煙紙增強(qiáng)劑濃度的抗干擾控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

臺廣鋒，姜長輝，盧 毅，陳雁南

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

在煙紙行業(yè)中，目前對煙紙質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格。煙紙的質(zhì)量優(yōu)劣關(guān)鍵取決于紙漿的品質(zhì)[1-3]。紙漿配制中增強(qiáng)劑黏度直接影響紙漿的流動性、分散性、紙張強(qiáng)度、變異系數(shù)等指標(biāo)，紙漿黏度受溫度、釋放時間、配液濃度等因素的綜合影響。其中，增強(qiáng)劑濃度對其黏度值影響最大。因此，從增強(qiáng)劑配制工藝、效果等角度考慮，合理有效地控制增強(qiáng)劑濃度非常關(guān)鍵。

增強(qiáng)劑濃度的控制方法多種。目前，傳統(tǒng)的比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，PID控制過程線性組合，系統(tǒng)出現(xiàn)快速響應(yīng)特性和系統(tǒng)超調(diào)嚴(yán)重之間矛盾；當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化范圍較大、非線性較為突出時，參考輸入量不可微分，噪聲污染在輸出中出現(xiàn)。線性自抗擾控制具有較強(qiáng)的魯棒性，能有效克服大時滯、大慣性，同時能夠有效補(bǔ)償由于系統(tǒng)內(nèi)外工況條件變化引起的擾動。因此，本文將自抗擾技術(shù)用于增強(qiáng)劑配制系統(tǒng)。

本文將影響濃度的進(jìn)水流速變化率為控制量，物料添加速率波動因素視作為擾動因素，采用二階線性自抗干擾結(jié)構(gòu)模型，從擾動因素角度研究增強(qiáng)劑配制過程中的濃度控制問題。

1 增強(qiáng)劑濃度抗干擾模型設(shè)計

線性自抗擾控制利用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，實時估計來自系統(tǒng)自身及外部的總擾動[4]，通過非線性狀態(tài)誤差反饋律對總擾動進(jìn)行動態(tài)線性補(bǔ)償，從而使被控對象模型取得較好的效果[5]。煙紙增強(qiáng)劑濃度性自抗擾控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煙紙增強(qiáng)劑濃度的線性自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖

圖1中：BS為增強(qiáng)劑濃度設(shè)定值；BP為增強(qiáng)劑濃度實測值；D為清水流速變化率；d為系統(tǒng)外部干擾。

增強(qiáng)劑配制過程中，流速變化率為控制量，達(dá)到對增強(qiáng)劑濃度的控制。造紙增強(qiáng)劑配制過程的動力學(xué)方程可由下述多變量控制模型表達(dá):

(1)

式中：X(t)為增強(qiáng)劑配制裝置出口黏度;S(t)為增強(qiáng)劑配制裝置黏度釋放后黏度值;BP(t)為增強(qiáng)劑濃度;D(t)為清水流速變化率;μ(t)為阻流劑添加率;K0為飽和常數(shù);KLa為多糖分子轉(zhuǎn)移系數(shù);Sin為配制裝置底部增強(qiáng)劑濃度。

系統(tǒng)有兩個輸入信號yr、f，根據(jù)疊加原理，可得系統(tǒng)的輸出y(s):

(2)

輸入信號yr和擾動信號f為有界值，采用最佳的控制參數(shù)wc、w0，可使閉環(huán)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。

當(dāng)擾動信號f為階躍信號時，f作用下的系統(tǒng)輸出yf為：

(3)

2 仿真研究

本文主要分析二階自抗擾控制在煙紙增強(qiáng)劑自動配制過程中的濃度控制效果，設(shè)計二階自抗擾控制器，使增強(qiáng)劑濃度保持在煙紙生產(chǎn)線所需的增強(qiáng)劑理想濃度。同時，變化濃度設(shè)定值，增加外部干擾因素，研究自抗擾控制系統(tǒng)對煙紙增強(qiáng)劑濃度控制效果。除此之外，分析比較自抗擾控制器與傳統(tǒng)PID控制方案對煙紙增強(qiáng)劑濃度控制效果的差異，從而驗證自抗擾控制方案在煙紙增強(qiáng)劑濃度控制應(yīng)用的合理性。在理想狀態(tài)下，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真試驗。

由于增強(qiáng)劑濃度控制過程具有大慣性及一定延時，可以采用二階模型來描述，傳遞函數(shù)如下：

(3)

式中：T1=15,T2=30,τ=0.04;仿真程序參考文獻(xiàn)[6]中的程序進(jìn)行仿真分析。

增強(qiáng)劑濃度跟蹤試驗響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 增強(qiáng)劑濃度跟蹤響應(yīng)曲線

①正弦信號干擾下增強(qiáng)劑濃度跟蹤響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 正弦信號干擾下增強(qiáng)劑濃度跟蹤響應(yīng)曲線

②自抗擾控制方案和常規(guī)PID控制方案比較曲線如圖4所示。

圖4 自抗擾控制方案與常規(guī)PID控制方案比較曲線

試驗結(jié)果表明：當(dāng)增強(qiáng)劑濃度設(shè)定值不斷變化，自抗擾控制系統(tǒng)受到外部干擾時，線性自抗擾控制系統(tǒng)都能有效補(bǔ)償來自內(nèi)外部的擾動。增強(qiáng)劑濃度控制能獲得較為良好的控制效果，為煙紙生產(chǎn)性提供所需的增強(qiáng)劑濃度，保證了黏度，且生產(chǎn)線穩(wěn)定性得到了保證。

由圖4可知，與常規(guī)PID控制相比，線性自抗擾控制能夠以較小的超調(diào)獲得更好的跟蹤性能，并能保證增強(qiáng)劑濃度在設(shè)置值上下較小范圍內(nèi)波動，具有較好的適應(yīng)設(shè)定值變化的能力。同時，線性自抗擾控制提高了增強(qiáng)劑配制過程中的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，解決了增強(qiáng)劑配制過程中時滯和大滯后問題，實現(xiàn)了增強(qiáng)劑濃度配制的最優(yōu)控制。

3 具體實施方案

增強(qiáng)劑傳統(tǒng)配制方法采用的人工配料方式不但效率低，而且易出錯，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需要[7-8]?，F(xiàn)在，增強(qiáng)劑配制采用自動配液裝置實現(xiàn)。自動配液裝置是一個智能化、全自動、連續(xù)式一體化的配液、發(fā)液裝置。該系統(tǒng)適用于各類固體藥劑溶液的自動給料、溶解、自動配制、自動定量投加，全流程無人值守，自動運(yùn)行。

增強(qiáng)劑濃度控制采用自動配液裝置中可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)實現(xiàn)對其濃度的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對其黏度的控制。PLC系統(tǒng)通過對進(jìn)水變化率的控制，實現(xiàn)對增強(qiáng)劑配制濃度的控制。自動控制系統(tǒng)是濃度控制關(guān)鍵。因此，本文將以上模型設(shè)計通過PLC系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)，將PLC系統(tǒng)應(yīng)用到配液裝置中，增強(qiáng)劑關(guān)鍵參數(shù)控制。

3.1 工藝流程

增強(qiáng)劑配制系統(tǒng)開啟后，電動閥打開，配液水泵開始轉(zhuǎn)動，流量計開始計量，并將流量信號反饋給定量控制儀，清水通過流量計管線進(jìn)入到配液槽內(nèi)。系統(tǒng)首先向1號配液槽配液，配液大約需要10 min。當(dāng)1號配液槽配滿后，系統(tǒng)1號配液槽的電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)開始開始向2號配液槽配液。與此同時，1號配液池開始向外發(fā)液，以持續(xù)穩(wěn)定供液。

當(dāng)1號配制槽中溶液下降到低液位時，系統(tǒng)自動啟動2號溶液槽向外發(fā)液，此時開始對1號發(fā)液槽配液。當(dāng)槽內(nèi)液位達(dá)到高位時，配制過程自動停止，每個槽均設(shè)置多槳葉攪拌器，充分保證粉料的稀釋和熟化。增強(qiáng)劑干粉添加量控制采用干粉投加量自動跟隨水流量的變化。采用精密螺旋給料器投加粉體，速度閉環(huán)控制，保證投料均勻、分散。

當(dāng)配制槽中的液位達(dá)到一定高度時，自動啟動攪拌裝置，粉料添加量系統(tǒng)根據(jù)配液濃度要求自動計算出添加量，達(dá)到設(shè)定量后自動停止。

3.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

增強(qiáng)劑自動控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸式人機(jī)對話界面及變頻控制器等基本單元組成。PLC作為自動配液系統(tǒng)的控制核心，采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能好[9-10]。

可編程邏輯控制器具有體積小、功能強(qiáng)、編程簡單、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點，但人機(jī)對話不方便[11]。因此，增強(qiáng)劑配制系統(tǒng)設(shè)置人機(jī)交互界面實現(xiàn)人機(jī)對話。系統(tǒng)人機(jī)界面采用西門子MP377觸摸屏實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的操控[11-13]。該造紙增強(qiáng)劑配制系統(tǒng)選用西門子7ME6520-3TC13電磁流量計，液位計選用E+H公司的FMU235A超聲波液位計、上海巨良有限公司的電動球閥和武漢上潤公司的電磁閥。

由于該配置系統(tǒng)在整套煙紙生產(chǎn)線上屬于中間設(shè)備，因此系統(tǒng)需與現(xiàn)場設(shè)備對接，實現(xiàn)整體全流程控制，系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)接口實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)。為保證響應(yīng)時間，采用光纖實現(xiàn)與外部設(shè)備的信號互聯(lián)。系統(tǒng)內(nèi)部觸摸屏與可編程控制器采用雙絞線連接?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通信參數(shù)設(shè)定如下。

①通信方式：半雙工，起停同步。

②波特率：9.6 kbit/s。

③通信協(xié)議 ：Host Link。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

增強(qiáng)劑系統(tǒng)軟件采用人機(jī)界面進(jìn)行人機(jī)交互。人機(jī)交互界面通過觸摸屏實現(xiàn)。觸摸屏界面主要由開機(jī)界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、系統(tǒng)管理界面和加料控制界面組成。各個界面相互之間都有畫面切換按鍵[12]。在人機(jī)界面上操作及顯示各單元運(yùn)行狀態(tài)，實時顯示儲料罐的料量。當(dāng)儲料罐中的料量不足時，提示操作者加料；當(dāng)儲料罐中無料時，系統(tǒng)自動停止。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，出現(xiàn)報警畫面，有故障時相關(guān)設(shè)備會自動按要求停止。配制過程通過對稱量參數(shù)、液位、流速、流量等參數(shù)設(shè)定，可實現(xiàn)全流程自動控制，人機(jī)界面實現(xiàn)動態(tài)顯示、生產(chǎn)實施數(shù)據(jù)歷史追溯和報表打印，并可與上位機(jī)實現(xiàn)通信和控制。該系統(tǒng)操作簡單、性能可靠，提高了配液生產(chǎn)能效和品質(zhì)。

4 結(jié)論

該增強(qiáng)劑全自動配制系統(tǒng)于2019年成功應(yīng)用于煙紙廠，實現(xiàn)了造紙生產(chǎn)線全流程自動化運(yùn)行。所配制增強(qiáng)劑溶液濃度為0.01%～0.1%,配液精度高，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了集中管理分散控制，自動化程度高，免維護(hù)，節(jié)省了大量人工成本。所配制的紙漿增強(qiáng)劑分散性較好，能滿足生產(chǎn)指標(biāo)要求，徹底解決了水包粉現(xiàn)象，節(jié)省了大量固體添加粉料，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該配制系統(tǒng)可應(yīng)用于造紙、食品、冶金等多個行業(yè)液體配制領(lǐng)域，市場前景廣闊。