造紙生產中網前箱過程控制系統設計

王 蕊

（河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，河北 唐山 063000）

引言

造紙生產過程中，網前箱的控制是非常重要的一環，大多數情況下要求液位和壓力恒定，從而保證后序成紙生產平穩，達到穩定成紙質量的目的。對于網前箱液位的控制，存在的大干擾是流入網前箱紙漿流量的波動，傳統的單回路控制存在控制不及時、控制質量差的弊端，本設計采用串級控制方式，通過副回路的調整作用，對擾動及時校正，達到了工藝要求；對于壓力的控制，采用分程控制結構，控制壓縮空氣的進氣閥和排氣閥的開度，維持網前箱壓力保持不變，保證成紙工序平穩進行。

1 控制系統的組成

1.1 控制系統方案的確定

造紙生產過程工藝流程如下：經配料后的紙漿與白水混合，紙漿經預熱后進入網前箱，在壓縮空氣和網前箱液位的靜壓下，紙漿從網前箱的堰口噴出，在銅網或塑料網上成形，并在壓榨部經壓榨和真空抽吸脫出水分，紙頁進烘缸干燥，并經壓光后卷成紙筒。

生產工藝要求控制網前箱的液位和壓力，因此，控制系統結構為雙輸入雙輸出控制系統，根據被控對象的特性，有兩種不同的控制方案。兩種控制方案均采用串級控制和分程控制，所不同的是：控制方案一壓力控制的操縱變量是壓縮空氣量，采用分程控制，液位控制的操縱變量是沖漿泵電動機轉速，進而調節進漿量，組成液位—流量串級控制系統；控制方案二液位控制的操縱變量是壓縮空氣量，采用分程控制，壓力控制的操縱變量是沖漿泵電動機轉速，再調節進漿量，組成壓力—流量串級控制系統。第二種控制方案對壓力的變化影響較小，但當網速變化、網前箱堰高變化時，需要及時調節壓力設定值，適宜用于網速不變的場合；第一種控制方案網速變化時，不需要重新設定壓力，適宜于大多數應用場合。因此，采用第一種控制方案組成控制系統[1]。

1.2 控制系統的結構

為給銅網提供穩定的紙漿，要求網前箱內壓力和液位恒定，根據上述控制方案采用兩個控制回路，一是液位—流量串級控制回路，主被控變量為網前箱液位，副被控變量為進漿流量，操縱變量為沖漿泵電動機轉速；二是壓力分程控制回路，被控變量為網前箱內壓力，控制變量為壓縮空氣進氣和排氣量。網前箱控制系統結構圖如圖1 所示。

圖1 網前箱控制系統結構圖

1.3 控制設備選型

控制系統所需控制設備包括控制閥、液位檢測變送器、壓力檢測變送器、流量檢測變送器、液位控制器、壓力控制器、流量控制器、變頻器。

控制閥均選用上海攻億的ZAZM 型電動套筒調節閥，流量特性選對數型，它是一種力平衡型的調節閥，流體通道呈S 流線型，優點為壓降損失小，流通量大，可調范圍廣，流量特性精度高，調節閥配用接受ON-0FF 或4～20 mA 或1～5 V 的直流信號進行比例動作的小型、堅固、高精度的執行機構。

液位檢測變送器選用美安特投入式液位變送器，它采用專用V/I 集成電路，防爆接線盒，纜線長度可定制，屬高端機型，引進國外技術，性能穩定。

流量檢測變送器選用科創智能電磁流量計，它可測量含有大顆粒固體物的漿液，如水、污水、泥漿、紙漿、各種酸、堿、鹽溶液、食品漿液等，抗磨損，防腐蝕，采用了進口日本山武漿液型轉換器，具有快速的響應性能和較高的測量精度，能適應現場溫度、潮濕、灰塵等惡劣工況環境。

壓力檢測變送器選用上儀1151GP 型遠傳壓力變送器，它設計精巧，具有防爆和全天候結構；安裝、使用和調校都很方便且簡單；接線端子和放大線路放置在上部的可密閉的電氣腔室中，且彼此相互隔開，所以現場接線時，放大器仍在密封狀態下工作；放大線路有反極性保護，防止由于接錯而損壞變送器；采用集成電路元件和接插式印制電路板，使得故障少，維修方便，減少了備品備件，降低了維修成本。液位控制器、壓力控制器和流量控制器均選用武漢中西儀器BHD1-XSC9 型液晶顯示30 段可編程PID控制器。它采用128×64 點陣液晶屏，漢字菜單，具有記錄和曲線顯示功能；具有自整定功能；抗干擾設計，能抑制現場的繼電器、接觸器等產生的快速脈沖群干擾和其他電磁干擾；具有多種輸入信號方式等。

變頻器選擇三晶S350 高性能矢量變頻器。它采用最新高速電機控制專業芯片DSP，確保矢量控制快速響應，低頻力矩大、輸出平穩，控制精度高，RS485 串行接口，可取代直流調速和伺服控制[2]。

2 控制系統的實現

2.1 網前箱液位控制回路

網前箱液位控制由液位-流量串級控制方式實現，被控主變量為網前箱液位，被控副變量為進漿流量，操縱變量為沖漿泵電動機轉速，網前箱液位控制系統方框圖如圖2 所示。

圖2 網前箱液位控制系統方框圖

為保證主、副回路均構成負反饋，必須正確選擇主、副控制器的正反作用形式。在副回路中，副被控對象（沖漿泵）為正作用，執行器（變頻器）為正作用，副檢測變送器（流量檢測變送器）為正作用，因此，副控制器（流量控制器）必須為反作用形式。在主回路中，副環為一個隨動系統，為正作用，主被控對象（網前箱）為正作用，主檢測變送器（液位檢測變送器）為正作用，因此，主控制器（液位控制器）必須為反作用形式。

為確保串級控制系統的正常運行，還要正確選擇主、副控制器的控制規律。對于主控制器，控制的是主被控參數，工藝要求較嚴格，不允許有余差，主參數是網前箱液位，不存在大滯后問題，不需引入D 控制規律，因此，主控制器選擇PI 控制規律。對于副控制器，它的作用是輔助主控制器將網前箱液位控制穩定，目標不是副變量的穩定，因此，副控制器選擇P 控制規律，比例度選的較小，控制作用強，余差也不大。

2.2 網前箱壓力控制回路

網前箱壓力的控制是通過調整壓縮空氣量來實現的，采用分程控制，網前箱壓力分程控制系統方框圖如圖3 所示。

圖3 網前箱壓力分程控制系統方框圖

要選擇控制器的正反作用必須先確定控制閥的正反作用形式，從生產安全角度出發，當控制閥的氣源由于某些原因而中斷時，應使送氣閥關閉，排氣閥打開，以防止網前箱內壓力過大發生生產事故，即送氣閥選擇氣開式、排氣閥選擇氣關式。

壓力控制器正反作用的正確選擇可以保證對壓力的控制形成負反饋，送氣閥工作時，回路中控制閥、壓力檢測變送器、被控對象（網前箱）作用方向均為正，因此，壓力控制器應選反作用方式；排氣閥工作時，回路中控制閥為反作用，壓力檢測變送器為正作用，被控對象（網前箱）為反作用，因此，壓力控制器仍應選反作用。顯見，不論是送氣控制回路還是排氣控制回路，均需壓力控制器為反作用方式。

壓力控制器控制規律的選擇，考慮壓力控制通道時間常數較小，負荷變化不大，工藝要求不允許有余差，因此，選擇PI 控制規律[3]。

2.3 控制系統工作過程

網前箱液位控制過程：當網前箱進漿流量波動時，通過副回路及時調節沖漿泵電動機轉速，從而調節進漿流量，減小了干擾對網前箱液位的影響，液位的微小波動通過主控制器的輸出作為副控制器的給定值，進一步去調節沖漿泵電動機的轉速，使液位穩定在設定值上，由于采用了串級控制方式，副回路能及時發現干擾并進行控制，使控制質量大大提高。

網前箱壓力控制過程：當網前箱壓力升高時，壓力控制器PC 的輸出降低，進氣閥關閉，排氣閥打開，使壓力下降；當網前箱壓力降低時，壓力控制器PC 的輸出增大，排氣閥關閉，進氣閥打開，使壓力上升。為了防止網前箱壓力在設定值附近變化時兩閥的頻繁動作，在兩閥交接處設置一個不靈敏區，通過閥門定位器的調整，使排氣閥在20～58 kPa 信號范圍內從全開到全關，使進氣閥在62～100 kPa 信號范圍內從全關到全開，而當控制器輸出壓力在58～62kPa 范圍變化時，兩閥都處于全關，這樣，控制過程變化趨于緩慢，系統更為穩定[3]。

3 結語

本文設計的造紙生產中網前箱控制系統，網前箱液位采用液位—流量串級控制方式，有效克服了進漿流量的波動，使液位穩定性獲得提高；網前箱壓力采用分程控制，并對進氣閥和排氣閥設置中間不靈敏區，解決了兩閥頻繁動作的問題。該控制系統控制質量提高，控制穩定性增強，具有一定的實用價值。