稀釋水橫向定量控制系統的研究與應用

劉文波 王 樨 湯 偉 王孟效

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021)

紙張的定量、水分和厚度是反映紙張質量的重要技術指標，其中尤其重要的是紙張定量，它用來表征單位面積的紙張質量大小，是紙張質量控制的重要內容［1］。要達到的控制目標是使紙張定量在沿造紙機運行方向 (簡稱縱向)和垂直于造紙機運行方向(簡稱橫向)都保持均勻?？v向定量波動主要歸因于上漿濃度和上漿流量的變化，當前縱向控制己經取得了較好成果。而橫向定量波動主要是由造紙機設備(如流漿箱的勻漿和布漿質量等)所引起，目前橫向定量控制雖然取得了一些發展，但依然存在許多亟待解決的問題。

造紙機橫向控制的概念始于20世紀50年代，但受限于當時的條件:紙幅窄，執行機構、傳感器、測量系統以及計算機技術的限制等，橫向控制技術并沒有得到大的發展。進入20世紀80年代后，隨著造紙機幅寬的增加及車速的提高，尤其是用戶對紙張質量的要求越來越高，橫向控制技術獲得越來越多的重視，同時測量傳感器和計算機等技術的發展為橫向控制系統的開發應用提供了必要的技術支持手段，極大地加快了其發展速度。

橫向定量分布是否均勻不僅關系到紙張性能，還大大影響生產效率以及原材料的消耗［2］。據統計，實施橫向定量控制能使橫向定量分布的均勻度提高40%～70%，可進一步提高紙張抗張強度、耐破度，減少造紙機斷紙的次數及停機時間，并獲得更好的加工性能，從而達到提高生產效率、降低資源消耗、節能減排、減少對環境污染的目的［3］，因此橫向定量控制逐漸成為造紙行業研究的熱點之一。

1 橫向定量調節方法

1.1 調節原理

縱向定量的調節是通過整體調整流漿箱上唇板開度或改變上網紙漿濃度來實現，而橫向定量的調節則有不同的方式。

假設把紙幅沿橫向劃分為若干等份，則有表達式(1):

式中，Qn為第n段唇口處紙漿流量，Cn為第n段唇口處紙漿濃度，W為紙幅寬度，Hn為第n段唇口開度，Vn為第n段唇口處漿流速度。

Vn由流漿箱結構、上漿總壓力等因素決定，而W主要根據造紙機及生產需求而決定，在唇口處無法調整。因此，當紙幅橫向定量出現偏差需要對偏差進行調整時，可調因素有Hn和Cn。唇板配曲調節和稀釋水調節就是分別針對Hn和Cn來調整紙幅橫向定量的。

1.2 唇板配曲調節

20世紀90年代前，針對傳統流漿箱，主要采用唇板配曲調節的方法對紙張全幅橫向定量進行調節，即通過安裝在流漿箱上唇板的微調機構調節噴漿唇板開度大小，從而實現全橫幅定量的均勻一致。根據實際分析統計，橫向定量調整的精度取決于微調機構的數量與間距。起初該間距約300 mm，為使橫向定量調節更為有效精確，微調機構的間距在不斷地減小，目前為70～200 mm左右［4］。微調機構大部分都采用差動螺旋機構進行調節，也有應用熱脹冷縮的原理進行微調的。

在實際應用中，利用唇板微調調節橫向定量的方法存在如下一些缺點:

(1)調節精度差、靈敏度低。

(2)由于調節會導致唇口開度不一致，從而使噴出的漿流在成形網上產生橫流、交叉流，會干擾纖維定向，破壞一致性，損傷纖維結合的均勻結構。

(3)若唇口開度長期處于不一致的狀態，容易損壞唇板。

1.3 稀釋水調節

20世紀90年代中后期出現了稀釋水流漿箱［5］，創造性地提出了調濃的方法，突破了傳統流漿箱通過調節唇板來調整橫向定量的方法。相對唇板微調結構的流漿箱，稀釋水流漿箱有較多優點，在實際當中的應用逐漸廣泛起來。

它的主要工作原理是，在階梯擴散勻漿器的大量階梯擴散管之間，沿橫向選擇適當的間隔距離，向階梯擴散管的上游，即第一階梯管的始端注入稀釋水，通常采用低濃造紙白水來局部調節漿料濃度，實現全幅橫向定量均勻調節。調節過程中進入進漿總管的漿流濃度和流量是恒定的，在不加稀釋水時進入各個階梯擴散管的漿流濃度和流量也均勻一致。當紙張橫向某處定量偏離設定值時，向與該處相對應的階梯擴散管的上游注入稀釋水，通過調節該處的漿流量與白水量的比率來改變該處的漿料濃度，從而實現調控紙張全幅橫向定量均勻一致。階梯擴散勻漿器有大量的階梯擴散管，但不是每個管都注入稀釋水，而是在橫向選擇一定間距，在一部分階梯擴散管的上游注入稀釋水，根據對紙張全幅橫向定量均勻性要求來確定間距的大小，各個不同廠家采用的間距范圍30～60 mm。加入單個階梯擴散管的稀釋水量通過稀釋水閥門控制。閥門開度的大小根據調節點定量偏離標準定量的差值來確定。調節中，可保持流漿箱的唇口開度全幅均勻一致，這樣就可以避免唇板微調的缺點。同時，還具有調節定量精確、靈敏度高、調節范圍大、調節速度快，反應時間短、纖維定向性能優良等優點。

國內自20世紀90年代末開始引進稀釋水流漿箱，但其核心技術始終由國外公司掌握，國內技術開發緩慢，長期以來僅處于表面模仿階段，未能攻克其核心關鍵，在控制技術、性能指標、使用可靠性上都遠落后于國外水平。直到2008年國內才研制成功自主設計的高速水力式流漿箱［6］。而與之相配套的稀釋水橫向定量控制系統的研究也處于起步階段，與國外水平有較大差距，在實際應用中主要采用國外技術(如霍尼韋爾、美卓公司等)。

當前我國規模以上的造紙企業有3724家，隨著國內造紙產業的調整，采用新工藝、新裝備和新技術來提高紙張抄造產量和品質成為當前我國造紙工業技術進步與技術改造的重要方向［7］。由于造紙機車速在不斷提高，企業對高速水力式流漿箱需求量越來越大，配套的稀釋水橫向定量控制系統的需求量也將越來越大，僅靠引進國外技術顯然是不行的，不但成本高，核心技術也會受到牽制，不利于國內造紙裝備自動化水平的提高。因而對稀釋水橫向定量控制系統進行研究及應用，將有助于為國內中高速造紙機在生產過程中提高紙張品質提供技術參考，促進國內造紙工業裝備發展，具有較廣闊的應用前景和較大的經濟社會效益。

2 稀釋水橫向定量控制

2.1 系統結構

稀釋水流漿箱的控制包括本體控制系統和橫向定量控制系統［8］，其中橫向定量控制系統用于根據橫向定量調節的需要平穩添加稀釋水，從而控制橫向定量均勻一致。

稀釋水橫向定量控制系統涉及到橫向定量數據的采集與處理、對執行機構的控制等環節，是一個復雜的系統。結合實際生產過程，可設計如圖1所示的橫向定量控制系統。

圖1 稀釋水橫向定量控制系統結構

此系統可以劃分為三部分，即定量檢測部分、控制部分、執行機構部分。各部分作用如下:

(1)定量檢測部分用于采集當前橫向定量數據。

(2)控制部分需根據所獲得的橫向定量數據，對數據進行處理，并運行控制算法進行實時控制。這其中涉及到上位機與執行器之間的數據交換，是一個較為復雜的部分。

(3)執行器在橫向定量控制系統中起著至關重要的作用。通過執行器可對稀釋水閥開度進行調整，從而調整紙幅橫向的漿流濃度，起到對橫向定量調節的作用。

根據以上結構，本橫向定量控制系統按照如下步驟對橫向定量進行控制:

(1)通過定量檢測部分從QCS(Quanlity Control System，質量控制系統)數據服務器獲取橫向定量數據。

(2)在對數據進行處理之后，控制部分運行控制算法，并得到輸出控制量。

(3)通過RS485通信網絡將控制命令及控制量數據傳送至執行器，驅動執行器調節稀釋水閥開度，達到調節橫向定量的目的。

(4)循環處理。

在橫向定量的控制中，關鍵技術在于解決如何添加稀釋水的問題，這其中包含了復雜的測量和控制技術難題，主要體現在如何實時獲取橫向定量數據、如何根據橫向定量數據利用控制算法對稀釋水閥開度進行調節。

2.2 定量數據獲取

實際生產中，數據通過定量傳感器進行采集。傳感器可分為兩類，其中一類是陣列傳感器，即在紙幅橫向等距分布若干傳感器用于測量。測量過程中，傳感器自身并不運動。此類傳感器的特點是掃描速度快、數據量大、可獲得實時的橫向及縱向數據，但缺點是成本較高，實際中較少使用。另一類是掃描傳感器，其利用安裝于掃描探頭上的傳感器，在掃描機架上沿造紙機橫向巡回往復運動進行數據測量。根據掃描機架的類型，主要有C型掃描架、O型掃描架。此類傳感器成本較低，在實際中得到了大量的應用，通常將掃描傳感器設置在造紙機的尾部，沿紙幅橫向以巡回掃描的方式檢測紙張的定量數據，其掃描軌跡如圖2所示，由于紙幅沿縱向移動，因而掃描傳感器實際上只能測量紙幅上“Z”字形的區域。

圖2 掃描傳感器掃描軌跡

目前造紙生產線中大量應用了QCS，而QCS系統中已包含掃描傳感器，因而可采用與QCS系統共享掃描數據的方式獲取橫向定量數據。

橫向定量控制系統通過與QCS進行數據交換以獲得實時橫向定量數據，故需在它們之間組建通信網絡。可采用如下方法:

(1)利用現場總線協議交換數據。此方法需雙方遵循同一種現場總線通信協議標準，而在實際控制系統中，橫向與縱向控制系統有時會采用不同廠商的設備，若它們遵循不同的協議標準，就會導致數據交換的難題。

(2)利用OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的對象連接和嵌入)協議［9］進行數據交換。OPC是自動化領域中處于領導地位的硬件和軟件開發商在與微軟的合作下協作制定的，當前已成為工業控制和自動化領域中硬件和軟件的接口標準，其將設備制造商和軟件制造商間的關系確定為OPC服務器和應用程序間的關系，任何帶有OPC接口的應用程序都可以和一個或多個設備制造商的OPC服務器連接。目前主流設備制造商皆支持OPC協議通信，因而采用此種方法更具有實際價值。

2.3 控制方法

對紙張橫向定量的控制是根據所獲得的橫向定量數據，經過計算并調節稀釋水閥的開度來提供適量的稀釋水實現的。其關鍵在于對定量數據的處理以及控制算法。

(1)數據的高低維映射

橫向定量的有效控制依賴于所獲取的定量數據與執行器之間的精確對位。實際生產中稀釋水閥數目往往為幾十個到幾百個之間，而掃描傳感器每次掃描測得的定量數據點數目一般在幾百個到數千個之間。因此對橫向定量的控制實際上是對一個高維系統的控制，若采用大系統的方式進行分析，雖然可以得到解決方法，但造成的后果是算法運算量大，無法滿足實時控制的需求。因而需要將高維系統轉換成低維系統，然后以分散系統的方式進行控制，這樣運算量將大幅減少，可滿足實時性要求。其中如何進行高維到低維的數據變換就成為一個需要解決的關鍵問題。傳統方法在變換過程中會丟失有用信息，在此采用映射矩陣方式進行高低維變化。

若系統中稀釋水調節執行機構數目為m，每次掃描的橫向定量數據點數目為n。

用Ycd表示變換之前的高維橫向定量數據矩陣，用Ycd'表示經過變換之后得到的低維橫向定量數據矩陣，即:

其中，ycd(i)，i=1，2，…，n，表示變換之前每個掃描數據點對應的橫向定量值;ycd'(j)，j=1，2，…，m，表示變換之后對應每個稀釋水調節執行機構的橫向定量值。則可以得到如下變換式:Ycd'=GYcd，其中G為映射矩陣，且有:

其中 gji(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)為變換因子。則進一步有如下變換關系:

由上式可以看出變化過程中應用到了所有的原始橫向定量數據，并且考慮到了耦合關系，因而避免了有用信息丟失的缺點。

(2)控制算法

橫向定量數據在經過高低維變換后，便得到了與m個稀釋水閥調節執行機構對應的紙張等效橫向定量值ycd'(j)，j=1，2，…，m。

若用BwSp表示橫向定量設定值。對于執行機構來說，若其對應的橫向定量值小于設定值，則說明局部漿濃偏小，應減小稀釋水閥開度，反之則增大稀釋水閥開度。改變量由控制算法自動計算獲得，在此以分散系統的方式，采用仿人智能控制算法進行控制。

當紙張橫向定量偏差大或較大時，調節作用以盡快消除誤差為主;當橫向定量偏差小或較小時，則以系統的穩定性為主，且應防止超調。用E表示橫幅定量設定值與實際值之間的偏差，EC表示偏差的變化，U表示稀釋水閥開度，可得如表1所示的控制規則。

表1 仿人智能控制規則

表1中，En、ECn、Un分別表示E、EC、U離散化后的值;M1、M2表示設定的誤差界限，且M1＞M2;K1為增益放大系數，KP為比例增益;Umax為開度的最大值。

3 系統實現及應用

實際中稀釋水橫向定量控制系統主要由上位機監控、執行機構構成。

3.1 上位機監控

上位機監控用于實現橫向定量數據的獲取、顯示及控制等。實際應用中主要通過兩種方式實現，一種是采用WINCC等專用組態軟件，另一種是采用Delphi、VC++、VB等開發。本系統中利用VB開發上位機監控軟件，主要實現定量數據獲取、實時監控、與執行機構通信等功能。具體實現如下。

(1)定量數據獲取

橫向定量控制系統與QCS之間的通信網絡使用工業以太網，并采用OPC進行數據交換。具體方法如下:

①在橫向定量控制系統與QCS系統間建立工業以太網連接。

②在 QCS系統上建立 OPC服務器，并進行DCOM配置。

③在橫向定量控制系統上位機進行DCOM配置，將其作為OPC客戶機。

④配置完畢，橫向定量控制系統OPC客戶端即可連接QCS系統OPC服務器并實時獲取橫向定量數據。

(2)橫向定量曲線的實時顯示

實際生產中掃描傳感器沿紙幅橫向進行往復掃描檢測，在每次掃描中會獲得若干個掃描數據點。根據紙幅寬度的不同，數據點個數從數百個到數千個不等，紙幅橫向所安裝的稀釋水調節機構從數十個到數百個不等。這些橫向定量數據點將顯示在實時監控畫面上，并與稀釋水調節執行機構相對應。

以某造紙機生產線為例，QCS系統每次掃描獲得的數據點個數為200個，對應調節機構55個，設計如圖3所示實時監控畫面。

圖3 紙幅橫向定量實時監控畫面

(3)稀釋水閥開度調節

稀釋水閥開度調節有手動調節、自動調節兩種方式。其中手動調節方式是在監控室中由操作員通過上位機畫面進行調節;自動調節則是橫向定量控制系統通過控制算法，自動對稀釋水閥開度進行調節。在自動調節模式下，稀釋水閥開度由上位機程序自動控制。

3.2 執行機構

執行機構中稀釋水調節閥采用高精度電動閥。其具有如下特點:

(1)閥體由高精度步進電機驅動，控制精度為1/10000步。

(2)具有良好的線性調節功能。

(3)具有RS485通信接口。

橫向定量控制系統上位機與所有執行機構通過RS485網絡連接進行數據交換。由于在工業現場中通信距離往往較遠，為使通信可靠，可在網絡中加入RS485通信中繼器作為執行器通信接口，用于信號的中繼與放大。在RS485網絡中，上位機作為主機，執行機構作為從機，通信協議可自定義或采用MODBUS協議。通信步驟如下:

(1)上位機向執行機構發送控制命令及數據。

(2)執行機構響應并根據需要回復數據。

(3)輪詢處理下一個執行機構。

3.3 運行效果

以本系統在浙江某造紙廠的應用為例，其2#生產線采用四疊網造紙機，設計車速為400 m/min，主要生產定量250～400 g/m2的涂布白紙板。該涂布白紙板面層、襯層、芯層及底層均采用廢紙漿為原料，為了提高紙幅橫向定量均勻性，芯層采用稀釋水流漿箱，安裝稀釋水閥55個，并應用了本橫向定量控制系統。該系統投運前后在生產定量為350 g/m2的涂布白紙板時的運行效果如圖4、圖5所示，此時面層質量占比為8%，襯層質量占比為10%，芯層質量占比為60%，底層質量占比為12%，涂布質量占比為10%。

圖4 系統投運前的橫向定量曲線

圖5 系統投運后的橫向定量曲線

圖4和圖5中，最大正偏及最大負偏分別表示橫向定量的最大值、最小值與平均值之間的差 (單位為g/m2)，2σ值用于衡量橫向定量偏差值的離散程度 (單位為g/m2)，此值越小說明橫向定量分布均勻性越好。由圖4、圖5可以看出，系統投運前，紙張橫向定量最大正偏、最大負偏值分別為24.3 g/m2、－17.6 g/m2，橫向定量從374.3 g/m2至332.4 g/m2之間波動，范圍達41.9 g/m2，2σ為15.6 g/m2;在系統投運后最大正偏、最大負偏值分別為4.9 g/m2、－5.7 g/m2，橫向定量從354.9 g/m2至344.3 g/m2之間波動，范圍為10.6 g/m2，2σ值為4.9 g/m2，最大正偏、最大負偏、波動范圍及2σ值的改善率分別達到了79.8%、67.6%、74.7%及68.6%，取得了較好的控制效果。

4 結論

在稀釋水橫向定量控制系統中，利用VB設計上位機監控軟件，并利用OPC實現從QCS系統獲取定量數據，經過仿人智能控制算法處理，并通過RS485總線控制各執行機構動作對稀釋水閥開度進行調節，從而調整局部上漿濃度，為實際生產過程中橫向定量的控制提供了有效的解決方法。該控制系統易于實現，人機界面友好，具備手動調節及自動調節功能，運行穩定可靠，便于使用，可有效減少橫向定量的誤差和操作員的工作量，提高生產效率與產品品質。

［1］ DING Zhi-liang，T Wei，HU Lian-hua，et al．SIMATIC S7-300 PLC Based QCS Design for Medium and Small Size Paperboard Machines［J］．China Pulp ＆ Paper，2008，27(12):46．丁智亮，湯 偉，胡連華，等．基于S7-300的中小型紙板機QCS系統的設計［J］．中國造紙，2008，27(12):46．

［2］ HU Lian-hua，LI Xin-ping，TANG Wei．The base of CD profile measurement and control-accurate parking technology in QCS［J］．China Pulp＆ Paper Industry，2011，32(6):59．胡連華，李新平，湯 偉．紙張橫向檢測與控制的基礎——QCS中的精確定位技術［J］．中華紙業，2011，32(6):59．

［3］ Jerrmy G VanAntWerP，Andrew P Featherstone，Richard D Braatz．Cross-directional control of sheet and film processes［J］．Automatica，2007，43:191．

［4］ Stewart G E，Gorinevsky D M，Dumont G A．Feedbackcontroller design for a spatially distributed system:The paper machine problem［J］．IEEE Trans．on Control Systems Technology，2003，11(5):612．

［5］ SHAN Fang-ping，WANG Jin-yi，LI Jin-sheng，et al．The application of dilution water head box incorporated with DCS and QCS in production［J］．China Pulp ＆ Paper Industry，2007，28(5):60．單方平，王進一，李錦勝，等．稀釋水流漿箱結合DCS和QCS的生產應用［J］．中華紙業，2007，28(5):60．

［6］ LIN Mei-chan．Research＆ Development of the Key Technology of MC Dilution Hydraulic Headbox［J］．China Pulp ＆ Paper，2010，29(3):56．林美嬋．MC稀釋水型水力式流漿箱關鍵技術的開發［J］．中國造紙，2010，29(3):56．

［7］ National Development and Reform Committee，Ministry of Industry and Information，State Forestry Bureau．The 12th five-year plan for china paper industry development［J］．China Paper Newsletter，2012(2):7．國家發展改革委，工業和信息化部，國家林業局．造紙工業發展“十二五”規劃［J］．造紙信息，2012(2):7．

［8］ CHEN Hang，TANG Wei，LIU Wen-bo，et al．Structure and Control of a Hydraulic Headbox with Dilution Water［J］．China Pulp ＆ Paper，2013，32(12):38．陳 航，湯 偉，劉文波，等．稀釋水水力式流漿箱結構與控制［J］．中國造紙，2013，32(12):38．

［9］ WANG Jie，GAO Kun-lun，WANG Wan-zhao．Thermal power plant DCS for background control based on OPC communication technology［J］．Electric Power Automation Equipment，2013，33(4):142．王 杰，高昆侖，王萬召．基于OPC通信技術的火電廠DCS后臺控制［J］．電力自動化設備，2013，33(4):142． CPP