紙張質量控制系統優勢與發展趨勢分析*

黃 倫，黃 勛，趙志明

（陜西科技大學機電工程學院，西安 710021）

0 引言

自改革開放以來，國內造紙業得到了飛速的發展，紙和紙板的產量和消費量均連續多年僅次于美國，位居世界第二[1-2]。紙和紙板的產量從1980 年的543.6萬噸增加到2019年的10 765萬噸，其平均增長率逐年增大，并且在過去5 年中增長更快[3]。國內制漿造紙機械產業在這一階段也取得了快速發展，過去五年中大約70%的新增紙品產量是通過國產設備實現的[4]。國產設備是我國造紙工業的中堅力量，同時造紙工業的發展也在很大程度上促進了國內造紙設備的發展[5]。隨著造紙業的進一步發展，越來越多的國內造紙企業也紛紛開始采用紙張質量控制系統（QCS），這對于提高造紙企業技術水平、加工精度、單機產能、設備可靠性，以及降低能耗、減小工人勞動強度等方面有著相當大的作用[6]。這指明了國產造紙設備今后的發展方向，同時也對于減小我國造紙業與國際先進水平的差距具有重大的戰略意義。

1 QCS系統

QCS 系統是現代大型造紙工廠DCS 系統中一個重要的子系統，主要應用于抄紙工段的定量水分灰分等指標的監測與控制[7-8]。QCS 系統是提高產品質量、節約原材料、降低生產成本、提高企業生產效益的有力保障，其實質就是要經過精確測量使得紙張的各個控制變量的含量維持在一定范圍內，如紙的定量、水分、灰分、厚度、光澤度、涂布量等物理指標[9]。其中最重要的兩個指標是定量與水分，這兩個指標是否達標決定了紙張的優等品率[10]。定量（也稱絕干漿量）指的是單位面積紙中所含纖維的質量，而水分指的是單位面積紙的含水量[11]。

掃描架以及安裝在掃描架上的各種控制器、服務器、診斷站、操作員站、傳感器、執行機構再加上相應的算法與軟件便組成了造紙機QCS系統[12]。掃描架系統是精密的機電一體化設備，在QCS 系統中具有舉足輕重的作用。掃描架是確保所有在線傳感器精確測量的基礎平臺，也是QCS 系統現場設備中連續運動的設備之一[13]，一般有O 型與C 型兩種之分，C型架多用于寬度較小的紙機，現在國內大多采用O型架。圖1 所示為一種O 型掃描架的結構圖[14]。其主要工作是作為測量探頭的承載平臺完成紙張橫幅的掃描，因此該系統對穩定性、準確性有著相當高的要求。掃描架由全鋼的上梁、下梁、操作側立柱、傳動側立柱組裝而成，上下梁之間安裝有掃描探頭，掃描探頭通過來回移動來實現對紙張不同區域相關指標的監測與控制，傳感器都安裝在掃描探頭中，掃描探頭和傳感器都有上、下之分，下探頭一般安裝定量傳感器的放射源和智能紅外水分傳感器的紅外燈泡，上探頭安裝定量和水分傳感器的信號采集接收裝置[15]。

圖1 O型掃描架

對于普通造紙機，可直接采用縱向（Machine Drection-MD）監測與控制，對于大型或有特別要求的造紙機，可增加橫向（Cross Drection-CD）監測與控制[16-17]。縱向控制主要由縱向定量、水分解耦控制，網前箱漿網速比控制，烘缸蒸汽自動升降壓控制，協調變換紙種、車速控制，QCS質量顯示或報告控制等所組成[18]。而橫向控制則由橫向定量、水分、厚度控制，橫向整飾執行器控制，橫向涂布量執行器控制等所組成[18]。

QCS系統具有豐富的測量與控制界面，能動態顯示各種測量變量、過程變量、控制變量和曲線圖，同時系統還能提供生產報表功能（包括班報表、日報表、月報表）和其他所需報表（包括故障發生時間、故障位置以及故障內容，系統數據庫狀態列表等）[19]。在造紙生產過程中，為了使智能定量水分傳感器進行在線測量，一般將定量、水分傳感器安裝于手動或自動掃描架上，使儀器能夠實現對紙幅橫向、縱向進行全程監控。該控制系統基于以上生產需要，能夠使掃描架工作在自動或手動兩種工作狀態下。而且，針對造紙行業的特殊要求，可增加斷紙自動監測功能，因此其也是用于造紙在線檢測儀器的配套產品，廣泛應用于造紙等行業[20-21]。

2 QCS的優勢與先進控制策略的應用

2.1 QCS的優勢

紙張的印刷質量、物理及光學特性等指標都不同程度地受紙張定量、水分含量所影響。紙張定量偏高時會導致紙漿的浪費，偏低時會導致斷紙故障的發生，紙張定量不均容易導致印刷出來的字跡不清從而造成紙張浪費。紙張的水分含量過高會導致紙張纖維之間的結合強度降低；紙張水分含量過低會導致紙張剛性增強而變脆。因此紙張定量以及水分含量的監控對于造紙企業而言尤為重要[22]。

QCS系統的使用為生產車間和質檢部門提供了更全面的紙張定量水分信息。以前定量水分含量的測定通常由工人從紙捆上取紙樣，然后到實驗室中進行測定，這個程序相當繁瑣，且容易受工人的主觀能動性所影響，往往具有很大的不確定性，得到的結果變化范圍很大[23]。要想實時、全面地反映紙張定量水分分布情況和紙病等現象，就必須讓紙張定量水分實現在線測定。這樣便能使現場操作人員或質檢部門及時了解造紙機的生產狀況動態，使質量控制部門和現場操作人員可以全面了解和考核紙張的質量，做到及時發現問題并解決問題。這克服了實驗法測量結果片面、不及時的缺點，也可以使質量控制部門取消繁瑣的日常抽樣調查來進行定量水分測定的環節[24]。

QCS系統的使用為實現紙張定量水分的在線監控提供了可能性。若QCS 系統不能實現在線測定，紙張定量水分等指標的含量就很有可能得不到有效控制。評價紙張質量的許多指標與定量水分含量密切相關，通過實現紙張定量水分的計算機監控，可以減少紙張定量水分誤差值，使定量水分值達到穩、準、快的控制效果，也保證了系統多變量輸入輸出的穩定功能[25]。相應的，紙張的平滑度也有所提高，進而提高紙張產量，漿料與蒸汽使用量也大大減少，這就降低了能耗[26]。根據經驗統計，每提高1%的紙張水分可節省5%的蒸汽，而提高2%的紙張水分便可節省多達10%的蒸汽。造紙企業要想保證紙張的質量指標同時節約紙漿用量與蒸汽，可將定量含量控制在定量許用范圍的最小值處，而將水分含量控制在水分許用范圍的最大值處，即減小紙張定量含量，增加紙張水分含量。另外，設備的故障率能得到相應地減小，運行壽命也隨之延長。造紙機的運行參數得到了很好地控制，所以既能減小造紙操作工作的勞動強度，也能提高紙張的成品率[27]。因此，QCS系統的使用對于穩定紙張質量、提高造紙企業的市場競爭力有著十分重要的戰略意義。

2.2 先進控制策略的應用

控制策略被稱為QCS系統的“心臟”，先進控制策略的應用在紙張質量水分控制中起著決定性的作用。由于造紙過程的復雜性與對造紙產量需求的不斷提高，多年以來，人們對QCS 系統先進策略的探索也從未停止過。

針對定量和水分之間存在著強耦合，難以建立精確的數學模型，兩調節量與被調節量之間相互影響的問題，2001 年，孫鑫等[28]采用神經網絡解耦控制，結果取得了良好的控制品質。2010年，王平等[29]采用Smith 模糊自適應PID 控制策略，將其應用于造紙工業的定量水分控制系統之中，解決了造紙過程中的強耦合和純滯后等問題，能夠滿足定量水分控制對誤差的要求，得到了令人滿意的控制效果。

2012 年，Nagaraj B 等[30]將遺傳算法、進化規劃、粒子群優化算法相結合，并將該算法用于造紙機水分控制系統中。結果與常規控制系統進行對比，發現該控制器能控制水分很快接近設定值并保持穩定狀態，且具有良好的穩態響應和性能指標。

2015 年，C.Karthik 等[31]采用自適應控制和MPC控制相結合的方法對紙張干燥過程進行控制，通過調整蒸汽壓力控制器的設定值，并利用Matlab 進行仿真。結果表明自適應模型預測控制具有明顯的優勢，能提高生產效率和產品質量，從而降低生產成本。同年，姜蘇英等[32]提出了一種單神經元與預測控制相結合的控制算法，并在抄紙過程定量水分控制中進行應用，得到的結果響應平穩、超調量小、響應速度快、調節時間短、自適應性好、魯棒性強、結構簡單、易于實現，能夠為抄紙過程提供更有效、更精確的控制。

2017年，胡亞南等[33]針對紙張抄造過程中定量與水分間存在強耦合的問題，提出了一種模糊神經網絡（FNN）解耦控制器，并將該策略應用于國內某造紙廠的質量控制系統中。結果顯示有較好的動態響應和較強的魯棒性，可以滿足該紙機定量水分高精度控制要求。

3 QCS的發展趨勢

隨著人口的增長與經濟的快速發展，紙張使用量逐年增加，造紙工業過程向著大型化、綜合化、集散化、開放化的方向發展，使得生產的安全性和可靠性、企業的經濟效益和質量評估成為當今控制水平的重要指標，從而促進了質量控制技術的大力發展，進而確保造紙工業生產中的產量和質量的提高[22]。造紙企業新型、高效、環境友好型技術裝備的使用，必然會在節能降耗、改善環境和提高經濟效益等方面迫使落后產能退出市場[34-35]。

開放式控制系統意味著同一臺設備的幾個子控制系統的設置是按照國際標準進行的，對外是開放的，工廠各種自動化設備（如計算機、PLC等）之間能夠方便地進行通訊，現場設備將更加方便地與上位機進行生產數據的實時交換。電子信息技術、現代控制理論、人工智能技術、可編程控制器、嵌入式技術、觸摸屏與人機界面、智能傳感器以及智能控制策略等技術的相繼問世使得QCS 系統越來越“開放”[36]。越來越多的造紙企業開始在“開放性”上下大功夫，目的是盡可能地簡化其QCS 系統與其他廠家的設備進行組網的步驟與方式，開發新的通訊方式并不斷完善系統的通訊功能，將QCS 系統與工廠管理系統聯系在一起，讓QCS 系統真正實現集監控、管理于一體[37]。自主技術和產品的發展，將極大地提高國內造紙工業生產技術的集成能力和設備的整體水平。

QCS系統信息處理量不斷加大，通信量也將隨之擴大，因此造紙企業將更加重視系統的可靠性，現場總線技術就能很好地解決這一問題，其使得操作及管理進一步集中，控制及危險進一步分散[38]?，F場總線具有數字化、智能化、完全透明的特點，采用同一根電纜進行供電和通信，節省了大量電纜以及其他布線輔助設備，可隨時進行網絡管理和系統升級，并進行自上而下和自下而上的雙向通信。容錯技術與冗余功能的應用也使得QCS 系統的運行故障率大大下降，新設備的設計將更加人性化、安全化，維護保養也會更加方便，調試周期也將明顯縮短；不斷將各種先進控制理論與策略（如自適應、神經網路、模糊控制等）引進到控制系統中，目的是要進一步提升系統的性能[39]。在系統規模和結構上，將形成從小型到大型覆蓋各個生產規模的產品，以滿足不同生產規模的需求[40]。開發具有自主知識產權、低成本的基于工業以太網的QCS 系統，使紙張質量控制技術向著更加智能化、網絡化和集成化的方向發展，對于造紙企業來說具有非常重要的現實意義[41]。

4 結束語

隨著社會經濟與生活水平的不斷提升，人們對紙制品的使用量也日益劇增，以餐飲業紙巾使用與快遞包裝用紙最為明顯，這就為造紙企業乃至造紙設備提出了更高的要求。QCS系統作為造紙機自動化控制系統的一部分，發揮著舉足輕重的作用。QCS系統的使用將是造紙業的大勢所趨，為造紙企業提高工藝精度和改善紙張質量提供了更加良好的技術保障，保證了紙張的均一性、生產能力的最大化，節省了原料，降低了污染排放，也是造紙企業增強市場競爭力、提高生產效率和經濟效益的必然要求。