稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉文波 王 樨 湯 偉 王孟效

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021)

紙張的定量、水分和厚度是反映紙張質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，其中尤其重要的是紙張定量，它用來(lái)表征單位面積的紙張質(zhì)量大小，是紙張質(zhì)量控制的重要內(nèi)容［1］。要達(dá)到的控制目標(biāo)是使紙張定量在沿造紙機(jī)運(yùn)行方向 (簡(jiǎn)稱縱向)和垂直于造紙機(jī)運(yùn)行方向(簡(jiǎn)稱橫向)都保持均勻。縱向定量波動(dòng)主要?dú)w因于上漿濃度和上漿流量的變化，當(dāng)前縱向控制己經(jīng)取得了較好成果。而橫向定量波動(dòng)主要是由造紙機(jī)設(shè)備(如流漿箱的勻漿和布漿質(zhì)量等)所引起，目前橫向定量控制雖然取得了一些發(fā)展，但依然存在許多亟待解決的問(wèn)題。

造紙機(jī)橫向控制的概念始于20世紀(jì)50年代，但受限于當(dāng)時(shí)的條件:紙幅窄，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、測(cè)量系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制等，橫向控制技術(shù)并沒(méi)有得到大的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著造紙機(jī)幅寬的增加及車速的提高，尤其是用戶對(duì)紙張質(zhì)量的要求越來(lái)越高，橫向控制技術(shù)獲得越來(lái)越多的重視，同時(shí)測(cè)量傳感器和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展為橫向控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了必要的技術(shù)支持手段，極大地加快了其發(fā)展速度。

橫向定量分布是否均勻不僅關(guān)系到紙張性能，還大大影響生產(chǎn)效率以及原材料的消耗［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)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(jìn)一步提高紙張抗張強(qiáng)度、耐破度，減少造紙機(jī)斷紙的次數(shù)及停機(jī)時(shí)間，并獲得更好的加工性能，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低資源消耗、節(jié)能減排、減少對(duì)環(huán)境污染的目的［3］，因此橫向定量控制逐漸成為造紙行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。

1 橫向定量調(diào)節(jié)方法

1.1 調(diào)節(jié)原理

縱向定量的調(diào)節(jié)是通過(guò)整體調(diào)整流漿箱上唇板開(kāi)度或改變上網(wǎng)紙漿濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而橫向定量的調(diào)節(jié)則有不同的方式。

假設(shè)把紙幅沿橫向劃分為若干等份，則有表達(dá)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(kāi)度，Vn為第n段唇口處漿流速度。

Vn由流漿箱結(jié)構(gòu)、上漿總壓力等因素決定，而W主要根據(jù)造紙機(jī)及生產(chǎn)需求而決定，在唇口處無(wú)法調(diào)整。因此，當(dāng)紙幅橫向定量出現(xiàn)偏差需要對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可調(diào)因素有Hn和Cn。唇板配曲調(diào)節(jié)和稀釋水調(diào)節(jié)就是分別針對(duì)Hn和Cn來(lái)調(diào)整紙幅橫向定量的。

1.2 唇板配曲調(diào)節(jié)

20世紀(jì)90年代前，針對(duì)傳統(tǒng)流漿箱，主要采用唇板配曲調(diào)節(jié)的方法對(duì)紙張全幅橫向定量進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過(guò)安裝在流漿箱上唇板的微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)噴漿唇板開(kāi)度大小，從而實(shí)現(xiàn)全橫幅定量的均勻一致。根據(jù)實(shí)際分析統(tǒng)計(jì)，橫向定量調(diào)整的精度取決于微調(diào)機(jī)構(gòu)的數(shù)量與間距。起初該間距約300 mm，為使橫向定量調(diào)節(jié)更為有效精確，微調(diào)機(jī)構(gòu)的間距在不斷地減小，目前為70～200 mm左右［4］。微調(diào)機(jī)構(gòu)大部分都采用差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也有應(yīng)用熱脹冷縮的原理進(jìn)行微調(diào)的。

在實(shí)際應(yīng)用中，利用唇板微調(diào)調(diào)節(jié)橫向定量的方法存在如下一些缺點(diǎn):

(1)調(diào)節(jié)精度差、靈敏度低。

(2)由于調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致唇口開(kāi)度不一致，從而使噴出的漿流在成形網(wǎng)上產(chǎn)生橫流、交叉流，會(huì)干擾纖維定向，破壞一致性，損傷纖維結(jié)合的均勻結(jié)構(gòu)。

(3)若唇口開(kāi)度長(zhǎng)期處于不一致的狀態(tài)，容易損壞唇板。

1.3 稀釋水調(diào)節(jié)

20世紀(jì)90年代中后期出現(xiàn)了稀釋水流漿箱［5］，創(chuàng)造性地提出了調(diào)濃的方法，突破了傳統(tǒng)流漿箱通過(guò)調(diào)節(jié)唇板來(lái)調(diào)整橫向定量的方法。相對(duì)唇板微調(diào)結(jié)構(gòu)的流漿箱，稀釋水流漿箱有較多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用逐漸廣泛起來(lái)。

它的主要工作原理是，在階梯擴(kuò)散勻漿器的大量階梯擴(kuò)散管之間，沿橫向選擇適當(dāng)?shù)拈g隔距離，向階梯擴(kuò)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(lái)局部調(diào)節(jié)漿料濃度，實(shí)現(xiàn)全幅橫向定量均勻調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過(guò)程中進(jìn)入進(jìn)漿總管的漿流濃度和流量是恒定的，在不加稀釋水時(shí)進(jìn)入各個(gè)階梯擴(kuò)散管的漿流濃度和流量也均勻一致。當(dāng)紙張橫向某處定量偏離設(shè)定值時(shí)，向與該處相對(duì)應(yīng)的階梯擴(kuò)散管的上游注入稀釋水，通過(guò)調(diào)節(jié)該處的漿流量與白水量的比率來(lái)改變?cè)撎幍臐{料濃度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控紙張全幅橫向定量均勻一致。階梯擴(kuò)散勻漿器有大量的階梯擴(kuò)散管，但不是每個(gè)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(kuò)散管的上游注入稀釋水，根據(jù)對(duì)紙張全幅橫向定量均勻性要求來(lái)確定間距的大小，各個(gè)不同廠家采用的間距范圍30～60 mm。加入單個(gè)階梯擴(kuò)散管的稀釋水量通過(guò)稀釋水閥門控制。閥門開(kāi)度的大小根據(jù)調(diào)節(jié)點(diǎn)定量偏離標(biāo)準(zhǔn)定量的差值來(lái)確定。調(diào)節(jié)中，可保持流漿箱的唇口開(kāi)度全幅均勻一致，這樣就可以避免唇板微調(diào)的缺點(diǎn)。同時(shí)，還具有調(diào)節(jié)定量精確、靈敏度高、調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)速度快，反應(yīng)時(shí)間短、纖維定向性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代末開(kāi)始引進(jìn)稀釋水流漿箱，但其核心技術(shù)始終由國(guó)外公司掌握，國(guó)內(nèi)技術(shù)開(kāi)發(fā)緩慢，長(zhǎng)期以來(lái)僅處于表面模仿階段，未能攻克其核心關(guān)鍵，在控制技術(shù)、性能指標(biāo)、使用可靠性上都遠(yuǎn)落后于國(guó)外水平。直到2008年國(guó)內(nèi)才研制成功自主設(shè)計(jì)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(tǒng)的研究也處于起步階段，與國(guó)外水平有較大差距，在實(shí)際應(yīng)用中主要采用國(guó)外技術(shù)(如霍尼韋爾、美卓公司等)。

當(dāng)前我國(guó)規(guī)模以上的造紙企業(yè)有3724家，隨著國(guó)內(nèi)造紙產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，采用新工藝、新裝備和新技術(shù)來(lái)提高紙張抄造產(chǎn)量和品質(zhì)成為當(dāng)前我國(guó)造紙工業(yè)技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)改造的重要方向［7］。由于造紙機(jī)車速在不斷提高，企業(yè)對(duì)高速水力式流漿箱需求量越來(lái)越大，配套的稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)的需求量也將越來(lái)越大，僅靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)顯然是不行的，不但成本高，核心技術(shù)也會(huì)受到牽制，不利于國(guó)內(nèi)造紙裝備自動(dòng)化水平的提高。因而對(duì)稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)進(jìn)行研究及應(yīng)用，將有助于為國(guó)內(nèi)中高速造紙機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中提高紙張品質(zhì)提供技術(shù)參考，促進(jìn)國(guó)內(nèi)造紙工業(yè)裝備發(fā)展，具有較廣闊的應(yīng)用前景和較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2 稀釋水橫向定量控制

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

稀釋水流漿箱的控制包括本體控制系統(tǒng)和橫向定量控制系統(tǒng)［8］，其中橫向定量控制系統(tǒng)用于根據(jù)橫向定量調(diào)節(jié)的需要平穩(wěn)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(tǒng)涉及到橫向定量數(shù)據(jù)的采集與處理、對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，可設(shè)計(jì)如圖1所示的橫向定量控制系統(tǒng)。

圖1 稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)可以劃分為三部分，即定量檢測(cè)部分、控制部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。各部分作用如下:

(1)定量檢測(cè)部分用于采集當(dāng)前橫向定量數(shù)據(jù)。

(2)控制部分需根據(jù)所獲得的橫向定量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并運(yùn)行控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。這其中涉及到上位機(jī)與執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)交換，是一個(gè)較為復(fù)雜的部分。

(3)執(zhí)行器在橫向定量控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)執(zhí)行器可對(duì)稀釋水閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整紙幅橫向的漿流濃度，起到對(duì)橫向定量調(diào)節(jié)的作用。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，本橫向定量控制系統(tǒng)按照如下步驟對(duì)橫向定量進(jìn)行控制:

(1)通過(guò)定量檢測(cè)部分從QCS(Quanlity Control System，質(zhì)量控制系統(tǒng))數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取橫向定量數(shù)據(jù)。

(2)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，控制部分運(yùn)行控制算法，并得到輸出控制量。

(3)通過(guò)RS485通信網(wǎng)絡(luò)將控制命令及控制量數(shù)據(jù)傳送至執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)稀釋水閥開(kāi)度，達(dá)到調(diào)節(jié)橫向定量的目的。

(4)循環(huán)處理。

在橫向定量的控制中，關(guān)鍵技術(shù)在于解決如何添加稀釋水的問(wèn)題，這其中包含了復(fù)雜的測(cè)量和控制技術(shù)難題，主要體現(xiàn)在如何實(shí)時(shí)獲取橫向定量數(shù)據(jù)、如何根據(jù)橫向定量數(shù)據(jù)利用控制算法對(duì)稀釋水閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 定量數(shù)據(jù)獲取

實(shí)際生產(chǎn)中，數(shù)據(jù)通過(guò)定量傳感器進(jìn)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(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，傳感器自身并不運(yùn)動(dòng)。此類傳感器的特點(diǎn)是掃描速度快、數(shù)據(jù)量大、可獲得實(shí)時(shí)的橫向及縱向數(shù)據(jù)，但缺點(diǎn)是成本較高，實(shí)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(jī)架上沿造紙機(jī)橫向巡回往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。根據(jù)掃描機(jī)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(shí)際中得到了大量的應(yīng)用，通常將掃描傳感器設(shè)置在造紙機(jī)的尾部，沿紙幅橫向以巡回掃描的方式檢測(cè)紙張的定量數(shù)據(jù)，其掃描軌跡如圖2所示，由于紙幅沿縱向移動(dòng)，因而掃描傳感器實(shí)際上只能測(cè)量紙幅上“Z”字形的區(qū)域。

圖2 掃描傳感器掃描軌跡

目前造紙生產(chǎn)線中大量應(yīng)用了QCS，而QCS系統(tǒng)中已包含掃描傳感器，因而可采用與QCS系統(tǒng)共享掃描數(shù)據(jù)的方式獲取橫向定量數(shù)據(jù)。

橫向定量控制系統(tǒng)通過(guò)與QCS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以獲得實(shí)時(shí)橫向定量數(shù)據(jù)，故需在它們之間組建通信網(wǎng)絡(luò)?？刹捎萌缦路椒?

(1)利用現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議交換數(shù)據(jù)。此方法需雙方遵循同一種現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而在實(shí)際控制系統(tǒng)中，橫向與縱向控制系統(tǒng)有時(shí)會(huì)采用不同廠商的設(shè)備，若它們遵循不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的難題。

(2)利用OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的對(duì)象連接和嵌入)協(xié)議［9］進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。OPC是自動(dòng)化領(lǐng)域中處于領(lǐng)導(dǎo)地位的硬件和軟件開(kāi)發(fā)商在與微軟的合作下協(xié)作制定的，當(dāng)前已成為工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域中硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)，其將設(shè)備制造商和軟件制造商間的關(guān)系確定為OPC服務(wù)器和應(yīng)用程序間的關(guān)系，任何帶有OPC接口的應(yīng)用程序都可以和一個(gè)或多個(gè)設(shè)備制造商的OPC服務(wù)器連接。目前主流設(shè)備制造商皆支持OPC協(xié)議通信，因而采用此種方法更具有實(shí)際價(jià)值。

2.3 控制方法

對(duì)紙張橫向定量的控制是根據(jù)所獲得的橫向定量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算并調(diào)節(jié)稀釋水閥的開(kāi)度來(lái)提供適量的稀釋水實(shí)現(xiàn)的。其關(guān)鍵在于對(duì)定量數(shù)據(jù)的處理以及控制算法。

(1)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與執(zhí)行器之間的精確對(duì)位。實(shí)際生產(chǎn)中稀釋水閥數(shù)目往往為幾十個(gè)到幾百個(gè)之間，而掃描傳感器每次掃描測(cè)得的定量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目一般在幾百個(gè)到數(shù)千個(gè)之間。因此對(duì)橫向定量的控制實(shí)際上是對(duì)一個(gè)高維系統(tǒng)的控制，若采用大系統(tǒng)的方式進(jìn)行分析，雖然可以得到解決方法，但造成的后果是算法運(yùn)算量大，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)控制的需求。因而需要將高維系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成低維系統(tǒng)，然后以分散系統(tǒng)的方式進(jìn)行控制，這樣運(yùn)算量將大幅減少，可滿足實(shí)時(shí)性要求。其中如何進(jìn)行高維到低維的數(shù)據(jù)變換就成為一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)方法在變換過(guò)程中會(huì)丟失有用信息，在此采用映射矩陣方式進(jìn)行高低維變化。

若系統(tǒng)中稀釋水調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)目為m，每次掃描的橫向定量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目為n。

用Ycd表示變換之前的高維橫向定量數(shù)據(jù)矩陣，用Ycd'表示經(jīng)過(guò)變換之后得到的低維橫向定量數(shù)據(jù)矩陣，即:

其中，ycd(i)，i=1，2，…，n，表示變換之前每個(gè)掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫向定量值;ycd'(j)，j=1，2，…，m，表示變換之后對(duì)應(yīng)每個(gè)稀釋水調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)一步有如下變換關(guān)系:

由上式可以看出變化過(guò)程中應(yīng)用到了所有的原始橫向定量數(shù)據(jù)，并且考慮到了耦合關(guān)系，因而避免了有用信息丟失的缺點(diǎn)。

(2)控制算法

橫向定量數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)高低維變換后，便得到了與m個(gè)稀釋水閥調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)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(shè)定值。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，若其對(duì)應(yīng)的橫向定量值小于設(shè)定值，則說(shuō)明局部漿濃偏小，應(yīng)減小稀釋水閥開(kāi)度，反之則增大稀釋水閥開(kāi)度。改變量由控制算法自動(dòng)計(jì)算獲得，在此以分散系統(tǒng)的方式，采用仿人智能控制算法進(jìn)行控制。

當(dāng)紙張橫向定量偏差大或較大時(shí)，調(diào)節(jié)作用以盡快消除誤差為主;當(dāng)橫向定量偏差小或較小時(shí)，則以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，且應(yīng)防止超調(diào)。用E表示橫幅定量設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差，EC表示偏差的變化，U表示稀釋水閥開(kāi)度，可得如表1所示的控制規(guī)則。

表1 仿人智能控制規(guī)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(shè)定的誤差界限，且M1＞M2;K1為增益放大系數(shù)，KP為比例增益;Umax為開(kāi)度的最大值。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

實(shí)際中稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控

上位機(jī)監(jiān)控用于實(shí)現(xiàn)橫向定量數(shù)據(jù)的獲取、顯示及控制等。實(shí)際應(yīng)用中主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是采用WINCC等專用組態(tài)軟件，另一種是采用Delphi、VC++、VB等開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)中利用VB開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件，主要實(shí)現(xiàn)定量數(shù)據(jù)獲取、實(shí)時(shí)監(jiān)控、與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信等功能。具體實(shí)現(xiàn)如下。

(1)定量數(shù)據(jù)獲取

橫向定量控制系統(tǒng)與QCS之間的通信網(wǎng)絡(luò)使用工業(yè)以太網(wǎng)，并采用OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。具體方法如下:

①在橫向定量控制系統(tǒng)與QCS系統(tǒng)間建立工業(yè)以太網(wǎng)連接。

②在 QCS系統(tǒng)上建立 OPC服務(wù)器，并進(jìn)行DCOM配置。

③在橫向定量控制系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行DCOM配置，將其作為OPC客戶機(jī)。

④配置完畢，橫向定量控制系統(tǒng)OPC客戶端即可連接QCS系統(tǒng)OPC服務(wù)器并實(shí)時(shí)獲取橫向定量數(shù)據(jù)。

(2)橫向定量曲線的實(shí)時(shí)顯示

實(shí)際生產(chǎn)中掃描傳感器沿紙幅橫向進(jìn)行往復(fù)掃描檢測(cè)，在每次掃描中會(huì)獲得若干個(gè)掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)紙幅寬度的不同，數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)從數(shù)百個(gè)到數(shù)千個(gè)不等，紙幅橫向所安裝的稀釋水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)從數(shù)十個(gè)到數(shù)百個(gè)不等。這些橫向定量數(shù)據(jù)點(diǎn)將顯示在實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面上，并與稀釋水調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。

以某造紙機(jī)生產(chǎn)線為例，QCS系統(tǒng)每次掃描獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為200個(gè)，對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)55個(gè)，設(shè)計(jì)如圖3所示實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面。

圖3 紙幅橫向定量實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面

(3)稀釋水閥開(kāi)度調(diào)節(jié)

稀釋水閥開(kāi)度調(diào)節(jié)有手動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。其中手動(dòng)調(diào)節(jié)方式是在監(jiān)控室中由操作員通過(guò)上位機(jī)畫(huà)面進(jìn)行調(diào)節(jié);自動(dòng)調(diào)節(jié)則是橫向定量控制系統(tǒng)通過(guò)控制算法，自動(dòng)對(duì)稀釋水閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，稀釋水閥開(kāi)度由上位機(jī)程序自動(dòng)控制。

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)中稀釋水調(diào)節(jié)閥采用高精度電動(dòng)閥。其具有如下特點(diǎn):

(1)閥體由高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制精度為1/10000步。

(2)具有良好的線性調(diào)節(jié)功能。

(3)具有RS485通信接口。

橫向定量控制系統(tǒng)上位機(jī)與所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中通信距離往往較遠(yuǎn)，為使通信可靠，可在網(wǎng)絡(luò)中加入RS485通信中繼器作為執(zhí)行器通信接口，用于信號(hào)的中繼與放大。在RS485網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)作為主機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為從機(jī)，通信協(xié)議可自定義或采用MODBUS協(xié)議。通信步驟如下:

(1)上位機(jī)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制命令及數(shù)據(jù)。

(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)并根據(jù)需要回復(fù)數(shù)據(jù)。

(3)輪詢處理下一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.3 運(yùn)行效果

以本系統(tǒng)在浙江某造紙廠的應(yīng)用為例，其2#生產(chǎn)線采用四疊網(wǎng)造紙機(jī)，設(shè)計(jì)車速為400 m/min，主要生產(chǎn)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(gè)，并應(yīng)用了本橫向定量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)投運(yùn)前后在生產(chǎn)定量為350 g/m2的涂布白紙板時(shí)的運(yùn)行效果如圖4、圖5所示，此時(shí)面層質(zhì)量占比為8%，襯層質(zhì)量占比為10%，芯層質(zhì)量占比為60%，底層質(zhì)量占比為12%，涂布質(zhì)量占比為10%。

圖4 系統(tǒng)投運(yùn)前的橫向定量曲線

圖5 系統(tǒng)投運(yùn)后的橫向定量曲線

圖4和圖5中，最大正偏及最大負(fù)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(shuō)明橫向定量分布均勻性越好。由圖4、圖5可以看出，系統(tǒng)投運(yùn)前，紙張橫向定量最大正偏、最大負(fù)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(dòng)，范圍達(dá)41.9 g/m2，2σ為15.6 g/m2;在系統(tǒng)投運(yùn)后最大正偏、最大負(fù)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(dòng)，范圍為10.6 g/m2，2σ值為4.9 g/m2，最大正偏、最大負(fù)偏、波動(dòng)范圍及2σ值的改善率分別達(dá)到了79.8%、67.6%、74.7%及68.6%，取得了較好的控制效果。

4 結(jié)論

在稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)中，利用VB設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控軟件，并利用OPC實(shí)現(xiàn)從QCS系統(tǒng)獲取定量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)仿人智能控制算法處理，并通過(guò)RS485總線控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)稀釋水閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)整局部上漿濃度，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中橫向定量的控制提供了有效的解決方法。該控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面友好，具備手動(dòng)調(diào)節(jié)及自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，運(yùn)行穩(wěn)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(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)。

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