之一。

扫描架子系统是小车往返重复扫描的载体，其加工精度对检测精度有直接的影响。通常，在架体上使用精密导轨，通过对导轨的精细调整，使得小车在导轨上的运动能够保持良好的一致性，为检测打好基础。

传感器子系统是QCS的重要组成部分。定量传感器最常用的是放射源传感器，通过检测射线通过纸张后的衰减变化，得到纸张定量的变化。需要注意的，这种传感器检测的是既包含纤维量，也包含各种填料的定量值。最常用的放射源种类包括Pm147（半衰期：2.62年，用来检测低定量的纸页）和Kr85（半衰期：10.78年，用来检测中高定量的纸页）。水分传感器常用的是红外水分传感器和微波水分传感器，其中红外传感器主要测量250g/m2以下的纸页，而微波水分传感器测量范围更广，根据不同调校，可以涵盖70g/m2到1,000g/m2甚至更高范围。在实际应用中，微波水分传感器对架体精度要求更高，而红外水分传感器容错性更强。

小车运动控制子系统，小车运行要平稳匀速，要及时响应各种位置信号及操作指令，连续运行过程中，位置信号会出现累积误差，要通过补偿技术，消除累积误差。

数据检测处理及通讯子系统，一个好的传感器除了精确测量外，要能够适应恶劣的生产环境，包括高温高湿，同时也要具备高速数据处理及通讯能力。中高速卫生纸机大多是600m/min以上，甚至达到2,000m/min，需要传感器能够迅速检测、处理及传输。目前，国内外主流QCS大多采用RS485、CAN Bus、Device Net等总线技术。

过程控制子系统，主要用来根据检测得到的定量、水分等过程值，对定量阀、蒸汽阀门进行控制，需要特别指出的是，这两种控制都是大滞后控制，普通PID是无能为力的，必须采用斯密斯预估、大林等专门的大滞后控制算法。

数据分享子系统，QCS检测到的纸张品质数据可以用在DCS控制、横向控制系统、MES制造执行系统等，所以，要求QCS必须有数据分享能力，目前业界公认的系统间数据交互标准协议是OPC，QCS系统应作为OPC服务器，向外提供数据。

1.2.2 国内应用现状

QCS系统在上世纪90年代中后期进入国内，当时QCS技术全部控制在国外大公司手中，且售价昂贵，仅有大型造纸企业才有实力使用。进入21世纪，国内自动化企业逐渐发力，绵阳同成、浙大双元、四川高达等企业纷纷推出自己的QCS产品，国内市场形成了百花齐放的良好竞争态势。

由于国外大公司的先发优势，目前，Honeywell、Mesto、Voith等公司仍然把握着高端市场，而国内公司在中低端市场占据主导地位，通过十多年来的发展，国内QCS从检测精度到产品质量都有了长足进步，也逐渐开始进入高端市场。

从售价上看，国外QCS是国内的2～5倍，配件及服务通常价格达到国内同类配件及服务价格的5～10倍，促使有些企业开始选用国产品牌替代国外品牌，也取得了良好的效果。

从服务上讲，国内企业更注重售后服务，希望通过优质的服务赢取客户，从服务的及时性上要更具优势，这也是国内品牌逐渐壮大的原因。

目前，QCS在包装纸、文化纸等领域已经成了标配，但在生活用纸方面，尚未普遍应用，但近年来国内外新开机的高速卫生纸机，QCS越来越得到重视，也逐步开始应用，例如：

● 2006年，福建恒利2800高速卫生纸机投产，配备Metso的QCS；

● 2011年，漯河银鸽的两台5600高速卫生纸机，配备Voith的QCS；

● 2012年，扬州永丰余两台2900高速卫生纸机投产，配备QCS；

● 2014年，成都志豪订购的同成智能高速卫生纸机开机，配备同成智能QCS；

● 2015年，绵阳超兰订购的同成智能高速卫生纸机，配备同成智能QCS；

● 2016年，恒安芜湖纸厂的维美德卫生纸机投产，配备QCS；

● 2016年，广东理文向Voith订购了2台卫生纸机，含Voith QCS。

可以看出，在中高速卫生纸机领域，QCS越来越成为必不可少的关键设备，也是未来发展的方向。

1.3 稀释水横幅定量控制系统

1.3.1 工作原理

横幅定量控制的执行机构通常有两种选择，唇板调节和稀释水调节。唇板调节是通过电动头对纸机唇板开口大小进行微调，从而达到调节定量的作用。稀释水调节是通过对流浆箱相应分区增加或减少稀释水的供给，通过对局部纸浆进行调浓来达到调节定量的作用。

相对于唇板调节，稀释水调节方式分区更精准、应用更灵活，且不会造成唇板的疲劳变形，因此近年来得到快速发展。但是，许多现有生产线的流浆箱并没有预留稀释白水混合装置，如果改造，需要不菲的费用，所以，唇板调节方式在旧纸机改造方面，仍有着不可替代的优势，而且也能达到较好的使用效果。对卫生纸机来说，由于卫生纸机的特殊构造，稀释水调节方式是唯一选项。

稀释水横幅定量控制系统通过从QCS取得定量或绝干定量的横幅数据，根据事先建立好的映射模型，把数据映射到对应分区，根据大滞后控制算法，计算出稀释水阀门开度，输出到阀门，进行定量大小调节。其中，映射是做好稀释水控制的第一个关键问题，由于水针位置是经常变化的，再加上网的浆流一直随着网布左右摆动，根据不同定量的纸品，其烘缸的干燥能力是不同的，这就造成了不同纸品，纸页的收缩率是不一样的，诸多因素造成了生产过程中的映射关系是一直在变化的。因此，一个好的映射模型，不仅要反映静态映射关系，还要适应上述因素发生变化时的动态变化，即动态映射。

稀释水系统需要解决的第二个问题是分区间的耦合关系，由于每一个分区的浆流从唇口喷射上网时，呈伞状扩散，因此，当某一个分区调节时，其左右相邻的1～4个分区都会受到影响，如果两个相邻分区，一个开阀，一个关阀，那么其实际效果其实是相互抵消的，这时，如果没有一个好的解耦算法，肯定无法达到控制目的。

第三个需要解决的问题是横幅曲线的纵向分离。QCS小车在往返重复扫描时，纸页也在不断前进，所以，小车在纸页上扫描的轨迹是“之”字型的。因此，稀释水系统从QCS接受到的曲线同时包含了横向和纵向的信息。其中，纵向信息对于横向控制来说，完全是干扰因素，因此需要滤除掉，虽然完全滤掉是不可能的，但一个好的算法，能够最大限度地滤除纵向信息，保留横向信息，为横幅控制创造好的条件。

以上几个问题是做好稀释水横幅控制系统的关键，针对这几个问题，不同自动化厂家的解决方法不尽相同，但殊途同归，好的控制效果是最终目标，也是检验系统成功与否的唯一标准。

1.3.2 国内应用现状

随着我国制造业不断进步，纸张品质要求越来越高，稀释水横幅定量控制系统得到越来越广泛的应用，特别是在文化纸、纸板、特种纸等，近年来，稀释水控制系统已经成了新纸机的标配，许多现有纸机也纷纷进行改造，引入稀释水控制。

由于一些关键技术难度较大，目前，在稀释水控制系统领域，国外大公司仍然占据了主导地位，Honeywell、Mesto、Voith等都有自己的稀释水系统，尽管这些国外大公司的稀释水系统有着良好的控制效果，但过高的价格限制了其在国内的应用（单个阀门的价格是国内3倍以上，整个系统价格也在3倍以上），再加上高额的售后服务费及备品备件费用，让许多纸厂难以承受。

近年来，国内自动化及造纸装备企业也在这一领域开展了锲而不舍的研究，许多单位也取得了进展。河南大指装备、杭州美辰、浙大双元等都推出了自己的稀释水系统，也都有相应的产品在市场推广应用。

同成智能装备股份有限公司早在2008年，就开始了稀释水横幅定量控制系统的研发，经过刻苦攻关，于2010年推出第一代稀释水横幅定量控制系统，迄今已经发展到第三代，配合同成自主研发的高精度阀门，可以做到真正完善的自动控制。过去几年来，绵阳同成智能装备股份有限公司成功安装调试了五十多套稀释水横幅定量控制系统，均取得了良好的效果。

在生活用纸领域，稀释水的普及也同样落后于其他领域。但卫生纸机较其他类型纸机更需要稀释水系统，这是因为普通纸机流浆箱均配备有唇板开度手调装置，发现横幅有问题，可以迅速调整，而卫生纸机由于其特殊构造，需要停机才能调整，非常不方便，因此一套可以全天24h，全年无休的稀释水控制系统，可以保证纸机稳定高效地出产优质纸品。鉴于这一发展趋势，目前，各大造纸装备企业新推出的系统均配备了稀释水控制系统或预留了稀释水阀门接口：

● 意大利Toscotec的AHEAD-2.0S型卫生纸机配备了稀释水系统接口；

● 美卓在2012年为土耳其Hayat Kimya A.S.公司提供的Advantage DCT 200 TS型卫生纸机，实现2,210m/min速持续运转24h，打破当时的世界记录，该纸机配备了Mesto IQ稀释水控制系统；

● 安德里茨2015年向太阳纸业提供的PrimeLimeTM W8型卫生纸机，配备了PrimeFlow带稀释水控制系统的双层流浆箱；

● 同成智能装备2014年向成都志豪、2015向绵阳超兰提供的PO-I型真空圆网高速卫生纸机，均配备了自有的QCS和稀释水控制系统。

预计在未来5～10年，稀释水控制系统必将更为广泛地应用于中高速卫生纸机。

1.4 稀释水阀

1.4.1 稀释水阀的类型和选用

稀释水控制系统的执行机构是稀释水阀，稀释水阀门分为两类：直行程和角行程两种。相对来说，直行程阀门精度更高，线性度更好（线性度是指阀门开度和通过流量的比值，线性度好的阀门，该值应该是一条直线，在这方面，直行程的阀门具备天然优势），理论上控制效果更好。但其缺点也很明显：体积大，占用空间大，价格高；而角行程阀门体积可以做得更小，安装排布更方便，同时，价格比直行程阀门更具优势。

因为稀释水阀在整个系统成本的占比极高，目前各主流厂家的发展重点都是角行程阀门，通过对阀芯的特殊设计来提高线性度，以及高性能嵌入式系统的应用，使用更好的控制补偿算法，使得角行程阀门在精度上越来越接近直线行程阀门，目前，好的角行程稀释水阀可以轻松达到1/1,000的精度，线性度接近直行程阀门，完全可以满足稀释水系统的控制需要，而售价比直行程阀门更低，大大降低了使用门槛。

1.4.2 稀释水阀的几个注意事项

第一，选择阀门时要注意，稀释水阀门必须是关不死的，阀门开度到0时，物理上必须还要保证一个小的开度。这是因为一旦全部关死，浆流会在阀门内部絮聚，时间长了，浆团干结在阀门内壁，造成堵塞，这种情况下不仅无法开关阀门，更容易造成阀门电机的烧毁。

第二，1/200的精度是系统可以接受的下线，低于这个精度，会对控制效果造成影响。

第三，阀门工作在流浆箱处，环境温度高、湿度大，因此要求阀门具备良好的密闭性，能够防水防潮。

1.4.3 阀门和系统的通讯

一套稀释水系统，需要用到很多阀门，少则三五十台，多则上百台，这么多阀门一起工作，如果使用传统的直驱方式连接，需要配备大量的I/O口及驱动装置，不仅增加了成本，也会增加复杂度，可靠性也受到影响。因此，发展总线式智能阀门是最好的方案。

每一个智能阀门内部都有一套微型控制系统，通过总线接收上位系统发来的开度命令，驱动阀门动作，同时把当前阀门位置信号上报给上位系统，除此之外，还要监视阀门的工作状态，将阀门状态及异常诊断信息报给上位系统。

智能阀门一般通过总线方式和上位系统通讯，主要采用RS485方式或CAN总线方式。RS485方式属于传统的串行总线，通常采用半双工工作方式，网络支持32个节点，一个总线上同时只能有一个设备处于发送状态，因此一般采取轮询的工作方式，即上位系统是主站，网络内各个阀门是从站，主站对网络内的阀门按顺序进行轮询，如果系统超过32个阀门，可以增加第二、第三网段。这种轮询方式最大的问题是通讯速度受影响，我们连接过国内某家公司的稀释水阀门，就是采用这种方式，系统总共81个阀门，一组开度指令下发后，需要等20s的时间，阀门才能全部接收指令，执行动作。对于本身就是大滞后的横幅定量控制来说，阀门动作时间的滞后叠加，当然会给控制也会带来不利影响。

另一种方式是CAN总线（或基于CAN总线的DeviceNet），CAN总线也属于串行通讯，但它采用了独特的报文传输协议和仲裁机制，支持多主站，网络内每一个节点都是平等的，单一网段最大支持110个节点，具备比RS485更高的总线利用率和数据传输率，鉴于这些优点，CAN总线更适合用于节点众多的稀释水阀门的组网，使用CAN总线，128个阀门的稀释水系统和上位系统的通讯在1s内可以完成一次开度设定和阀位反馈，可以很好地把上位系统的开度信号快速地下传到各个阀门，实施控制。

1.5 稀释水横幅定量控制系统和QCS的连接

1.5.1 数据通讯

稀释水系统需要从QCS获取定量横幅信号才能形成完整的闭环控制，如果稀释水和QCS两个系统是同一家公司的产品，通讯肯定不是问题。但也有不少厂家，两套产品选自不同的供应商，这时，系统间通讯是必须要解决的。

目前，最普及的通讯协议是OPC，这是系统间通讯的国际标准，OPC致力于为不同供应商的设备之间提供统一的数据交换接口，可以提供不依赖于特定开发语言和开发环境的可靠数据连接，因此被广泛应用于自动化领域。需要注意的是，根据OPC规范，数据的生产者要作为OPC服务器，数据的使用者应该是OPC客户端，在QCS-稀释水系统中，QCS作为数据的生产者，应该提供OPC服务器接口，而稀释水系统作为OPC客户端从QCS获取数据。

1.5.2 对QCS的几点要求

要做好稀释水控制，QCS必须要做到以下几点：

● QCS要具备OPC服务器接口；

● 通过OPC接口对外提供横幅数据；

● 通过OPC接口对外提供车速、纸边、断纸等辅助信息；

● QCS本身要具备良好的重复性，也就是正反两趟的扫描要一致，同时，长时间运行，小车物理位置不应该发生漂移；

● QCS要提供原始横幅曲线；

● 原始曲线应有足够的数据点数，一般在400以上。

上述要求，很多QCS供应商的产品是无法满足的，因此，如果想要在后期增加稀释水控制系统，需要在QCS的选择上做好把关。

2 其他事项

卫生纸机设计的几点要求

● 做好预留设计

卫生纸机设计较为紧凑，如果不事先预留空间，后期加装QCS扫描架会非常麻烦，建议设计时，在卷曲前留出1米的纵向空间，为后期加装QCS做准备。

如果有可能，尽量选购带稀释水接口的水力式流浆箱，会为以后加装稀释水系统提供条件，如果没有稀释水接口，后期要对流浆箱进行改造，不仅麻烦，也会增加不菲的费用。

● 接口兼容性

如果准备实施稀释水控制系统，在选取QCS时要注意1.5.2的所列要求。

3 QCS及稀释水横幅定量系统的未来发展

无源化QCS

前文讲到，卫生纸机通常采用Pm147放射源传感器测量定量。近年来，国家对放射源的管理越来越严格，每一枚放射源的移转都要办理放射源转移手续，对纸厂来说，办理这个手续还要进行环保部门的环评，手续繁多。在使用过程中，QCS的维护和操作者要进行剂量检测和定时上报，企业要定期为这些人提供特殊行业体检服务。况且，由于Pm147半衰期短，一枚放射源用不了5年就要重新更换，且价格很贵，因此无源化的定量传感器需求越来越迫切。

目前，最可靠的无源化定量检测手段是红外方式，其原理是采集两种不同波段的红外光，一种对纤维敏感，一种对纤维不敏感，通过比较计算得到需要的定量数据。通常这种测量方式可以把水分和定量传感器做到一起。根据同成智能装备的不懈努力，目前红外定量水分传感器在检测精度上，已经能够和传统的放射源传感器相媲美，使用红外定量传感器的QCS系统目前也已经成功商用。

稀释水系统无人值守及智能化映射

稀释水系统要在以下几个方面努力，从而做到无人值守：

● 边缘手动分区的“自动控制”；

● 自适应水针位置。

映射模型的建立是稀释水系统最复杂的操作，对于纸厂的维护人员来说，也是最头疼的事，通常还需要求助供应商的帮助，如何把这一操作化繁为简，让现场能够轻松快捷地自己完成映射模型的建立，是很重要的。

在这两个领域，同成智能装备做了大量的研究工作，已经实现了无人值守及智能化映射，在好用、易用两个方面，为客户提供了良好的使用体验。