高速纸机自动化控制的研发与集成

高速纸机自动化控制的研发与集成
白云飞
河南省江河纸业有限责任公司河南焦作454950
内容摘要：纸机的大型化、高速化、自动化带来的规模化生产将显著提高生产效率和经济效益，是造纸行业发展的必然方向。

这对纸机装备的设计、制造和工艺条件，特别对控制技术，提出了更高更新的要求。

关键词：过程集散控制系统（DCS+MCS）；电气传动控制-DS系统；智断纸能马达控制系统(MCC)；质量控制系统（QCS）；纸病检测系统（WIS）；断纸检测分析系统(WMS)
R & D and integration of high-speed paper machine automation control
Bai Yun Fei
Henan Province Jianghe Paper Co., Ltd. Jiaozuo Henan 454950 Summary :Papermaking machine large, high-speed, automated large-scale production will significantly improve production efficiency and economic benefits, That will be Inevitable trend of development of paper industry. Machine and equipment design, manufacturing and process conditions, in particular, the control technology proposed higher update request.
Keyword:Distributed control system; Motor control system;Electric drive control;Motor control center; Quality control system; Windows intelligent system; Paper machine condition monitoring and analysis system
高速造纸机生产系统全套高端自动化控制的关键技术主要有：在高速宽幅条件下的高端过程集散控制系统（DCS+MCS）；高速造纸机的电气传动控制-DS系统,智能马达控制系统(MCC)；在线质量控制系统（QCS）；纸病检测系统（WIS）；断纸检测分析系统(WMS)等。

（1） 高速造纸机高端过程集散控制系统（DCS ＋MCS ）
高速纸机的高端过程集散控制系统实现整个造纸工艺的高度自动化，满足高稳定性、高可靠性、高环境适应性、高智能化要求。

纸机上一套完整的过程控制系统将包含配浆的控制，上浆系统，白水系统的控制，真空系统的控制、损纸系统的控制，蒸汽冷凝水系统的控制，暖通系统的控制，施胶机上料站的控制，涂料制备的控制等。

高速造纸机的DCS 控制系统对物理量的控制大体包括盘磨机的恒能耗控制，流浆箱的流速，浆网速比和压力的控制、润滑油循环的控制、压榨部线压力的控制、网部的摇振和移动喷水的控制、网和毛毯的纠偏控制、断纸系统的检测及联锁控制，压光机的热油控制，靴辊，中心辊及压榨部的润滑液压控制，施胶机，压光机，卷纸机的液压及气动系统控制等。

DCS 控制系统结构如图示：
DCS 控制系统包括三大部分：带I/O 接口的控制器、通讯网络和Ethernet 10Base-T 智能MCC 室&REMO TE I/O 涂料 操作台 抄纸 操作台 DCS 控制柜室 至办公区域 抄纸 操作台 抄纸 操作台 打浆 操作台 打浆 操作台 Ethernet 10Base-T OR PROFIBUS DP
人机界面。

人机界面不但有为操作人员设的操作站、还要有工程师站和历史站。

控制器I/O模块和现场仪表相联接，一般装配在DCS控制柜内。

操作站在主操作室内，通讯电缆把这两部分联成系统。

所以DCS系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，在从上到下的树状拓扑大系统中，通讯(Communication)是关健，综合集成计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便等。

在高速造纸机高端过程集散控制系统（DCS＋MCS）中，重点研究以下几个方面。

A.盘式磨浆机的恒能耗控制技术
该控制系统硬件部分主要由电磁流量计，浓度变送器，功率传感器，DCS控制系统，液压进退刀装置组成。

软件部分有盘式磨浆机控制专用软件包，具有准确的恒能耗计算控制功能，以及浓度，流量检测补偿功能，有恒功能输出控制模式和恒能耗控制模式可选择，并有完善的自诊断界面。

B.全自动配浆控制技术
全自动配浆控制系统，主控制器为打浆DCS系统的处理器，利用其I/O接口组件，和现场各种配浆的浆管上安装双频电磁流量计，外旋式浓度变送器，相应的流量自动调节阀等自控设备和连接，组成一套完整的控制系统。

C.靴式宽区压榨控制技术
靴式宽区压榨控制部分，在硬件上，装配有检测靴套移动的涡流式位移传感器，靴套动作的小型液压缸，靴套与靴板间润滑油的流量检测开关和压力传感器，靴板加载的活塞油缸，PT100温度传感器等自控装置，和靴辊的油站控制系统一起，通过DCS控制系统的I/O接
口模块，利用DCS强大的调节功能，来加以控制，满足生产需要。

D.无绳引纸控制技术
高速纸机的引纸过程，分为三段控制，a、从压榨到前干尾部。

b、从前干尾部到后干尾部。

C、从后干尾部到卷取。

从压榨部到前干尾部的引纸系统主要设备部分包括：湿部的可移动高压引纸水针，引纸头切刀，真空引纸传送带，烘干部的真空缸，纸幅稳定器及刮刀背上的引纸吹风管等。

自控部分主要为引纸控制软件。

通过各种吹风电磁阀，配合断纸检测系统的断纸报警，由引纸系统专用软件自动完成一系列的引纸程序。

其他二段控制类同。

E.卷纸机的自动换卷控制技术
组成部分有液压组件及油站系统，机架上的非接触式位置感应开关，检测一次臂转动和二次臂转动的角度传感器等，现场安装大屏幕人机界面，配以完善的全自动卷纸机专用控制软件包，完善的自诊断功能，专用的手动维护操作模式，让卷纸机能高效的运行。

专用的控制软件包控制功能包括：储轴架控制，下降臂的控制，锁紧器的控制，一次臂的控制，鹅颈换卷的控制，二次臂的控制，制动器的控制。

（2）高速造纸机的电气传动控制-DS系统
由于高速纸机在1200～1500米/分的高速下运行，电气传动各部分的匹配精度，要比一般造纸机高一个数量级。

所以高速纸机电气传动控制的合理配置，是纸机稳定运行的基本前提。

由于运行车速比较高、纸页单位时间产生的纵向伸缩比就很大，这就对传动控制系统提出了更高的要求，整个系统不仅要做到快速响应、高精确、稳定可靠地运行，并且必须具备很好的矢量控制功能和惯量补偿功能。

根据目前世界上最先进的交流调速技术的发展情况，本项目应采用公共直流母线+矢量变频调速技术。

高速纸机通讯系统一般都采用Profibus Dp总线通讯，通过电缆连接各个传动点数字逆变器，现场操作站，主控制PLC，传动上位机，并通过本身配置的标准网络接口，可通过以太网，与DCS系统，QCS 系统组网，向上延申至管理层监控系统。

（3）高速纸机的智能马达控制(智能MCC)
研究在传统的MCC中植入智能传感器和执行机构；实现传统MCC 顺利向智能MCC技术交接，使智能MCC成为一个设备级的自动化控制系统。

与主控制器之间通过现场总线进行数据和信息的传输和交换，对受控设备进行实时控制和监视，从而实现系统的网络化控制和网络化管理。

（4）高速造纸机在线质量控制系统（QCS）
由于造纸机在高速宽幅条件下运行，给在线质量控制带来前所未有的困难，主要是检测难、建模难、控制难、运行难。

所以，QCS 是整个造纸机控制系统的核心和关键。

它的主要组成结构为扫描架，各种传感器，PLC柜，操作站和现场仪表和调节机构组成。

QCS的作用是对纸页的定量、水份、灰份、厚度、灰分，白度、光泽度、平滑度、透明度、涂布量等物理指标进行在线测量和控制。

其控制又分为横向控制和纵向控制，它涉及到最新的传感器技术、模数转换技术、网络传输技术、实时数据处理技术、高级算法技术、图形可视化技术等。

自从纸机上采用在线质量控制以来，QCS就一直在不断创新以满足造纸机更快、更宽、更准的要求。

技术最难点是传感器技术，一般是采用非接触、非破坏的间接测量方法。

如定量测量普遍采用β射线或γ射线的质量吸收原理：射线穿过纸页时，会被其中的纤维和水分等物质部分吸收，吸收的比例与物质的质量和其质量吸收系数的乘积成负指数关系。

通过测量透过纸页的射线强度，可以计算出纸页的定量。

水分、灰份的测量也是采用类似的原理，只是采用了不同的射线，如水分一般采用近红外线（波长 1.8-2.1um）、灰份一般采用X光作射源。

除传感器技术之外，建立数学模型和快速实时数据处理技术也是QCS系统的难点，近年来由于相关学科的发展加上
本项目组的努力，这些问题一定能够得到彻底的解决。

再一个技术难点就是精确控制技术，本项目将研究开发智能解耦控制算法、预测控制算法和智能鲁棒控制算法实现高速宽幅纸机定量、水份等物理指标的高精度控制。

（5）纸病快速检测系统（WIS）
纸病快速检测系统（WIS）一般安装在造纸机的成纸分部。

主要有机架，光源和摄象机，用光电编码器测速，与工业控制电脑，显示器，报警单元组成，用来检测和记录纸页上的孔洞、脏/污点、水滴/油滴印记、条纹、破损、边缘裂缝、漏涂、皱折、刮痕、暗斑、亮斑、边缘破损、压光裂损、瑕疵、腐浆洞、长条纹、黑点、尘埃、亮癍、暗癍和烂边等常见纸病以及其他外观上的暇疵.
（6）断纸监测系统（WMS）
断纸监测系统也叫纸机生产状况监测分析系统。

它的主要组成部分包括：高速数字摄像机（为了能够达到高速运动下抓拍到理想的图像，选用高速相机，曝光时间要求在1/1000 秒之内完成），CCS 视觉专用高亮光源，图形处理单元，主操作台，以及实时监视器。

采用高性能通用图像处理算法软件包，利用最先进的CCD成像技术和图形处理技术，帮助工艺人员发现肉眼不可能发现的纸面及纸机运行部件间问题。

（7）全自动高速复卷机控制系统
研究车速超过2000m/min复卷机传动控制系统。

包括放卷张力控制、前后底辊卷取力控制、压纸辊压力控制及全自动换卷控制。

研究高速复卷时的安全防护与振动测量分析。

研究不同纸种所适应的张力、卷取力与压力，制定完善的配方选项。

A.传动控制系统：全自动高速复卷机传动系统方案为：交流供电母
线+全数字四象限直流调速器+直流电机+光电编码器，来实现
2500m/min的高速度平稳运行。

并通过profibus-dp总线与PLC，人机界面通讯，来实现传动系统的速度，张力和转矩控制，传动点共有五个，分别为退纸辊，分切刀，压纸辊，底辊和皮带辊，其控制原理如下所述：
●退纸辊与张力传感器构成张力闭环调节，工作在张力状态，退纸
辊按照设定的张力运行，随着原纸卷直径的减少，车速会自动降下来。

操作侧退纸架可以前后移动10mm，这样就可以均衡操作侧和传动侧的张力差。

退纸架还可以左右摆动，摆动的幅度为50mm，来自原纸卷的局部厚度差异就可以在较宽的范围内得到平衡。

退纸辊的控制预设有张力保护功能，即张力太小或张力为零时，会自动切换到复卷机主速度模式。

●底辊速度为复卷机主速度，其决定了复卷机车速的快慢及产能。

●分切刀走速度控制，线速度要稍快于底辊，目的是让纸张在通过
分切刀时，能快速分切。

●皮带辊工作在转矩模式，与底辊是主从关系，以底辊的实际转矩
为给定转矩，以底辊的实际速度为限幅速度。

●压纸辊也工作在速度状态，不过，却采用了drooping的速度模
式，这样，压纸辊既能与主速度吻合，又具备比较软的机械特性，确保卷纸机能高质量运行。

B.PLC控制系统
采用高度集成的PLC控制系统，人性化的人机界面。

丰富的功能选项，主要包括了速度的设定与显示、纸幅张力控制、皮带床的皮带张力控制、直径设定与检测，压纸辊的压力和震动调节、纸芯顶针的控制，舒展辊的角度控制，分切刀水平自动定位、切纸除尘功能控制，全自动换卷功能、原纸辊的横向摆动及卷径检测，复卷纸种配方选择、过程曲线记录、历史数据保存等功能。

而且还有完善的故障
帮助菜单，让操作人员在故障第一时间，通过翻阅故障信息，就能了解到故障的原因及相关的联锁条件，以及应该采取的措施，可让操作人员以最快捷的速度，排除一些简单故障，实现正常生产。

综上所述，全系统综合集成将高速条件下造纸生产系统的盘磨、配浆、压榨、引纸、卷取、传动等六项关键控制技术，以及DCS、MCS、WMS、QCS、WIS等五大系统进行综合集成，形成一套各子系统既可以独立运行、又统一协调、全局优化的高端自动化控制系统。