QCS及稀釋水橫幅定量控制系統在生活用紙生產上的應用

莫建軍 綿陽同成智能裝備股份有限公司

QCS及稀釋水橫幅定量控制系統在生活用紙生產上的應用

QCS & Dilution CD Control System for Tissue Production

莫建軍 綿陽同成智能裝備股份有限公司

1 QCS及稀釋水橫幅定量控制系統介紹

1.1 需求是發展的原動力

隨著生活品質的提高，人們對紙品質量要求越來越高，在造紙生產環節，成品中最重要的幾個指標就是紙張的縱向及橫向的定量、水分、厚度、灰分等，其中，定量和水分是生活用紙特別需要關注的。

在QCS出現之前，調節紙張的這幾個指標是通過穩定上漿的濃度和流量去穩定縱向定量，通過穩定蒸汽壓力去穩定水分。但生產中的紙幅定量和水分含量是無法即時得到的，直到一軸原紙生產完畢，把紙樣拿到實驗室去測量，才能得到具體數據，然后根據數據再去調整過程參數。如果發現了問題，那前面生產的整整一軸原紙，是沒有辦法去修正的，甚至可能成為廢品。QCS的出現解決了這一難題，通過在線的定量、水分測量，可以隨時在生產中進行調整。

橫幅方向的指標調節，以真空圓網衛生紙機為例，如果要調整橫幅定量，需要把網籠撤開，按照實驗室數據去一一調校唇口開度。每個部位要調校多少，全憑操作者的經驗。調校完成后，把網籠復位。重新開機并生產一軸原紙后，再實驗室化驗，才能確定唇口調校是否達到效果。這一周期一般需要4h以上，如果效果不好，可能還要反復調校。而小唇板經常調整，會帶來形變，影響其使用壽命，更換價格不菲。

顯然，這種操作方式即無法保證質量，也會影響產量。稀釋水橫向定量控制系統的出現，帶來了革命性的改觀，從QCS獲得當前的橫幅曲線，可在線即時調整，保證了紙張品質，也不會對唇板造成損傷。

1.2 QCS控制系統

1.2.1 工作原理

QCS（Quality Control System），質量控制系統，用來在線對紙張品質進行測量和控制。QCS包括掃描架、傳感器、小車運動控制、數據檢測處理及通訊、過程控制、數據分享等幾個子系統，涵蓋了機械加工、傳動、檢測、控制、數據總線等多種技術，可以說QCS是紙機上技術最復雜，設計要求最高的設備之一。

掃描架子系統是小車往返重復掃描的載體，其加工精度對檢測精度有直接的影響。通常，在架體上使用精密導軌，通過對導軌的精細調整，使得小車在導軌上的運動能夠保持良好的一致性，為檢測打好基礎。

傳感器子系統是QCS的重要組成部分。定量傳感器最常用的是放射源傳感器，通過檢測射線通過紙張后的衰減變化，得到紙張定量的變化。需要注意的，這種傳感器檢測的是既包含纖維量，也包含各種填料的定量值。最常用的放射源種類包括Pm147（半衰期：2.62年，用來檢測低定量的紙頁）和Kr85（半衰期：10.78年，用來檢測中高定量的紙頁）。水分傳感器常用的是紅外水分傳感器和微波水分傳感器，其中紅外傳感器主要測量250g/m2以下的紙頁，而微波水分傳感器測量范圍更廣，根據不同調校，可以涵蓋70g/m2到1,000g/m2甚至更高范圍。在實際應用中，微波水分傳感器對架體精度要求更高，而紅外水分傳感器容錯性更強。

小車運動控制子系統，小車運行要平穩勻速，要及時響應各種位置信號及操作指令，連續運行過程中，位置信號會出現累積誤差，要通過補償技術，消除累積誤差。

數據檢測處理及通訊子系統，一個好的傳感器除了精確測量外，要能夠適應惡劣的生產環境，包括高溫高濕，同時也要具備高速數據處理及通訊能力。中高速衛生紙機大多是600m/min以上，甚至達到2,000m/min，需要傳感器能夠迅速檢測、處理及傳輸。目前，國內外主流QCS大多采用RS485、CAN Bus、Device Net等總線技術。

過程控制子系統，主要用來根據檢測得到的定量、水分等過程值，對定量閥、蒸汽閥門進行控制，需要特別指出的是，這兩種控制都是大滯后控制，普通PID是無能為力的，必須采用斯密斯預估、大林等專門的大滯后控制算法。

數據分享子系統，QCS檢測到的紙張品質數據可以用在DCS控制、橫向控制系統、MES制造執行系統等，所以，要求QCS必須有數據分享能力，目前業界公認的系統間數據交互標準協議是OPC，QCS系統應作為OPC服務器，向外提供數據。

1.2.2 國內應用現狀

QCS系統在上世紀90年代中后期進入國內，當時QCS技術全部控制在國外大公司手中，且售價昂貴，僅有大型造紙企業才有實力使用。進入21世紀，國內自動化企業逐漸發力，綿陽同成、浙大雙元、四川高達等企業紛紛推出自己的QCS產品，國內市場形成了百花齊放的良好競爭態勢。

由于國外大公司的先發優勢，目前，Honeywell、Mesto、Voith等公司仍然把握著高端市場，而國內公司在中低端市場占據主導地位，通過十多年來的發展，國內QCS從檢測精度到產品質量都有了長足進步，也逐漸開始進入高端市場。

從售價上看，國外QCS是國內的2～5倍，配件及服務通常價格達到國內同類配件及服務價格的5～10倍，促使有些企業開始選用國產品牌替代國外品牌，也取得了良好的效果。

從服務上講，國內企業更注重售后服務，希望通過優質的服務贏取客戶，從服務的及時性上要更具優勢，這也是國內品牌逐漸壯大的原因。

目前，QCS在包裝紙、文化紙等領域已經成了標配，但在生活用紙方面，尚未普遍應用，但近年來國內外新開機的高速衛生紙機，QCS越來越得到重視，也逐步開始應用，例如：

● 2006年，福建恒利2800高速衛生紙機投產，配備Metso的QCS；

● 2011年，漯河銀鴿的兩臺5600高速衛生紙機，配備Voith的QCS；

● 2012年，揚州永豐余兩臺2900高速衛生紙機投產，配備QCS；

● 2014年，成都志豪訂購的同成智能高速衛生紙機開機，配備同成智能QCS；

● 2015年，綿陽超蘭訂購的同成智能高速衛生紙機，配備同成智能QCS；

● 2016年，恒安蕪湖紙廠的維美德衛生紙機投產，配備QCS；

● 2016年，廣東理文向Voith訂購了2臺衛生紙機，含Voith QCS。

可以看出，在中高速衛生紙機領域，QCS越來越成為必不可少的關鍵設備，也是未來發展的方向。

1.3 稀釋水橫幅定量控制系統

1.3.1 工作原理

橫幅定量控制的執行機構通常有兩種選擇，唇板調節和稀釋水調節。唇板調節是通過電動頭對紙機唇板開口大小進行微調，從而達到調節定量的作用。稀釋水調節是通過對流漿箱相應分區增加或減少稀釋水的供給，通過對局部紙漿進行調濃來達到調節定量的作用。

相對于唇板調節，稀釋水調節方式分區更精準、應用更靈活，且不會造成唇板的疲勞變形，因此近年來得到快速發展。但是，許多現有生產線的流漿箱并沒有預留稀釋白水混合裝置，如果改造，需要不菲的費用，所以，唇板調節方式在舊紙機改造方面，仍有著不可替代的優勢，而且也能達到較好的使用效果。對衛生紙機來說，由于衛生紙機的特殊構造，稀釋水調節方式是唯一選項。

稀釋水橫幅定量控制系統通過從QCS取得定量或絕干定量的橫幅數據，根據事先建立好的映射模型，把數據映射到對應分區，根據大滯后控制算法，計算出稀釋水閥門開度，輸出到閥門，進行定量大小調節。其中，映射是做好稀釋水控制的第一個關鍵問題，由于水針位置是經常變化的，再加上網的漿流一直隨著網布左右擺動，根據不同定量的紙品，其烘缸的干燥能力是不同的，這就造成了不同紙品，紙頁的收縮率是不一樣的，諸多因素造成了生產過程中的映射關系是一直在變化的。因此，一個好的映射模型，不僅要反映靜態映射關系，還要適應上述因素發生變化時的動態變化，即動態映射。

稀釋水系統需要解決的第二個問題是分區間的耦合關系，由于每一個分區的漿流從唇口噴射上網時，呈傘狀擴散，因此，當某一個分區調節時，其左右相鄰的1～4個分區都會受到影響，如果兩個相鄰分區，一個開閥，一個關閥，那么其實際效果其實是相互抵消的，這時，如果沒有一個好的解耦算法，肯定無法達到控制目的。

第三個需要解決的問題是橫幅曲線的縱向分離。QCS小車在往返重復掃描時，紙頁也在不斷前進，所以，小車在紙頁上掃描的軌跡是“之”字型的。因此，稀釋水系統從QCS接受到的曲線同時包含了橫向和縱向的信息。其中，縱向信息對于橫向控制來說，完全是干擾因素，因此需要濾除掉，雖然完全濾掉是不可能的，但一個好的算法，能夠最大限度地濾除縱向信息，保留橫向信息，為橫幅控制創造好的條件。

以上幾個問題是做好稀釋水橫幅控制系統的關鍵，針對這幾個問題，不同自動化廠家的解決方法不盡相同，但殊途同歸，好的控制效果是最終目標，也是檢驗系統成功與否的唯一標準。

1.3.2 國內應用現狀

隨著我國制造業不斷進步，紙張品質要求越來越高，稀釋水橫幅定量控制系統得到越來越廣泛的應用，特別是在文化紙、紙板、特種紙等，近年來，稀釋水控制系統已經成了新紙機的標配，許多現有紙機也紛紛進行改造，引入稀釋水控制。

由于一些關鍵技術難度較大，目前，在稀釋水控制系統領域，國外大公司仍然占據了主導地位，Honeywell、Mesto、Voith等都有自己的稀釋水系統，盡管這些國外大公司的稀釋水系統有著良好的控制效果，但過高的價格限制了其在國內的應用（單個閥門的價格是國內3倍以上，整個系統價格也在3倍以上），再加上高額的售后服務費及備品備件費用，讓許多紙廠難以承受。

近年來，國內自動化及造紙裝備企業也在這一領域開展了鍥而不舍的研究，許多單位也取得了進展。河南大指裝備、杭州美辰、浙大雙元等都推出了自己的稀釋水系統，也都有相應的產品在市場推廣應用。

同成智能裝備股份有限公司早在2008年，就開始了稀釋水橫幅定量控制系統的研發，經過刻苦攻關，于2010年推出第一代稀釋水橫幅定量控制系統，迄今已經發展到第三代，配合同成自主研發的高精度閥門，可以做到真正完善的自動控制。過去幾年來，綿陽同成智能裝備股份有限公司成功安裝調試了五十多套稀釋水橫幅定量控制系統，均取得了良好的效果。

在生活用紙領域，稀釋水的普及也同樣落后于其他領域。但衛生紙機較其他類型紙機更需要稀釋水系統，這是因為普通紙機流漿箱均配備有唇板開度手調裝置，發現橫幅有問題，可以迅速調整，而衛生紙機由于其特殊構造，需要停機才能調整，非常不方便，因此一套可以全天24h，全年無休的稀釋水控制系統，可以保證紙機穩定高效地出產優質紙品。鑒于這一發展趨勢，目前，各大造紙裝備企業新推出的系統均配備了稀釋水控制系統或預留了稀釋水閥門接口：

● 意大利Toscotec的AHEAD-2.0S型衛生紙機配備了稀釋水系統接口；

● 美卓在2012年為土耳其Hayat Kimya A.S.公司提供的Advantage DCT 200 TS型衛生紙機，實現2,210m/min速持續運轉24h，打破當時的世界記錄，該紙機配備了Mesto IQ稀釋水控制系統；

● 安德里茨2015年向太陽紙業提供的PrimeLimeTM W8型衛生紙機，配備了PrimeFlow帶稀釋水控制系統的雙層流漿箱；

● 同成智能裝備2014年向成都志豪、2015向綿陽超蘭提供的PO-I型真空圓網高速衛生紙機，均配備了自有的QCS和稀釋水控制系統。

預計在未來5～10年，稀釋水控制系統必將更為廣泛地應用于中高速衛生紙機。

1.4 稀釋水閥

1.4.1 稀釋水閥的類型和選用

稀釋水控制系統的執行機構是稀釋水閥，稀釋水閥門分為兩類：直行程和角行程兩種。相對來說，直行程閥門精度更高，線性度更好（線性度是指閥門開度和通過流量的比值，線性度好的閥門，該值應該是一條直線，在這方面，直行程的閥門具備天然優勢），理論上控制效果更好。但其缺點也很明顯：體積大，占用空間大，價格高；而角行程閥門體積可以做得更小，安裝排布更方便，同時，價格比直行程閥門更具優勢。

因為稀釋水閥在整個系統成本的占比極高，目前各主流廠家的發展重點都是角行程閥門，通過對閥芯的特殊設計來提高線性度，以及高性能嵌入式系統的應用，使用更好的控制補償算法，使得角行程閥門在精度上越來越接近直線行程閥門，目前，好的角行程稀釋水閥可以輕松達到1/1,000的精度，線性度接近直行程閥門，完全可以滿足稀釋水系統的控制需要，而售價比直行程閥門更低，大大降低了使用門檻。

1.4.2 稀釋水閥的幾個注意事項

第一，選擇閥門時要注意，稀釋水閥門必須是關不死的，閥門開度到0時，物理上必須還要保證一個小的開度。這是因為一旦全部關死，漿流會在閥門內部絮聚，時間長了，漿團干結在閥門內壁，造成堵塞，這種情況下不僅無法開關閥門，更容易造成閥門電機的燒毀。

第二，1/200的精度是系統可以接受的下線，低于這個精度，會對控制效果造成影響。

第三，閥門工作在流漿箱處，環境溫度高、濕度大，因此要求閥門具備良好的密閉性，能夠防水防潮。

1.4.3 閥門和系統的通訊

一套稀釋水系統，需要用到很多閥門，少則三五十臺，多則上百臺，這么多閥門一起工作，如果使用傳統的直驅方式連接，需要配備大量的I/O口及驅動裝置，不僅增加了成本，也會增加復雜度，可靠性也受到影響。因此，發展總線式智能閥門是最好的方案。

每一個智能閥門內部都有一套微型控制系統，通過總線接收上位系統發來的開度命令，驅動閥門動作，同時把當前閥門位置信號上報給上位系統，除此之外，還要監視閥門的工作狀態，將閥門狀態及異常診斷信息報給上位系統。

智能閥門一般通過總線方式和上位系統通訊，主要采用RS485方式或CAN總線方式。RS485方式屬于傳統的串行總線，通常采用半雙工工作方式，網絡支持32個節點，一個總線上同時只能有一個設備處于發送狀態，因此一般采取輪詢的工作方式，即上位系統是主站，網絡內各個閥門是從站，主站對網絡內的閥門按順序進行輪詢，如果系統超過32個閥門，可以增加第二、第三網段。這種輪詢方式最大的問題是通訊速度受影響，我們連接過國內某家公司的稀釋水閥門，就是采用這種方式，系統總共81個閥門，一組開度指令下發后，需要等20s的時間，閥門才能全部接收指令，執行動作。對于本身就是大滯后的橫幅定量控制來說，閥門動作時間的滯后疊加，當然會給控制也會帶來不利影響。

另一種方式是CAN總線（或基于CAN總線的DeviceNet），CAN總線也屬于串行通訊，但它采用了獨特的報文傳輸協議和仲裁機制，支持多主站，網絡內每一個節點都是平等的，單一網段最大支持110個節點，具備比RS485更高的總線利用率和數據傳輸率，鑒于這些優點，CAN總線更適合用于節點眾多的稀釋水閥門的組網，使用CAN總線，128個閥門的稀釋水系統和上位系統的通訊在1s內可以完成一次開度設定和閥位反饋，可以很好地把上位系統的開度信號快速地下傳到各個閥門，實施控制。

1.5 稀釋水橫幅定量控制系統和QCS的連接

1.5.1 數據通訊

稀釋水系統需要從QCS獲取定量橫幅信號才能形成完整的閉環控制，如果稀釋水和QCS兩個系統是同一家公司的產品，通訊肯定不是問題。但也有不少廠家，兩套產品選自不同的供應商，這時，系統間通訊是必須要解決的。

目前，最普及的通訊協議是OPC，這是系統間通訊的國際標準，OPC致力于為不同供應商的設備之間提供統一的數據交換接口，可以提供不依賴于特定開發語言和開發環境的可靠數據連接，因此被廣泛應用于自動化領域。需要注意的是，根據OPC規范，數據的生產者要作為OPC服務器，數據的使用者應該是OPC客戶端，在QCS-稀釋水系統中，QCS作為數據的生產者，應該提供OPC服務器接口，而稀釋水系統作為OPC客戶端從QCS獲取數據。

1.5.2 對QCS的幾點要求

要做好稀釋水控制，QCS必須要做到以下幾點：

● QCS要具備OPC服務器接口；

● 通過OPC接口對外提供橫幅數據；

● 通過OPC接口對外提供車速、紙邊、斷紙等輔助信息；

● QCS本身要具備良好的重復性，也就是正反兩趟的掃描要一致，同時，長時間運行，小車物理位置不應該發生漂移；

● QCS要提供原始橫幅曲線；

● 原始曲線應有足夠的數據點數，一般在400以上。

上述要求，很多QCS供應商的產品是無法滿足的，因此，如果想要在后期增加稀釋水控制系統，需要在QCS的選擇上做好把關。

2 其他事項

衛生紙機設計的幾點要求

● 做好預留設計

衛生紙機設計較為緊湊，如果不事先預留空間，后期加裝QCS掃描架會非常麻煩，建議設計時，在卷曲前留出1米的縱向空間，為后期加裝QCS做準備。

如果有可能，盡量選購帶稀釋水接口的水力式流漿箱，會為以后加裝稀釋水系統提供條件，如果沒有稀釋水接口，后期要對流漿箱進行改造，不僅麻煩，也會增加不菲的費用。

● 接口兼容性

如果準備實施稀釋水控制系統，在選取QCS時要注意1.5.2的所列要求。

3 QCS及稀釋水橫幅定量系統的未來發展

無源化QCS

前文講到，衛生紙機通常采用Pm147放射源傳感器測量定量。近年來，國家對放射源的管理越來越嚴格，每一枚放射源的移轉都要辦理放射源轉移手續，對紙廠來說，辦理這個手續還要進行環保部門的環評，手續繁多。在使用過程中，QCS的維護和操作者要進行劑量檢測和定時上報，企業要定期為這些人提供特殊行業體檢服務。況且，由于Pm147半衰期短，一枚放射源用不了5年就要重新更換，且價格很貴，因此無源化的定量傳感器需求越來越迫切。

目前，最可靠的無源化定量檢測手段是紅外方式，其原理是采集兩種不同波段的紅外光，一種對纖維敏感，一種對纖維不敏感，通過比較計算得到需要的定量數據。通常這種測量方式可以把水分和定量傳感器做到一起。根據同成智能裝備的不懈努力，目前紅外定量水分傳感器在檢測精度上，已經能夠和傳統的放射源傳感器相媲美，使用紅外定量傳感器的QCS系統目前也已經成功商用。

稀釋水系統無人值守及智能化映射

稀釋水系統要在以下幾個方面努力，從而做到無人值守：

● 邊緣手動分區的“自動控制”；

● 自適應水針位置。

映射模型的建立是稀釋水系統最復雜的操作，對于紙廠的維護人員來說，也是最頭疼的事，通常還需要求助供應商的幫助，如何把這一操作化繁為簡，讓現場能夠輕松快捷地自己完成映射模型的建立，是很重要的。

在這兩個領域，同成智能裝備做了大量的研究工作，已經實現了無人值守及智能化映射，在好用、易用兩個方面，為客戶提供了良好的使用體驗。