衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段智能制造探討

金 皓 張王力 鄢來朋

（浙江華章科技有限公司，浙江杭州，310000）

2016年12月我國工業(yè)和信息化部發(fā)布《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，該規(guī)劃提出，到2020年，紡織業(yè)、化工業(yè)、金屬冶煉業(yè)、造紙業(yè)等傳統(tǒng)制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造生產(chǎn)，為下一步智能化轉(zhuǎn)型升級提供強(qiáng)有力的支撐基礎(chǔ)；到2025年，傳統(tǒng)制造業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域基本實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，智能制造支撐體系全面建立。根據(jù)筆者對瓦楞原紙生產(chǎn)線智能制造探討[1]，針對當(dāng)前制漿行業(yè)的設(shè)備工藝條件，結(jié)合浙江華章科技有限公司（以下簡稱華章科技）推出的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)，提出在制漿流程控制中關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝的智能化手段，探討制漿段智能制造的提升方向。

1 背 景

1.1 智能制造的含義

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式[2]。智能制造應(yīng)當(dāng)是人類智慧和智能機(jī)器共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)?；谌斯ぶ悄艿闹悄軝C(jī)器代替人類智慧進(jìn)行機(jī)械式的采集、推理、預(yù)測、判斷，系統(tǒng)配合人類智慧進(jìn)行分析決策。它能自組織、自學(xué)習(xí)、自維護(hù)，在制造自動(dòng)化的層面上表現(xiàn)出柔性化、智能化和高度集成化。

1.2 國內(nèi)外制漿造紙?jiān)O(shè)備智能制造水平

國內(nèi)主要衛(wèi)生紙生產(chǎn)廠家（如中順潔柔紙業(yè)股份有限公司、維達(dá)國際控股有限公司、金紅葉紙業(yè)集團(tuán)有限公司、恒安國際集團(tuán)有限公司、永豐余紙業(yè)(昆山)有限公司等）的大型生產(chǎn)線幾乎都引進(jìn)了國際一流設(shè)備生產(chǎn)商的高端技術(shù)設(shè)備。國內(nèi)大中型衛(wèi)生紙?jiān)旒埰髽I(yè)主要采用安德里茨、福伊特、維美德、凱登等國際型企業(yè)的制漿設(shè)備。目前，國產(chǎn)制漿生產(chǎn)線設(shè)備廠家繁多，普遍占領(lǐng)中小型企業(yè)市場。由于國產(chǎn)制漿裝備起步晚，早期市場發(fā)展慢，我國制漿設(shè)備企業(yè)的工藝制造水平、自動(dòng)化水平一直落后于國際設(shè)備廠家，但是在工業(yè)智能化的道路上，我們可以有所作為，從而縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。

制漿工業(yè)智能制造涉及的范圍很廣，包括制漿方式智能化、制漿設(shè)備服務(wù)智能化、制漿工藝管理智能化、制漿裝備智能化等方面。本文以衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的主要制漿設(shè)備作為智能化的方向，探討衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的智能化。

2 智能化實(shí)踐

2.1 盤磨機(jī)的智能化

磨漿機(jī)是目前廣泛使用的磨漿設(shè)備，在磨漿中的使用量占絕對優(yōu)勢[3]。盤磨機(jī)主要由裝有磨片的磨盤、主傳動(dòng)軸、外殼、間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、進(jìn)出漿口和電機(jī)等構(gòu)成。漿料通過管道進(jìn)入磨盤中心，主傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生巨大離心力帶動(dòng)漿料圍繞磨盤中心做徑向運(yùn)動(dòng)，漿料穿過盤齒間隙達(dá)到磨漿效果[4]。

國內(nèi)盤磨機(jī)在初始時(shí)期主要以對照電流參數(shù)手動(dòng)進(jìn)退刀為主。經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)展后，盤磨機(jī)的單位功率成為程序控制的主參數(shù)。在控制過程中，盤磨機(jī)的主功率完成設(shè)定后按恒定頻率進(jìn)刀，到達(dá)設(shè)定功率死區(qū)后停止進(jìn)刀。由于衛(wèi)生紙生產(chǎn)線使用的中低濃盤磨機(jī)正常工作時(shí)磨片間隙較小且在進(jìn)刀過程中存在慣性，停刀時(shí)實(shí)際功率與設(shè)定功率存在較大誤差，使得進(jìn)退刀模式對磨漿質(zhì)量以及盤磨機(jī)安全穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利影響。

華章科技推出的智能進(jìn)退刀控制技術(shù)通過現(xiàn)場傳感器得到盤磨機(jī)打漿功率，以此為系統(tǒng)主參數(shù)進(jìn)行控制。實(shí)際功率與設(shè)定功率相差較大時(shí)進(jìn)行粗調(diào)快速進(jìn)刀，在實(shí)際功率與設(shè)定功率相差較小即磨片間隙較短的范圍內(nèi)進(jìn)行智能脈沖進(jìn)退刀（見圖1）。圖1中智能脈沖進(jìn)退刀主要調(diào)用11個(gè)可調(diào)參數(shù)，其中，MEAR:過程變量值的范圍，即量程范圍；ASP:本地給定值，在畫面上輸入；RSP:遠(yuǎn)程給定值，根據(jù)計(jì)算得出；SPH:設(shè)定值的上限；SPL:設(shè)定值的下限；GAIN:比例增益；CYMAX:循環(huán)時(shí)間最大值，一個(gè)循環(huán)周期包括進(jìn)退刀動(dòng)作時(shí)間和間隔時(shí)間；CYMIN:循環(huán)時(shí)間最小值；MINIT:最小脈沖時(shí)間，低于該時(shí)間的脈沖寬度忽略不計(jì)；DCC:方向轉(zhuǎn)換時(shí)間補(bǔ)償，在進(jìn)刀和退刀轉(zhuǎn)換的過程中，給予一定的進(jìn)退刀脈沖補(bǔ)償時(shí)間；ADT:進(jìn)退刀動(dòng)作時(shí)間固定量。最終計(jì)算出的進(jìn)退刀脈沖時(shí)間需要加上該固定量，以防脈沖時(shí)間過短，視情況而定，可以設(shè)置為0。

圖1 進(jìn)退刀功能塊

以上11個(gè)參數(shù)，主要計(jì)算出循環(huán)時(shí)間，主要包括進(jìn)退刀動(dòng)作時(shí)間和間隔時(shí)間。智能進(jìn)退刀使實(shí)際功率一直保持在設(shè)定值的理想范圍內(nèi)，提高了磨漿穩(wěn)定性。磨漿的工況參數(shù)（漿料流量、漿料濃度、進(jìn)漿壓力、實(shí)際間隙、磨片溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速）之間存在耦合作用，對成漿的質(zhì)量和產(chǎn)量影響巨大。為了解決在不同時(shí)間段、不同批次重復(fù)發(fā)生的磨漿質(zhì)量問題以及工況參數(shù)隨著時(shí)間波動(dòng)耦合問題，采用DCS（集散控制系統(tǒng)）系統(tǒng)，磨漿機(jī)上位機(jī)控制圖見圖2?？刂破鞣稚⑹浇换ジ鱾€(gè)漿料處理設(shè)備信息，監(jiān)測收集相應(yīng)參數(shù)，整合保存參數(shù)趨勢。通過采用智能溫度檢測設(shè)備對軸承溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測保護(hù)。由于每臺盤磨機(jī)所處工藝環(huán)境存在差異，磨片的機(jī)械特性也存在差異，筆者認(rèn)為盤磨機(jī)智能化的方向是將參數(shù)整合建立模型上傳至云服務(wù)器，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對工作參數(shù)對比調(diào)整，減少人力的適應(yīng)時(shí)間，提高效益。

2.2 多圓盤過濾機(jī)的智能化

多圓盤過濾機(jī)處理量大、操作簡單、能耗低，在生產(chǎn)過程中要高效地回收處理漿料中的纖維，也要分離出超清濾液、清濾液、濁濾液用于造紙系統(tǒng)，是衛(wèi)生紙生產(chǎn)企業(yè)白水封閉循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備[5]。多圓盤過濾機(jī)主要由槽體、進(jìn)漿箱、空心軸、傳動(dòng)裝置、洗網(wǎng)裝置、剝漿裝置、分配閥、螺旋輸送機(jī)等構(gòu)成。

圖2 磨漿機(jī)上位機(jī)控制圖

在衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿流程中，多圓盤過濾機(jī)主要用于將墊層漿和白水配比后分離成超清濾液、清濾液和濁濾液，繼續(xù)投入到制漿線以及紙機(jī)中使用。因此多圓盤過濾機(jī)的白水處理能力體現(xiàn)在單位時(shí)間水處理總量和剝漿能力上。多圓盤過濾機(jī)上位機(jī)控制界面見圖3。液位實(shí)時(shí)監(jiān)測，用來保證超清濾液、清濾液、濁濾液的生產(chǎn)量等于系統(tǒng)消耗量；智能頻率控制，使多圓盤過濾機(jī)主電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)所需水處理能力，保持多圓盤過濾機(jī)液位穩(wěn)定；智能轉(zhuǎn)矩監(jiān)測，多圓盤過濾機(jī)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須維持在一定范圍才能正常工作，轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測可以給工作人員提供多圓盤過濾機(jī)良好運(yùn)行的數(shù)據(jù)證明；智能漿水配比，保持墊層漿濃度在一定范圍內(nèi)，程序調(diào)配墊層漿流量與白水流量成一定比例，設(shè)置初始值及范圍。正常工作時(shí)只需微調(diào)初始設(shè)定值，以降低對生產(chǎn)管理人員的要求，減少經(jīng)驗(yàn)需要。

圖3 多圓盤過濾機(jī)上位機(jī)控制圖

2.3 壓力篩的智能化

壓力式篩漿機(jī)簡稱壓力篩，是目前較為先進(jìn)的封閉篩漿設(shè)備，其主要特征是管路密封、壓力進(jìn)漿[6]。華章科技推出的壓力篩控制系統(tǒng)采取智能流量調(diào)節(jié)，對壓力篩進(jìn)漿流量x、良漿流量y和渣漿流量z之間建立關(guān)系，出口良漿y與出口渣漿z的流量調(diào)節(jié)成一定比例a∶b。在進(jìn)漿量x基本不變情況下，y+z的量也維持不變，為了方便操作人員設(shè)置，設(shè)定a+b=100，只要設(shè)定良漿比例a，渣漿也會隨之改變，保持y+z總量不變。在泵啟動(dòng)后初始階段t1，進(jìn)漿流量保持穩(wěn)定，設(shè)定a1和b1，此時(shí)渣漿流量所占比例設(shè)置較大。在調(diào)整階段t2，按一定速度k增大良漿比例a，減少了渣漿比例b，形成新的良、渣漿比例a2和b2。嚴(yán)密的流量配比和流量回路調(diào)節(jié)保證壓力篩的良好運(yùn)行；智能洗篩控制，當(dāng)檢測到壓力篩進(jìn)出口漿管差壓達(dá)到洗篩設(shè)定值又小于堵塞設(shè)定值時(shí)，良漿閥門會在原有的開度上以一定速度遞減，減少良漿流量；渣漿閥門則會以一定速度增大，增加渣漿流量，提高排渣率，達(dá)到洗篩效果。當(dāng)差壓持續(xù)增大，達(dá)到堵塞設(shè)定值時(shí)，則全開渣漿閥，全關(guān)良漿閥并且停止壓力篩前的進(jìn)漿泵。智能洗篩控制使壓力篩發(fā)生堵塞的事故率大大降低，從而減少了停機(jī)事故，保持了系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 除渣段的智能化

漿料在進(jìn)入磨漿機(jī)之前一般要進(jìn)行除渣，將砂石等雜質(zhì)從紙漿中除去，保證后續(xù)工段的正常工作。由于衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段沒有重質(zhì)雜質(zhì)，一般采用高濃除砂器進(jìn)行除渣。高濃除砂器的執(zhí)行過程分為4步:充水、集渣、沖洗、排渣。華章科技的高濃除砂器采用智能順控程序進(jìn)行控制，流程每一步可以單獨(dú)設(shè)定時(shí)間，控制界面見圖4。在除渣過程中，排渣閥門會因雜質(zhì)過多出現(xiàn)開關(guān)不到位現(xiàn)象。第一次發(fā)生此類原因的不到位信號，系統(tǒng)判定堵塞預(yù)警，自動(dòng)進(jìn)行臨時(shí)屏蔽，提醒工作人員現(xiàn)場檢查，保持控制連續(xù)性。當(dāng)執(zhí)行過程進(jìn)行到下一輪后，排渣閥門開關(guān)不到位情況依舊存在，系統(tǒng)判定閥門堵塞，自動(dòng)進(jìn)入快速沖洗程序，加水閥開，排渣閥全開。智能順控是一種廣泛的關(guān)鍵共性技術(shù)，也可以用于雜質(zhì)分離機(jī)，水力碎漿機(jī)等多流程設(shè)備。

圖4 高濃除砂器上位機(jī)控制圖

2.5 互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)對制漿智能控制的提升

智能控制的提升離不開新一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)。通過成熟的傳感器檢測、物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場設(shè)備總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備各種數(shù)據(jù)的智能采集、無線或有線傳輸、無縫路由、智能分析等，為前期模型建立、設(shè)備組網(wǎng)、后期設(shè)備診斷、生產(chǎn)維護(hù)提供依據(jù)。

針對復(fù)雜流程和工況，交互采集到的工廠、智能設(shè)備、操作人員之間形成的電子信息數(shù)據(jù)建立智能生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵輸入、輸出參數(shù)的關(guān)系模型，解決自適應(yīng)工況，自主決策等關(guān)鍵問題。

對于以上關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵工藝建立設(shè)備模型，將模型中采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)同型設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析判斷，同時(shí)把處理數(shù)據(jù)或優(yōu)化建議反饋給生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程實(shí)施預(yù)判優(yōu)化，監(jiān)控管理決策支持和生產(chǎn)工藝尋優(yōu)，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)判、遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化分析，使生產(chǎn)設(shè)備能夠自我維護(hù)或者為其提供建議。

此外，越來越多的智能造紙企業(yè)專注于MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程運(yùn)行優(yōu)化[7]。華章科技研發(fā)的MES系統(tǒng)可與DCS控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口集成。MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌控生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)進(jìn)度、漿料品質(zhì)、目標(biāo)達(dá)成情況以及人員、設(shè)備、物料的利用狀況，作為現(xiàn)場自動(dòng)化系統(tǒng)之上的執(zhí)行層使企業(yè)在整個(gè)生產(chǎn)線制造過程和管理層面上得到顯著的優(yōu)化和提升。

基于以上的分析，筆者認(rèn)為衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的智能制造的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的智能制造結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語

衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段關(guān)鍵設(shè)備的控制方式正從自動(dòng)化邁向智能化，在生產(chǎn)、管理、維護(hù)的方式上不斷創(chuàng)新。在制漿造紙行業(yè)這個(gè)充分競爭的領(lǐng)域，單一設(shè)備的智能化依靠互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了強(qiáng)有力的支撐，同時(shí)設(shè)備、人員、產(chǎn)品依托信息技術(shù)（Internet Technology， IT）、 操 作 技 術(shù) （Operation Technology，OT）、通信技術(shù) （Communication Tech?nology，CT）等技術(shù)的不斷融合將促進(jìn)形成更先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)。