紙張灰分的在線檢測與控制

肖中俊

(山東輕工業學院電氣工程與自動化學院，山東濟南，250353)

近年來，造紙企業越來越關注紙張的灰分含量［1］。適度提高灰分含量，紙漿纖維用量減少，噸紙生產成本也隨之降低。但灰分不能盲目提高，大幅度地提高會影響到紙張的厚度、內結合強度、耐折度、不透明度、平滑度、印刷光澤度、印刷表面強度、油墨吸收性等性能指標。因此，在不降低紙張品質的情況下，通過對灰分實現在線檢測并以此來調節填料加入量，將灰分控制在一個適度的范圍，在減少纖維用量的情況下可有效地改善紙張的品質。

1 在線灰分測量的實現

在掃描架中安裝灰分檢測儀器，紙張灰分 (A)的檢測與紙張定量的檢測過程基本相同，取紙張測量的平均灰分值作為反饋校正值，即:

將該反饋校正值與紙張灰分基準值進行比較獲取偏差，偏差信號用于灰分調節器，實現灰分在機器方向的均勻一致性。

掃描架在檢測灰分的過程中，通常將測量的灰分值經過VFC轉換為頻率信號。信號的準確度直接決定了灰分控制的精度。這里以Impact公司生產的灰分傳感器4405型為研究對象，分析其信號測量、轉換以及處理過程。

1.1 測量原理

該傳感器是基于從放射源Fe-55輻射的X射線經過紙張吸收強度的變化來測量灰分的。Fe-55的衰減半周期為2.6年，工作壽命建議為5年。

從Fe-55輻射的X射線 (5.9 keV)非常易于被灰分中的元素吸收，而對于纖維和水分中的氫、氧和碳元素，其吸收射線的能力相當弱，但這種影響在測量中還必須加以考慮，予以補償。

該傳感器結構原理如圖1所示，主要包括放射源、光線探測器以及信號放大與處理電路組成。

圖1 灰分傳感器結構原理圖

圖2 各種組分對X射線的傳輸曲線

根據X射線對紙張中不同元素成分吸收程度的不同，可以獲取相應傳輸曲線，如圖2所示。

1.2 測量算法

對于單色X射線的吸收特性，可采用Beer原理獲得:

式中，I為通過紙張的傳感器信號;I0為空氣隙傳感器信號;FW為纖維質量;WW為水分質量;AW為灰分質量;μ0為纖維吸收系數;μ1為水分吸收系數;μ2為灰分吸收系數。

當確定灰分的吸收系數時，需根據灰分的含量來進行［2］。即如果灰分由25%的 CaCO3和75%的高嶺土組成，則灰分吸收系數可通過相應計算得到μ2=0.0099。

由于紙張定量是纖維、水分與灰分質量的總和，因而纖維質量可表示為定量減去水分與灰分的質量，則灰分質量的計算公式為:

式中，AW0為校正前灰分質量;BW為定量;DW為絕干纖維質量;Mc為水分含量，以百分數表示;Ac為灰分含量，以百分數表示;K與xoffset為校準斜率與偏置量。A、B、C三個參數為由Impact公司提供的測量儀常數。

1.3 灰分校準

為了補償灰分傳感器測量的測量誤差，可將實驗測量基準值與傳感器測量值進行數據擬合，如圖3所示。

從曲線擬合中，可以獲取校正參數斜率K和偏置量xoffset。用于決定新的校正數據。這樣可知:

式中，K0為校正前斜率;Kr為圖3所示校正斜率;xoffset－0為校正前偏置;xoffset－r為圖3所示校正偏置值。

圖3 灰分斜率與偏置校正曲線

2 紙張的灰分控制

由于灰分控制所加的填料主要是CaCO3和高嶺土，添加在網前箱的漿料溶液中，主要以微顆粒狀乳液形式混合在紙漿中，只要在網前箱中進行充分勻漿，則填料濃度在經流漿箱上網時橫向的分布是均勻的，因此不需灰分的橫向控制。而在縱向，由于填料添加過程影響因素較多，如中濃漿濃度和流量波動、回流白水流量波動、填料添加量的波動，都會造成灰分不一致［3］，因此必須對灰分進行縱向控制。

紙張灰分的控制流程如圖4所示，填料乳液加入到中濃漿及白水混合通道，經沖漿泵送入壓力篩及高位箱中，然后通過流漿箱上網。通過調節填料乳液的流量控制閥開度，實現紙張灰分的跟蹤控制。

圖4 紙張灰分控制流程

通過對圖4所示的紙張灰分控制流程分析可知，從填料乳液調節閥至掃描架灰分信號的檢測，存在較大的時滯，因此采樣PI控制具有局限性，可采用單變量DMC控制算法，將灰分控制處理為單入單出系統，被控量為灰分，控制量為填料乳液調節閥門開度，采用一階慣性加純滯后的傳遞函數模型，分析表明，基于DMC算法的灰分控制具有比采樣PI控制更好的動靜態性能［4］。

3 紙張灰分檢測與控制應用

以陜西蒲城某造紙廠2800/360紙機生產線為對象，控制指標為定量60 g/m2，水分5%，灰分18%，其中灰分含量通過填料乳液CaCO3的流量調節來實現。通過對紙機的工藝流程及控制機理進行分析，結合工廠技術要求，利用工控機組態軟件，設計造紙過程DCS綜合質量控制系統，圖5所示為該紙機流送部組態模型。

通過在紙機卷紙部裝備O型掃描架，配備定量水分灰分掃描儀，實現控制指標的在線測量［5］，并在上位機監控軟件中建立先進控制算法軟件包，對實測的定量、水分與灰分信號進行在線跟蹤，并在流送部與干燥部控制裝置配以成熟的采樣數字PID算法和DMC算法，實現相應控制量的在線優化調節。

對于紙張灰分控制，依據灰分檢測及補償原理獲取精確的灰分信號，通過調節流量控制器FIC202實現灰分值的自動跟蹤。圖6所示為灰分監控畫面截取的2 h曲線圖。從圖6中可以看出灰分偏差小于1.0%，因此灰分在線檢測比傳統灼燒法離線獲取灰分含量更直觀更便捷，也便于灰分的在線調節。

4 結語

在紙張灰分的高精度控制中，灰分值的檢測十分關鍵。通過對灰分的測量、算法分析、補償校正以及反饋控制，可以實現灰分的及時精確跟蹤與自動控制，大大提高了抄紙的工作效率，并可根據要求適當改善紙張的品質。

［1］ 侯慶喜，王 進，張紅杰．我國造紙科學技術學科的現狀發展趨勢及對策［J］．中國造紙，2011，30(12):60．

［2］ 萬 麗，李媛媛，戴紅旗．幾種填料的物理特性及其在造紙中的應用比較［J］．中國造紙學報，2011，26(2):29．

［3］ 韓紅生．涂布原紙的質量控制［J］．中國造紙，2008，27(8):48．

［4］ 肖中俊．抄紙過程智能控制策略研究［D］．陜西科技大學，2011．

［5］ 佟 彤．質量控制系統在卷煙紙機上的應用［J］．中國造紙，2011，30(12):67．