紙張灰分的在線檢測(cè)與控制

肖中俊

(山東輕工業(yè)學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東濟(jì)南，250353)

近年來(lái)，造紙企業(yè)越來(lái)越關(guān)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(chǎn)成本也隨之降低。但灰分不能盲目提高，大幅度地提高會(huì)影響到紙張的厚度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、耐折度、不透明度、平滑度、印刷光澤度、印刷表面強(qiáng)度、油墨吸收性等性能指標(biāo)。因此，在不降低紙張品質(zhì)的情況下，通過(guò)對(duì)灰分實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)并以此來(lái)調(diào)節(jié)填料加入量，將灰分控制在一個(gè)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(zhì)。

1 在線灰分測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

在掃描架中安裝灰分檢測(cè)儀器，紙張灰分 (A)的檢測(cè)與紙張定量的檢測(cè)過(guò)程基本相同，取紙張測(cè)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(zhǔn)值進(jìn)行比較獲取偏差，偏差信號(hào)用于灰分調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)灰分在機(jī)器方向的均勻一致性。

掃描架在檢測(cè)灰分的過(guò)程中，通常將測(cè)量的灰分值經(jīng)過(guò)VFC轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。信號(hào)的準(zhǔn)確度直接決定了灰分控制的精度。這里以Impact公司生產(chǎn)的灰分傳感器4405型為研究對(duì)象，分析其信號(hào)測(cè)量、轉(zhuǎn)換以及處理過(guò)程。

1.1 測(cè)量原理

該傳感器是基于從放射源Fe-55輻射的X射線經(jīng)過(guò)紙張吸收強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)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(duì)于纖維和水分中的氫、氧和碳元素，其吸收射線的能力相當(dāng)弱，但這種影響在測(cè)量中還必須加以考慮，予以補(bǔ)償。

該傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要包括放射源、光線探測(cè)器以及信號(hào)放大與處理電路組成。

圖1 灰分傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 各種組分對(duì)X射線的傳輸曲線

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

1.2 測(cè)量算法

對(duì)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(guò)紙張的傳感器信號(hào);I0為空氣隙傳感器信號(hào);FW為纖維質(zhì)量;WW為水分質(zhì)量;AW為灰分質(zhì)量;μ0為纖維吸收系數(shù);μ1為水分吸收系數(shù);μ2為灰分吸收系數(shù)。

當(dāng)確定灰分的吸收系數(shù)時(shí)，需根據(jù)灰分的含量來(lái)進(jìn)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(shù)可通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得到μ2=0.0099。

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

式中，AW0為校正前灰分質(zhì)量;BW為定量;DW為絕干纖維質(zhì)量;Mc為水分含量，以百分?jǐn)?shù)表示;Ac為灰分含量，以百分?jǐn)?shù)表示;K與xoffset為校準(zhǔn)斜率與偏置量。A、B、C三個(gè)參數(shù)為由Impact公司提供的測(cè)量?jī)x常數(shù)。

1.3 灰分校準(zhǔn)

為了補(bǔ)償灰分傳感器測(cè)量的測(cè)量誤差，可將實(shí)驗(yàn)測(cè)量基準(zhǔn)值與傳感器測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖3所示。

從曲線擬合中，可以獲取校正參數(shù)斜率K和偏置量xoffset。用于決定新的校正數(shù)據(jù)。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(wǎng)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(wǎng)前箱中進(jìn)行充分勻漿，則填料濃度在經(jīng)流漿箱上網(wǎng)時(shí)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(guò)程影響因素較多，如中濃漿濃度和流量波動(dòng)、回流白水流量波動(dòng)、填料添加量的波動(dòng)，都會(huì)造成灰分不一致［3］，因此必須對(duì)灰分進(jìn)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(jīng)沖漿泵送入壓力篩及高位箱中，然后通過(guò)流漿箱上網(wǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)填料乳液的流量控制閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)紙張灰分的跟蹤控制。

圖4 紙張灰分控制流程

通過(guò)對(duì)圖4所示的紙張灰分控制流程分析可知，從填料乳液調(diào)節(jié)閥至掃描架灰分信號(hào)的檢測(cè)，存在較大的時(shí)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(tǒng)，被控量為灰分，控制量為填料乳液調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，采用一階慣性加純滯后的傳遞函數(shù)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(dòng)靜態(tài)性能［4］。

3 紙張灰分檢測(cè)與控制應(yīng)用

以陜西蒲城某造紙廠2800/360紙機(jī)生產(chǎn)線為對(duì)象，控制指標(biāo)為定量60 g/m2，水分5%，灰分18%，其中灰分含量通過(guò)填料乳液CaCO3的流量調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)紙機(jī)的工藝流程及控制機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合工廠技術(shù)要求，利用工控機(jī)組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)造紙過(guò)程DCS綜合質(zhì)量控制系統(tǒng)，圖5所示為該紙機(jī)流送部組態(tài)模型。

通過(guò)在紙機(jī)卷紙部裝備O型掃描架，配備定量水分灰分掃描儀，實(shí)現(xiàn)控制指標(biāo)的在線測(cè)量［5］，并在上位機(jī)監(jiān)控軟件中建立先進(jìn)控制算法軟件包，對(duì)實(shí)測(cè)的定量、水分與灰分信號(hào)進(jìn)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(shù)字PID算法和DMC算法，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制量的在線優(yōu)化調(diào)節(jié)。

對(duì)于紙張灰分控制，依據(jù)灰分檢測(cè)及補(bǔ)償原理獲取精確的灰分信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制器FIC202實(shí)現(xiàn)灰分值的自動(dòng)跟蹤。圖6所示為灰分監(jiān)控畫(huà)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(cè)比傳統(tǒng)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(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

在紙張灰分的高精度控制中，灰分值的檢測(cè)十分關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)灰分的測(cè)量、算法分析、補(bǔ)償校正以及反饋控制，可以實(shí)現(xiàn)灰分的及時(shí)精確跟蹤與自動(dòng)控制，大大提高了抄紙的工作效率，并可根據(jù)要求適當(dāng)改善紙張的品質(zhì)。

［1］ 侯慶喜，王 進(jìn)，張紅杰．我國(guó)造紙科學(xué)技術(shù)學(xué)科的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策［J］．中國(guó)造紙，2011，30(12):60．

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

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

［4］ 肖中?。堖^(guò)程智能控制策略研究［D］．陜西科技大學(xué)，2011．

［5］ 佟 彤．質(zhì)量控制系統(tǒng)在卷煙紙機(jī)上的應(yīng)用［J］．中國(guó)造紙，2011，30(12):67．