紙張質量控制功能及其實現方式

鐘益聯

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

·質量控制·

紙張質量控制功能及其實現方式

鐘益聯

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

介紹了紙張質量的縱向和橫向基本控制功能，扼要介紹了橫向執行器及其安裝位置，提出由質量控制系統 (QCS)具有的控制功能轉移到由造紙機本體控制系統 (MCS)來實現的發展趨勢。關鍵詞:控制功能;執行器;紙張質量控制系統;造紙機本體控制系統

紙張是紙廠的最終產品，定量和水分是表征其性質的基本參數和最重要的質量指標。此外，根據紙種的不同，紙張還包括灰分、厚度、光澤度、平滑度、白度、不透明度、勻度、色度、涂布量等質量指標。為使產品達到規定的質量與性能要求，造紙機需配置紙張質量控制系統 (QCS)。該系統不僅具有各種各樣的紙張質量控制功能，而且將會配置不同的傳感器，以適應紙張質量參數的檢測與控制。無論在國內或國外，客戶均以造紙機是否裝備QCS作為產品訂貨的重要前提條件。

1 紙張質量控制功能

就造紙機自動化方面而言，紙張質量控制包括造紙機縱向 (MD)和造紙機橫向 (CD)的檢測與控制。下面簡單介紹一般造紙機的縱向和橫向基本控制功能。

1.1 造紙機縱向控制

造紙機縱向控制包括:QCS質量顯示或報告軟件;縱向定量、水分解耦控制;絕干量反饋控制;水分控制;網前箱漿網速比控制;烘缸蒸汽自動升降壓控制;協調變換紙種控制;協調變換車速控制。

1.2 造紙機橫向控制

造紙機橫向控制包括:橫向定量控制 (執行機構安裝在唇板或稀釋水管道上);橫向水分控制 (執行機構安裝在網部、壓榨部、干燥部);橫向厚度控制 (執行機構安裝在壓光機);橫向整飾執行器 (執行機構安裝在后干燥部);橫向涂布量執行器 (執行機構安裝在涂布機)。

2 橫向執行器

2.1 橫向定量 (weight)執行器

橫向定量執行器主要包括唇板控制執行器和稀釋水控制閥。

2.1.1 唇板控制執行器

唇板控制執行器安裝在流漿箱的唇口處，通過調節唇板開度來控制紙張橫幅定量，一般采用3點式調節方式，即在加大或縮小某一點唇板開度的同時必須相應調節相鄰唇板開度［1］。某工程選用的唇板控制執行器如圖1所示［2］。

由圖1可知，該執行器主要由伺服電機、線性化裝置、位置傳感器組成。伺服電機控制執行器步進動作，能正轉和反轉。線性化裝置圓筒內壁裝有螺線環形齒輪，能將轉動轉化為直線上升和下降運動，從而實現對唇板開度的調節。該執行器一般帶位置反饋LVDT(Linear Variable Differential Transformer)裝置，該位置反饋分辨率達到0.2μm，操作員可監控執行器的精確定位。

圖1 唇板控制執行器結構圖

2.1.2 稀釋水控制閥

稀釋水控制閥安裝在水力式流漿箱稀釋水管道上，通過調節分區稀釋水 (一般為濃度約0.2%的白水)［3］用量來實現局部調節紙漿濃度。稀釋水用量通過稀釋水閥控制，閥門的開度根據調節點的定量標準偏差來確定。稀釋水調濃技術創造性地提出了濃度調節的新概念，突破了傳統的通過調節唇口彎曲變形來調節造紙機橫幅定量差的方法。

實際工作中，流漿箱中的每個稀釋水閥與掃描架中的每個單元都要一一對應，從而要求均對流漿箱的橫向設備進行校正。上述校正是按“映射”原理進行的動態校正過程，即可把掃描架側“元素集”看作流漿箱側“元素集”的映射。影響該映射的因素主要有唇板寬度、稀釋水閥間距、掃描架與兩個紙邊的距離、紙幅寬度、紙幅的抖動，特別是從網部到卷取的紙幅收縮率等［4］。

另外，由于稀釋水閥的橫向分區要比唇板的微調分區窄得多 (某紙機唇板執行機構間距為197 mm，而稀釋水閥間距為64 mm)，具有更好的橫向濃度分布控制效果，因此在采用稀釋水水力式流漿箱時通常很少采用唇板微調裝置。

如某工程稀釋水控制閥執行機構由專利協和齒輪、交流步進電機及精準位置反饋檢測裝置組成。稀釋水系統執行機構完全智能化，與橫幅稀釋水系統接口柜之間是總線連接，帶快速接頭的總線和電源電纜是預制好的。執行機構可在高溫、高濕和高壓噴水環境下工作。該執行機構方便安裝和容易整定。

流漿箱稀釋水調節原理及特點可參考文獻［5］，其他各種結構形式的流漿箱及其控制在此不再贅述。

2.2 橫向水分 (moisture)執行器

橫向水分執行器主要包括安裝在網部、壓榨部的蒸汽式執行器，安裝在干燥部的噴水式執行器和安裝在后干燥部的蒸汽式執行器。

造紙過程中干燥部對能源的消耗較大。干燥部運行消耗的能源約占紙廠總能源消耗的55%［6］。眾所周知，造紙過程中在上游工段進行脫水比在干燥部容易得多。因此，越來越多的造紙廠商將蒸汽箱安裝在成形部和 (或)壓榨部，作為一種提高干度和改善橫幅分布的有效手段。獲得一個優化的橫幅水分分布曲線的實際意義遠大于純粹的水分控制本身，其對于紙張涂布、表面壓光、卷取、復卷、包卷及切紙線等環節的操作效率和印刷環節運行性能等方面的改善均被業界所認同。安裝在成形部和 (或)壓榨部的蒸汽箱可以橫向分段提高紙張中水的溫度 (一般為20～40℃)，降低水的黏性來改善壓榨部的脫水性能。

工程上應用的某種蒸汽箱為一體化設計，在紙機方向設有3個區，中間噴汽區根據需要對紙張噴射蒸汽從而改變橫幅水分分布，前后區主要防止中間噴汽區蒸汽的泄漏。中間噴汽區在橫向設成若干間隔(如某蒸汽箱為152 mm)，每一間隔設一個執行閥，執行閥的獨特設計將精細調節的蒸汽噴至每一分區。

近幾年，新型蒸汽箱問世并應用在工程上，其技術特點包括:擴散板的優化設計，新的蒸汽噴射系統和密封區提高了熱傳遞效率;采用較低的蒸汽壓力和蒸汽過熱度;新一代設計無需預熱區，提供更好的橫幅調節性能和運行性能;電動執行機構提供100%線性移動，沒有測量滯后。實際位置反饋和在線故障排除功能，檢查時不必將蒸汽箱從紙機中取出［6］。

其他形式的蒸汽箱和安裝在干燥部、后干燥部的橫向水分執行器，在此不一一贅述。

2.3 橫向厚度 (caliper)執行器

眾所周知，壓光的主要目的是獲得光滑的印刷表面，但紙張厚度控制也是壓光的重要作用之一。厚度控制可通過受控傳熱或感應方式加熱或去熱來調節壓光輥的溫度，改變該壓光輥的局部直徑，從而改變兩個相接觸壓光輥的局部間隙。局部間隙改變，工作時其線壓力亦會改變。簡言之，橫向厚度控制由壓光機厚度控制輥局部直徑的熱脹冷縮來實現。

除傳統壓光機外，根據紙種及紙張性能要求不同，還有其他形式壓光機在工程上得到應用，如超級壓光機、帶可控中高輥的軟壓光機等。軟壓光機采取熱硬輥和彈性輥對紙幅進行壓光，壓輥有彈性，紙幅通過壓區時可獲得比較均衡的壓力。軟壓光機的可控中高輥有兩種形式:可控中高浮游輥和分區可控中高輥。分區可控中高輥大多用于大型或較大型高速現代化造紙機。根據紙張橫向厚度分布，可采用橫幅模糊控制算法，精細調節可控中高輥內分區液壓壓力變化來實現紙張橫向厚度控制。其他形式的壓光機厚度控制的工作原理和控制說明在此不再描述。配置這些設備的目的是控制紙張的厚度、改善紙張表面性能，以期獲得紙張橫向各種性能的均一性。

2.4 橫向光澤度 (gloss)執行器

橫向光澤度執行器安裝在壓光機上，一般適用于涂布印刷紙、涂布包裝紙及超級壓光紙。橫向光澤度執行器的參考安裝位置和系統圖見圖2。

橫向光澤度控制要與QCS配合。圖2中橫向光澤度控制系統由紙張正面、反面橫向執行器及其接口站組成。QCS光澤度傳感器提供紙張正面或反面的測量信號，該信號經QCS處理變成數字分區控制設定點信號輸入至執行器接口站微處理器，執行器接口站的分區輸出信號送至執行器對應的分區控制閥，調節該閥開度從而實現精確的分區水蒸氣流量控制。執行器的作用是受控噴射薄的均勻分散的水霧至紙張涂布表面，而紙張本身沒有被加熱。這種方法不會導致紙張厚度減少和由于熱滲透引起紙張兩面光澤度的相互影響。經受控噴霧濕潤的紙張表面通過多輥壓光后能改善紙幅光澤度性能。

某種光澤度執行器的主要數據為:橫向控制區寬度75～150 mm;噴射蒸汽接近飽和蒸汽;噴射蒸汽壓力0～0.1 MPa;噴射蒸汽流量0～37 kg/(h·m);裝置距紙幅間距25～75 mm。

2.5 橫向平滑度 (smoothness)執行器

橫向平滑度執行器安裝在壓光機上，一般應用在機內壓光印刷紙和超級壓光紙。橫向平滑度執行器的參考安裝位置和系統圖見圖3。

橫向平滑度控制也要與QCS配合。圖3中橫向平滑度控制系統由紙張正面、反面橫向執行器及其接口站所組成。從圖3可以看到，掃描架平滑度傳感器、QCS柜、接口站、平滑度執行器構成平滑度控制回路。依據紙張應用性能要求，平滑度控制是壓光前預先在紙張的表面由執行器受控噴射水蒸氣，紙幅表面將被加熱、濕潤從而使纖維變得柔軟。經過橫向平滑度執行器后的紙張再通過壓光機多輥壓光，其效果是改善了紙幅橫向和縱向的平滑度性能。

某種平滑度執行器的主要數據為:橫向控制區寬度75～150 mm;噴射蒸汽接近飽和蒸汽;噴射蒸汽壓力0～0.1 MPa;噴射蒸汽流量0～75 kg/(h·m);噴嘴距紙幅的距離3～13 mm。

利用執行器進行紙張橫向控制的執行器參考位置見圖4。

在此應該指出，各種各樣的紙機，由于產品及其用途不同，紙張的應用性能指標不同，其橫向執行器的配置也不同，故圖4紙張橫向控制執行器位置僅是作為參考或方便討論之用。具體到每臺紙機橫向控制執行器的配置及其安裝位置，要根據紙機及其所生產紙種的需要來確定。

圖2 紙張橫向光澤度執行器安裝位置和系統圖

圖3 紙張橫向平滑度執行器安裝位置和系統圖

圖4 紙張橫向控制執行器位置圖

3 造紙機紙張質量控制功能簡述

3.1 定量、水分解耦控制

定量、水分解耦控制原理見圖5。

一般來說，定量、水分傳感器一起安裝在掃描架上，其測量值反映紙張同一部位的狀況。由于傳感器測量原理及方法等原因，從掃描架檢測出的定量、水分兩個參數信號之間存在較為嚴重的關聯，為得到真實、準確的定量、水分信號，以便于控制系統分別進行定量、水分控制，故需要對定量、水分兩個參數進行解耦控制。解耦實際上是一種多變量的過程控制，其本質是設置一個計算網絡，用它去抵消本來就存在于過程中的關聯。解耦控制設計方法已有文獻介紹 (如參考文獻［7］等)，此處不再贅述。

圖5中，經過定量、水分解耦后得到的定量、水分信號分別作為紙漿流量、蒸汽壓力 (內環)回路的外給定。內環與外環分別構成兩個獨立的定量、水分串級控制回路。

3.2 絕干量反饋控制

絕干量反饋控制原理見圖6。

縱向定量控制執行機構通常為定量閥或者變頻沖漿泵。當采用定量閥時，由QCS定量傳感器檢測定量，經過QCS控制定量閥開關來達到縱向定量控制的目的。定量閥通常由步進電機驅動，其特點是分辨率高、重現性高，可以實現閥門微小、精細的開度變化，且采用緊密與堅固的設計以滿足惡劣環境下的使用。當定量控制采用變頻沖漿泵時，QCS的輸出則作為該沖漿泵變頻器的外給定，通過沖漿泵的速度調節來穩定紙張的定量。

紙張的縱向定量實際上包括串級控制和前饋控制，定量控制本身采用的是增量控制方式，作為外環與成漿流量控制形成串級控制。當定量投入串級時，定量控制器的輸出作為一對增量信號 (增加和減少)來改變流量設定值的大小，流量回路的調節輸出也是一對增量信號來影響定量閥。

成漿濃度有獨立的單回路控制，用以穩定成漿濃度，又作為定量的前饋控制來改變流量的設定值，如當濃度增加時，控制系統將根據濃度的變化量來減小流量的設定值，控制定量閥關小，以達到定量的穩定，而不是等定量發生變化后再來控制上漿流量。

影響縱向定量控制的主要因素除上漿流量、成漿濃度波動外，還與紙機填料、留著率、壓頭、車速和紙張水分有關。

圖5 定量、水分解耦控制原理方框圖

圖6 絕干量反饋控制原理圖

另外，對于紙張主要性能參數為典型被控對象純滯后且時間較長的特點，國內外許多文獻對純滯后補償的控制算法已做了詳細介紹，在此不再贅述。

3.3 水分控制

紙張縱向水分控制通過對干燥部蒸汽壓力 (即溫度)的控制來實現。水分控制原理可參考圖5中的蒸汽壓力和QCS水分控制回路。如前所述，蒸汽壓力 (內環)回路與QCS水分控制回路 (外環)構成水分串級控制。一般而言，紙張水分控制的技術要點一是烘缸組差壓的分程控制和調節閥的正確選擇，二是暖缸升溫的設定和QCS、斷紙、自動或手動的設定。為明確起見，各種信號設定如圖7所示。

圖7中，有關模塊控制功能為:PY1、PY2為低值選擇器，對供汽PC回路的調節器輸出與烘缸預熱升溫輸出作低值選擇;PY3、PY4為比例設定器，根據紙張溫度曲線設置兩烘缸組之間的壓差;HC03模塊實現斷紙時“烘缸蒸汽自動升降壓控制”的功能，詳見本文3.5節描述;當紙機正常運行時，HC01模塊為QCS水分信號輸出，作為整個蒸汽冷凝水系統各烘缸組供汽壓力回路的外給定;HC02模塊為手動或自動操作切換功能。

圖7 紙張水分控制信號給定原理圖

圖8 氣墊式流漿箱控制原理圖

3.4 流漿箱漿網速比控制

流漿箱漿網速比控制見圖8。

氣墊式流漿箱的主要控制參數是總壓和漿位。控制總壓是為了保證穩定的漿網速比以獲得均勻的紙張成形和定量分布，而控制漿位是為了限制流漿箱內纖維的絮聚。總壓和漿位的控制存在一定的關聯影響。壓力式流漿箱的噴漿壓力與其液位和氣墊壓力相關，且液位和氣墊壓力是互有耦合。為獲得較理想的控制效果，對液位和氣墊壓力要解耦，其解耦方法有:采用不變性原理的經典解耦控制算法［8］、自適應解耦算法、仿人智能解耦算法、神經網絡解耦算法、模糊解耦算法［3］。若需深入了解各種解耦算法及其技術特點，可參考文獻［3］、［8］或其他國內外有關文獻介紹。

3.5 烘缸蒸汽自動升降壓控制

蒸汽自動升降壓控制是指紙機在運行過程中突發事件 (如斷紙等)時對烘缸蒸汽壓力加以控制以防止烘缸內積水或過熱。當事件發生時烘缸主蒸汽壓力將自動下降到一個預先設定的設定值，該設定值可以是烘缸蒸汽正常壓力的一個百分數，經過一定延時后，若事件尚未解除，烘缸主蒸汽壓力再次下降到另一預先設定的設定值。當事件消除后烘缸主蒸汽壓力將按預先設定斜率自動恢復到正常的烘缸蒸汽壓力。操作或技術人員可根據需要設定每個被控階段的變化幅度、延時時間、坡變速度和分段數。蒸汽自動升降壓控制原理參考圖見圖9。

圖9是烘缸主蒸汽壓力回路在斷紙時壓力隨時間變化的升降壓曲線圖，其他烘缸組供汽壓力跟隨主蒸汽壓力同時一起變化 (實際上是“按比例”同時給定與跟蹤)。烘缸蒸汽自動升降壓控制有助于縮短事件動作時間快速恢復產品生產。當事件發生時，可以采用蒸汽自動升降壓控制方式，亦可切換到手動操作方式。

3.6 協調變換紙種控制

協調變換紙種控制是調整紙機從一個紙種生產變換到另一個紙種，同時減少紙張質量變化和耗用較少時間。當某個紙種被選擇并運行后，計算機從其內存紙種列表中給出設定點建議，這些數值可以是紙種標準值，或是以前運行過紙種所形成的歷史數值。在自動變換紙種控制畫面上可以顯示所有目標值列表，包括設定點、測量和控制狀態。

圖9 蒸汽自動升降壓控制原理參考圖

操作或技術人員可以自由修改系統提供的目標值，以適應紙機當前的運行情況并提供條件。同樣，系統也提出一些計算信息作為操作或技術人員做出決策的支持。

控制系統為所有控制變量均按順序設定曲線。自動變換紙種能監控參數曲線的進程。當然，一些變量脫離控制或產生故障時，其進程可以暫停或自動中斷。

關鍵變量趨勢顯示頁面上可以監控其變化進程。

協調變換紙種控制系統特點:利用系統內“配方”特點，任一紙種標準或歷史值都儲存在紙種列表里;當下一個紙種被選擇時，系統會從紙種列表中給出目標;在啟動紙種變換前，操作或技術人員可以調整該建議目標;紙種變換所需的時間和變換過程被顯示;監視、顯示特點:提供某個紙種變化的進程信息和儲存結果待稍后分析;自動變換紙種控制配備完整的工具，用于微調、維修和故障處理;控制軟件包通過控制系統標準工程工具組態。

3.7 協調變換車速控制

對于造紙機而言，車速是主要操作參數。改變車速會使多數回路出現擾動從而要求系統做出迅速反應。其典型的調節變量為漿量、流漿箱壓力和蒸汽壓力，有時也包括填料流量和助留劑流量。

如要增加車速，維持定量恒定就要增加漿量。網速開始增加的同時，從流漿箱噴出來的漿料量也要增加。增加的漿料量進入干燥部也要求提高蒸發能力以去除多余的水分。同樣，網速變化亦影響總壓頭的設定點。鑒于生產過程的滯后帶來變量變化 (當這些參數影響紙張時)，這些變量在不同的時間需要調節以響應車速的改變。

協調速度變換使用預先確定的設定路徑。當激活協調速度變換時，將對設定路徑數據進行計算從而建立起設定路徑目標，并讀取數據存入多變量預估控制器MPC(Multivariable Predictive Controller)優化。在工藝運行模式和操作變量設定路徑的基礎上，MPC控制器在考慮所有過程的交互作用后同步調整所有操作參數，并尋找更好的組合方式改進所有操作變量，以按設定點驅動耦合過程輸出。

4 控制功能實現方式

一般而言，紙張質量的縱向、橫向控制功能原來是由QCS實現的。QCS供貨商已開發出較為成熟的應用控制軟件，且有許多令人信服的成功應用實例。經過QCS供貨商一定時間培訓，用戶有關專業技術人員對QCS傳感器的測量原理及其基本控制操作方法也能有較深入的了解，操作或技術人員對QCS系統顯示、操作也基本掌握。但是，近10年來，紙張質量控制功能實現方式有所改變，或許此種應用方式愈來愈多，并將成為以后的應用趨勢。紙張質量控制功能不再僅由QCS實現，而是由造紙機供貨商隨設備提供的造紙機本體控制系統 (MCS)實現，且在某些技術層面有所創新和發展。這是因為:①QCS控制技術已成熟并被造紙機供貨商掌握;②QCS控制功能與MCS、造紙機本體設備，特別與有些橫向控制裝置緊密相關，因而QCS控制功能在MCS實現也許較為有利;③造紙機供貨商對紙張產品性能指標的擔保更易把握和實施;④知名造紙機供貨商通過企業兼并、戰略合作與共同研發可以制造自己品牌的掃描架和水分、定量等傳感器;⑤造紙機供貨商因市場競爭需要必須及時進行技術創新，以加強核心競爭力，保護自己的技術秘密和知識產權;⑥造紙機供貨商經濟利益原因。

下面列出某造紙機供貨商紙張質量控制功能在MCS上實現的實用案例 (綜合2家供貨商的工程供貨合同列出)。該應用案例中造紙機車速2000 m/min，卷取幅寬9800 mm，年產40萬t新聞紙，定量42～52 g/m2。

MCS具備的紙張質量縱向控制包括:紙張質量報告軟件;縱向定量和水分解耦及其控制;絕干漿量反饋控制;灰分、白水濃度 (留著率)控制;流漿箱漿網速比控制;烘缸蒸汽自動升降壓控制;協調變換紙種控制;協調變換車速控制。紙張質量橫向控制包括:位于流送部流漿箱的橫向稀釋水定量控制;位于壓榨部蒸汽箱橫向水分控制;位于烘缸部加濕箱的橫向水分控制;位于壓光機壓光輥 (分區可控中高輥)的橫向厚度控制。

5 結語

世界知名造紙機供貨商現已具備提供成套質量控制系統 (QCS)的硬件和應用軟件，包括有關縱向、橫向控制設備 (有的為第三方配套設備)，并且納入其造紙機本體控制系統 (MCS)的供貨范圍。根據我國工業和信息化部2011年12月發布的《“十二五”產業技術創新規劃》重點領域技術發展方向中的設備制造業條文，已經制定了輕工業要“重點開發大幅寬、高車速造紙成套技術與設備……”的目標。又根據國家發改委2007年10月發布的《造紙產業發展政策》第二十一條制漿造紙裝備研發的要求，應及時追蹤MCS配置紙張質量控制功能的技術動向和發展趨勢，自主研發紙張質量控制功能，或與國內外QCS供貨商進行戰略合作，把其成熟實用、技術先進的紙張質量控制功能植入自主制造的造紙機MCS中，以提升造紙機裝備的技術水平，提高裝備的關鍵核心技術競爭力和成套能力，滿足用戶對大型高速現代化造紙機的需求。

此外還應特別指出，當用戶單獨要求外購 (包括國內和國外)掃描架及必要的紙張質量測量傳感器來裝備自行開發的造紙機或配備自己工程項目造紙機時，要提出造紙機MCS對傳感器的信號技術要求。譬如，對于掃描架主要輸出的定量、水分信號，要求其輸出必須是原始且未經過濾的橫幅絕干定量測量信號和橫幅水分測量信號，其數據盒的數目起碼要大于或等于3倍的橫向執行機構個數。在自行開發造紙機MCS的紙張質量控制功能時，要賦予該控制功能的系統名字和系列號，以確立自己的知識產權利于參與工程項目造紙機設備的投標競爭。

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(責任編輯:劉振華)

W eb Quality Control Function and Its Im plementation

ZHONG Yi－lian
(China BCEL International Engineering Co.，Ltd.，Beijing，100026)
(E－mail:zhongyl@bcel－cn.com)

The MD＆CD basic control functions ofweb quality controlwere introduced，the CD actuator and its location were briefly introduces.The development trend from QCS to MCS for the QCS control function was proposed by the authors.

control function;actuator;QCS;MCS

鐘益聯先生，教授級高級工程師;主要從事制漿造紙及堿回收、自備熱電站、廢水處理工程的過程控制及儀表的咨詢、設計工作。

TS736

A

0254－508X(2014)03－0044－07

2013－12－08(修改稿)