一流的绝干浆量控制方法

     作者：郑晓蒙

    一种国产高速卫生纸机流送系统控制方案内容简介。

    纸机浆料流送是指浆料经上浆泵（或送浆泵）、高位箱、压力筛，最后经流浆箱将抄前池中的浆料均匀喷向网部的过程。流送系统是抄纸过程中十分重要的部分，其主要功能包括将浆料和化学品均匀混合，除去杂质、空气、纤维及絮聚物，保证进入流浆箱浆料浓度、流量、压力的稳定等，其控制效果决定纸张成形质量，控制难度较大。尤其在纸张定量控制方面，一般高速卫生纸机定量为10—20g/m2左右，车速高于800 m/min，具有定量小，车速高的特点。在应用常规QCS系统时，循环扫描架容易造成断纸，而定点扫描时无法保证横幅定量的均匀稳定，具有较大局限性，所以无法得到较好的控制效果。因此在保证水分控制恒定的情况下，提出了调节绝干浆量的控制方案。

    本文详细介绍了国产高速卫生纸机流送系统工艺，分析控制难点，完成控制点配置，并提出了一种基于模糊PID复合控制绝干浆量的控制策略。

    1  流送系统工艺流程及测控点的配置

    纸浆在制浆车间制成后，输送并存储于成浆池。成浆泵将成浆池的浆料送到抄纸车间的抄前池。经过二次调浓后，浓度稳定的浆料经过抄前池出口处的上浆泵进入高位箱，浆料从高位箱出来后，在冲浆泵前与机外白水池的白水混合稀释后，在冲浆泵中靠冲浆泵叶轮的旋转离心作用，充分分散纤维后由冲浆泵送人压力筛。经过压力筛除去纤维团的浆料最终进入流浆箱，经由流浆箱出口喷向网部，整个流送系统的工艺流程如图1所示。

    根据流送系统工艺流程，按顺序依次设置控制点。

    1.1 -级调浓

    浓度调节是整个流送系统中比较重要的控制点，本系统采用两级调浓的控制方式进行调节，以稳定纸浆的浓度，防止纸张定量波动，保证纸机能够连续稳定地工作。第一级调浓设置在成浆池出口位置，通过美卓浓度计测量成浆池出口处浆料浓度，以此为参考来控制白水管上的电动阀，调节白水的加入量，得到理想的浆料浓度。第一级调浓为初步粗调。

    1.2抄前池液位控制

    从成浆池流出经过一级调浓的纸浆被打人抄前池，抄前池的液位过低时将不能为后续抄造提供浆料，液位过高时则可能发生浆料溢出，造成浪费，因此需要对抄前池液位进行控制。本系统通过在抄前池安装液位变送器来检测抄前池液位，并根据所检测的液位采用变频器控制的成浆泵使抄前池液位保持一个恒定数值。

        1.3二级调浓

    抄前池浆料经过一级调浓后浓度基本稳定，但是抄前池的浆料经过上浆泵直接进入高位箱，进而流人流浆箱中，即抄前池出口处浓度将直接影响纸张的质量，所以需要在此处进行二次调浓，调浓方式与一级调浓相同。

1.4流量控制

    从高位箱流下的纸浆与机外白水池的白水混合后进入冲浆泵，纸浆流量直接影响抄纸定量，因此需要在高位箱下管段进行流量控制。流量是流送系统中比较难控制的，不同的纸浆性质将会对流量计算造成影响，除此之外，高位箱液位的波动对流量检测值也有较大影响。本系统采用上海恒河电磁流量计检测流量，并使用高精度电动阀作为执行机构，控制浆料流量。

    1.5机外白水池液位控制

    机外白水池液位通过液位变送器进行检测，控制电动阀调节流入机外白水池白水的流量，使液位保持在相对稳定的位置。

    (6)泵筛连锁控制。在整个系统启动上浆时，系统中每个电机都按照固定顺序进行启动，依次启动上浆泵、压力筛、冲浆泵。系统以自动或手动的方式启动。当处于自动启动状态时，不同电机将会按照已经设置的顺序，相隔一定时间依次启动。当处于手动状态时，可以根据现场实际需要启动各电机，手动状态加入了连锁保护，防止用户错误操作。

    2控制策略及算法

    在本系统中，大部分单回路控制采用PID控制就可以得到较好的控制效果，只有在绝干浆量控制时对控制效果要求较高，无法采用常规PID控制得到满意的控制效果，其他控制回路都是简单的单回路或者数字量的逻辑顺序控制，此处不再赘述。以下着重讨论绝干浆量控制算法。本文将采用基于模糊PID复合控制方法对绝干浆量进行控制。

    2.1模糊PID复合控制

    模糊PID复合控制不依赖于被控对象数学模型，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，又引入了PID控制稳态性好、无静差的优点，具有良好的控制效果。为了克服常规复合模糊控制在控制算法切换时产生控制效果不佳的缺点，采用了梯形隶属函数的切换算法，克服常规复合控制的这一缺点，隶属度函数如图2所示。改变图2中a、b的大小可以调整输出强度，梯形隶属度函数根据偏差e的大小调节系统中模糊控制于PID控制的控制强度，控制器最终输出强度采用加权平均法计算，见式(1)。

    式中，U为系统输出强度，UPID为控制器输出强度，Ufuzzy为模糊控制器输出强度。控制器示意图如图3所示。

    模糊控制器采用双输入单输出的二维增强型模糊控制器，输入分别为设定值与检测值的偏差e以及偏差的变化率，输出为Δu。对应的模糊语言为E，及U，在论域上定义7个模糊子集．记做{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分属于模糊集合{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，隶属度函数选用三角形隶属度函数，采用Mamdani推理方法，使用加权平均法进行解模糊，模糊规则如表1所示。

    根据经验，确定量化因子Ke=3，KΔe=3，比例因子Ku=0.6，切换隶属度函数参数a=l，b=0.5。仿真结果如图4所示。

    从图4可以明显看出，与常规PID相比，采用模糊PID复合算法有效地抑制了系统的超调，加快了系统响应速度，并且克服了常规模糊控制存在静差的缺点，提高了稳态控制精度，具有良好的控制效果。

    2.2绝干浆量控制

    绝干浆量指单位面积纸张中所含纤维的绝干质量，具体计算见式(2)。    

    式中，D为绝干浆量，kg/h;F为流量，m3/h,C为浓度，%，这里假设上网密度和水的密度相同，即k=1.0×l03 kg/m3。

    绝干浆量是影响最终成品质量的重要指标，对控制的精确性要求较高，而当应用QCS系统时循环扫描架容易造成断纸，影响连续生产，定点扫描架又无法保证横向定量稳定，因此采用先进控制算法来保证绝干浆量的稳定性十分必要。本文基于模糊PID复合控制方法设计控制方案如图5所示。其中Fsv(s)、Csv(s)分别表示流量和浓度设定值，Fpv(s)、Cpv(s)分别表示流量和浓度检测值，GF(S)、CC(S)分别表示流量和浓度控制对象。控制思想是通过模糊PID复合控制器对流量与浓度回路进行控制，在保证浓度一定的前提下，调节流量回路，从而达到对绝干浆量的控制，调节纸张最终定量，经实际检验，控制效果良好。

    2.3硬件及软件组成

    本控制系统由操作员站、工程师站和以西门子S7-315 PLC为主控制单元的现场控制站组成。三者之间以MPI网络连接，网络与纸厂其他工段相连形成全厂的集成自动化系统。根据系统测控点的配置可以统计出输入输出点共需要模拟量输入6路，模拟量输出3路，数字量输入13路，数字量输出13路。因此共需要1个AI模块(SM331)、1个AO模块( SM332)、1个DI模块(SM321)、1个DO模块( SM322)。本系统在西门子的STEP7+ WinCC软件平

台上开发而成。控制算法采用STEP7语言编写，下载到下位PLC中，上位人机接口界面过WinCC软件组态完成。

    3结语

    针对国产高速卫生纸机浆料流送系统提出了整体控制方案，针对系统中绝干浆量的控制进行了具体介绍，提出了基于模糊PID复合控制算法的控制方案，并与纸机其他部分控制系统通信组成DCS系统。该系统已于2013年8月在四川乐山某纸厂投入运行，控制效果良好。

    4评述：

    详细介绍了国产高速卫生纸机浆料流送系统工艺及主要控制点的配置，针对高速卫生纸机定量控制特点，基于模糊PID复合控制算法提出一种流送系统控制方案。实际应用效果证明本方案的有效性和可行性。