密閉式流漿箱控制系統初探

[摘要]流漿箱是造紙機的關鍵部件，是連接“備漿流送”和“紙頁成形”兩部分的關鍵樞紐，決定著紙幅橫幅定量的分布，影響紙幅成形的質量，被稱為造紙機的“心臟”。本文設計了適合中小企業的流漿箱控制系統。

[關鍵詞]流漿箱 自動控制 變結構數字控制器

一、密閉式流漿箱結構及其控制原理

流漿箱是造紙生產過程中的一個重要環節，它的主要作用是保證紙漿出口壓力和流速的穩定，從而使生產出來的紙張厚薄均勻，表面光滑。為制取勻度和機械性能良好的紙業，流漿箱應具有以下作用和基本要求：

（1）向紙機全寬提供一種均勻和穩定的噴出漿流，不存在橫向漿流、無定向支流或縱向條流。（2）提供一種幾何尺寸合乎要求的穩定的唇板，并不受溫度，壓力以及唇板開啟度的影響。（3）形成一種絮聚最少而分散良好的纖維懸浮體。（4）提供一種所需的橫幅定量分布，落漿點，噴漿角度，以及速度的控制。（5）流漿箱必須有足夠的剛性、不變形、不生銹、流道平滑、沒有死角掛漿現象，能及時排除紙料中的空氣和泡沫，結構簡單，便于清洗、操作和維修等。密閉式流漿箱結構包括：進漿口，出漿口，進氣口，氣壓探孔排氣閥口，以及兩個變送器接口。進漿口是漿泵打漿的入口，它是一個小的方體，右邊與漿泵相連，左邊是兩排小孔，小孔的目的是減少液流對出口速度和兩個傳感器的擾動；紙漿出口是一個可調節的狹長出口，以便對出口流速的控制；進氣口連著氣泵來給流漿箱提供氣壓，其上有一個手動的調節閥；排氣閥口是專門為人工調節氣壓而設，其上也有一個調節閥；變送器有兩個，一個用于測量總壓，稱為總壓變送器，一個用于測量液壓，測液壓的變送器要與氣壓探口相連，稱為差壓變送器。變送器為PLC輸送4-20mA的電流作為模擬量的輸入。 

系統運行時主要控制參數是總壓、漿位和氣壓。控制總壓的目的是為了獲得均勻的從流漿箱噴到網上的紙漿流通和流量。控制漿位的目的是為了獲得適當的紙漿流域以減少橫流和濃度的變化，產生和保持可控的湍流以限制纖維的絮聚。這對紙頁的成形和結構有著決定性的影響，是影響紙頁成形和紙頁性質的重要因素，因而是流漿箱控制系統的設計中最為重要的部分。為了克服總壓和漿位的耦合（相互影響），發展了諸如前饋控制、解沼控制和自適應控制以及PID智能控制等系統，對總壓、漿位和氣壓進行快速和精確的控制、但是由于這些現代控制系統需要配置計算機或較復雜的控制儀表，所以在許多造紙廠中多采用PID智能控制系統用于流漿箱的控制。流漿箱生產工藝流程圖如圖1所示。

圖中L為漿位檢測變送器，P為出口壓力測變送器，風機與漿泵分別由變頻器驅動，負責向流漿箱送漿液與打壓。當系統啟動時，漿泵將紙紙漿從紙漿池打入流漿箱，其漿位與出口壓力通過變送器檢測送入控制設備，在與設定值比較后形成控制偏差，通過設計合適的控制算法，產生控制輸出，分別控制漿泵的打漿速度與風機的出口空氣流量，以保證流漿箱內的漿位與出口壓力穩定，進而控制噴漿速度與流量，使噴出的紙漿厚薄均勻，從而保證成品紙的質量。

二、本系統的設計思路

為了能使流漿箱的出口壓力保持在一定水平上，本系統采用了PLC，組態王，壓力變送器以及變頻器等對流漿箱內的漿位和總壓進行檢測與控制。通過組態王在上位機中顯示其具體的運行和檢測參數，通過PLC對變送器和組態王所傳遞的各參數進行分析、運算，最后向變頻器輸送相應的數據，實現對整個系統的控制，使系統在最短的時間里達到穩定狀態。

本系統主要實現的功能是對流漿箱內漿位、出口總壓進行控制，主要通過對漿泵和氣泵的轉速調節實現漿位與壓力的穩定，并完成系統參數的采集、顯示、管理與控制參數的修改，同時系統應具有手動/自動切換、死區設定等功能，所以系統設計采用模塊化結構，不同功能模塊采用循環掃描方式執行。其總體軟件框圖如圖2所示。

此系統是一個具有兩條控制回路，要求在諸多因素影響下，滿足控制精度的要求，必須找出切合實際而行之有效的算法。我們設計了一種將線性PID控制與非線性Bang-Bang控制相結合的變結構控制系統，即依據偏差的不同選擇算法。當大偏差時，選Bang-Bang算法，保證系統調節的快速性；當小偏差時，自動切入線性PID控制，在參數整定過程中，根據選擇參數從大到小的原則，先加比例，后加積分，在滯后較大的情況下加入微分，觀察歷史趨勢顯示上曲線情況，當曲線振蕩頻繁時，適當放大些比例，在曲線偏離回復慢的情況下，適當降低積分時間，在曲線波動周期長的情況下，再加大點積分時間，使之整定的曲線接近于設定值曲線，以滿足系統控制精度的要求。根據確立的控制方案，為達到系統既快又穩的調節目的，具體算式如下：

其中a為選擇開關的切換值。

三、硬件設計方案

本文是面向中小企業的流漿箱控制，硬件主要由一套以西門子S7-200 PLC為控制設備，以研華IPC-610為監控單元，以ABB壓力、液位變送器為檢測設備，以440變頻器為驅動設備的低成本自動化硬件組成的控制系統。本系統共有2個檢測點，2個控制回路。通過ABB壓力、液位變送器檢測總壓和液位，并將其轉換為4-20mA的標準信號傳遞給PLC。PLC經過數據采集、濾波、手自動無擾切換及智能控制算法的運算與輸出來控制2臺西門子MASTER440變頻器，進而驅動漿泵與氣泵，從而達到紙漿漿位與出口總壓的穩定。

四、軟件總體設計

本系統是對流漿箱內漿位、出口總壓進行控制，主要通過對漿泵和氣泵的轉速調節實現漿位與壓力的穩定，并完成系統參數的采集、顯示、管理與控制參數的修改，同時系統應具有手動/自動切換、死區設定等功能，所以系統設計采用模塊化結構，不同功能模塊采用循環掃描方式執行，下面對總壓和漿泵作以下介紹：

1.以期望總壓P設，期望液位H作為設定值，以液位的波動作為干擾，以壓力調節為主。因為氣壓對液位有較強的耦合作用，液位h對氣壓也有耦合作用，但影響小得多。因此，主要調節空氣壓力，將h的波動作為一種擾動加至輸出端。控制回路如圖3所示。

2.在建立系統平衡階段，以漿液希望高度H作為設定值，以實際液位高度h作為反饋值，建立單回路控制算法，如圖4所示。 

影響流漿箱內部穩定的因素。了解流漿箱內壓力穩定因素可以得到更好的控制效果，經過實驗發現影響流漿箱內壓力穩定的因素有以下幾個方面：

1.流漿箱箱體結構對系統的影響。流漿箱的箱體體積不能太小，體積太小將使進入的漿液在箱體內產生漩渦，該漩渦將對檢測傳感器產生干擾，箱體體積越小，受到的干擾就越大。

2.檢測傳感器的穩定性要高。傳感器在本系統中相當與人的眼睛，“眼睛”不好，得到的信息不準確，控制的效果當然不好。

3.液位與總壓之間存在耦合現象。當漿位處于某一穩定狀態時，來自鼓風機的氣墊流量有一突變，若流量增大，導致液面下降，差壓變送器測得的差壓值減小，輸入控制器，與給定值比較，得出正偏差，去驅動漿泵能增加輸出，使流漿箱液體壓力增加，保持液面穩定不變；若流量減小，導致液面上升，差壓變送器測得的差壓值增加，輸入控制器，與給定值比較，得出負偏差，去驅動漿泵能減小輸出，使流漿箱液體壓力減小，保持液面穩定不變。當偏差在一定范圍內波動時，系統達到穩定狀態。

由上面分析可知，此系統是一個具有兩條控制回路、非線性時變系統，要求在諸多因素影響下，滿足控制精度的要求，必須找出切合實際而行之有效的算法。通過對對象的特性測試與實踐摸索，我們分階段按不同的控制方法對氣泵和漿泵進行控制，以使系統快速穩定。

啟動過程：流漿箱的起動過程，是向其內部注入漿液和空氣的過程，既要求起動快，又要保證漿位不會波動太大。若開始時氣墊壓力過大，則不易上漿并且漿口噴出的速度太快，不易控制；而氣墊壓力過小則漿位上升過快，容易沖頂，因此進漿量與進氣量必須協調增加。這時我們可做以下操作：在啟動時，設定總壓和液位的數值較小，按3：2的比例進漿和進氣。當漿位上升到一定程度后，按比例增大進漿和進氣量，這樣能使系統快速得到穩定狀態。

穩定后：當漿位和總壓的測量值均進入死區后，系統進入穩定狀態，此時，氣泵和漿泵的輸出保持不變，處在相應的平衡位置上。從理論上講，此后的相關測量值應該保持不變。但在實際操作中，系統往往要受到外界的干擾，從而導致輸入信號有較大的波動。這時我們采取減少輸出的方法，輸出只有較少的改變。從而保證當干擾去除時，電機的輸出不會偏離平衡位置太多，使其又能快速回到平衡位置。

五、總結

本文是面向中小企業的流漿箱控制，設計一套以西門子S7-200 PLC為控制設備，以研華IPC-610為監控單元，以ABB壓力、液位變送器為檢測設備，以MASTER 440變頻器為驅動設備的低成本自動化硬件控制系統；研制基于漿位與出口壓力為被控參數的智能控制算法及監控軟件，以實現對流漿箱的遠程操作，自動控制。在軟件應用方面，采用的是非線性Bang-Bang控制和線性PID控制相結合的控制策略。通過實驗，表明了此算法可靠實用，其結構和性能對紙頁的形成和紙張的質量具有決定性的作用。

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（作者單位：浙江理工大學機械與控制學院）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。