景曉渝

（寶雞職業(yè)技術學院電子信息工程系，陜西寶雞721013）

1 引言

打漿過程是制漿造紙過程中極為重要的一個環(huán)節(jié)。由于原料多種多樣，打漿過程中也存在許多擾動，這些因素都會影響成漿質量的穩(wěn)定性，因此有必要對打漿過程進行自動控制。盤磨是主要的打漿設備，對其進行自動控制直接影響著整個生產過程。目前，國內多家紙廠引進了不同生產能力的生產線，其共同特點是高濃磨漿。提高磨漿機的控制性能和自我保護能力是目前企業(yè)關心的熱點問題。某紙廠引進一條APMP楊木化學機械漿生產線，是目前世界上工藝控制比較先進的系統(tǒng)，自動化程度較高，配備了兩段壓力盤磨，能耗低，得率高［1、2］。

2 盤磨控制

2.1 控制原理

在控制紙漿濃度和流量穩(wěn)定的基礎上，通過打漿設備主電機功率傳感器的檢測，動態(tài)地調節(jié)打漿設備的刀距從而實現(xiàn)對錐形磨漿機的控制［3］。

圖1 盤磨機進退刀邏輯控制圖

磨漿機的進退刀邏輯控制如圖1所示。其中，P為主電機的當前功率；Plow為錐形磨漿機的低限功率；Ps為工藝要求設定功率；Po為初始功率（退刀到位功率即空載功率）；FT、CT為流量、濃度傳感器對進入錐形磨漿機漿料流量、濃度的檢測值，必須控制在工藝要求范圍內。

2.2 傳統(tǒng)盤磨控制

盤磨主電機測量回路裝有功率變送器，通過對主電機工作線路電壓和工作負荷電流進行采集，由功率變送器內部模塊計算出主電機當前功率并轉化成4-20mA直流信號，上送DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)內部程序將此信號再轉化成當前主電機功率絕對值，并在計算機畫面上顯示。DCS系統(tǒng)根據此功率值和當前流過盤磨的漿量計算出每噸漿耗費的電能，并以此為根據算出刀片的進給量，并對執(zhí)行系統(tǒng)下達指令，變頻器接受指令轉換成輸出頻率控制進刀電機的速度，進而使進刀刀片達到指定位置。

2.2.1 棒-棒控制

國內的盤磨控制大多采用恒功率控制，該控制系統(tǒng)采用的也是這種方法，稱為棒-棒控制。

首先，根據公式 Plow1＝0.8Po＋0.2SV和 Plow2＝0.5Po＋0.5SV確定兩個門檻功率 Plow1和 Plow2。其中，Po為初始功率，即退刀到位且正常過漿時的功率；SV為功率設定值。

PV功率測量值，當PV＜Plow1時，快速退刀；當Plow1＜PV＜Plow2時，正常進刀；當 Plow2≤PV≤SV時，1／4進刀；即讓其輸出脈沖占空比為正常進刀占空比的 1／4；當 PV＞SV時，正常退刀，當處于保護狀態(tài)時，快速退刀。具體表達式如表1所示。其中，F(xiàn)W表示正常進刀；FFW表示快速進刀；BW表示正常退刀；FBW表示快速退刀；Protect表示處于保護狀態(tài)，F(xiàn)W、FFW、BW、FBW對應著不同的標志位。

表1 盤磨進退刀邏輯圖

2.2.2 盤磨保護

盤磨保護是盤磨控制系統(tǒng)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。由于電機的功率較大，操作不當或保護措施不力都可能會導致較大的財產損失，甚至危及生命。整個盤磨控制添加了完善的連鎖保護系統(tǒng)，比如潤滑油、密封水的連鎖退刀保護；在保護系統(tǒng)中，當電機的功率傳感器的檢測信號與程序設定有偏差時，強制液壓機構快速退刀。

自動控制盤磨在不同的條件下進退刀，以及在各種條件下進退刀的速度，以確保打漿的最優(yōu)化，達到所需的打漿度。

2.2.3 盤磨輸出

盤磨輸出是最終執(zhí)行機構具體動作的控制者，通過盤磨輸出部分給出命令，執(zhí)行機構給出相應的動作。在盤磨的輸出中，由標志位和盤磨保護共同決定給出什么樣的輸出。如盤磨控制部分所述，F(xiàn)W、FFW、1／4FW、BW、FBW 分別對應著不同的標志位，相應的標志位就對應了不同的進退刀的動作以及動作的快慢。這其中，注意保護要優(yōu)先于標志位，而且要避免標志位的沖突［4］。

2.3 盤磨專家控制

2.3.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（expert system）是人工智能應用研究最活躍和最廣泛的課題之一，其結構如圖2所示。運用特定領域的專門知識，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復雜的、具體的問題，達到與專家具有同等解決問題能力的計算機智能程序系統(tǒng)。它能對決策的過程作出解釋，并有學習功能，即能自動增長解決問題所需的知識。

圖2 專家控制系統(tǒng)結構

2.3.2 專家控制

在對盤磨控制的分析過程中，針對該系統(tǒng)中的門檻功率無法確定最優(yōu)系數(shù)的特點，提出了盤磨打漿專家控制方案，該方案是間接專家控制系統(tǒng)，知識庫主要由經驗數(shù)據和規(guī)則集合組成，信息獲取主要由傳感器將現(xiàn)場的濃度信號和流量信號送至PLC，通過軟件編程對其進行采樣分析，規(guī)則集合主要是針對這些采樣來的數(shù)據制定的［5］。

設定方案中首先將兩個門檻功率表示為：Plow1＝Po＋bSv和 Plow2＝cPo＋dSv，并通過以下 3 個方面對系數(shù) a、b、c、d 進行優(yōu)化。

（1）經驗表格查詢法

首先，根據專家經驗，制定一個輸入為兩個門檻功率的系數(shù)，即a、b、c、d，輸出為門檻功率Plow1和Plow2的表格作為盤磨控制系統(tǒng)的知識庫。而且這個知識庫具有強大的容錯功能，即這個經驗數(shù)據只有在進漿濃度、流量回路的設定值發(fā)生改變時才使用，使用之后如果不能滿足要求，則系統(tǒng)自動根據專家經驗整理出來的多項規(guī)則進行調節(jié)，并且對原有不能滿足要求的規(guī)則進行修改，通過這種自學習功能以求不斷完善。

例如，磨漿機的傳統(tǒng)控制方案為在紙漿濃度和流量穩(wěn)定的基礎上，通過檢測磨漿機主電機功率傳感器傳送上來的功率信號，動態(tài)地調節(jié)磨漿機的刀距，從而實現(xiàn)恒功率打漿控制。

在此基礎上采用基于專家控制思想的磨漿機進退刀量控制方案。

專家控制建立了輸入量P和輸出量S之間的一個映射關系，這個關系可用式（1）表示。

式中，F(xiàn)為智能算子，P為主電機功率測量值，S為磨刀進刀量。對輸入和輸出量進行模糊化，即：

其中，P（k）為 k 時刻的磨漿機主電機功率，S（k）為k時刻磨漿機磨刀進刀量。

（2）專家調節(jié)規(guī)則

根據盤磨控制的調節(jié)規(guī)則，設計一個相應的專家控制器。當整個盤磨打漿控制系統(tǒng)正常運行時，專家規(guī)則不調用。當規(guī)則中規(guī)定的相關情況發(fā)生時，專家控制器按照經驗表格中的數(shù)據進行運轉，專家控制器主要是適度調整PID參數(shù)，如果此時進退刀調節(jié)效果仍然不能滿足打漿度要求，則按照這些規(guī)則再進行細致的調節(jié)，直至控制效果達到要求為止。其實，考慮到現(xiàn)場條件有變，按照經驗表格中查得數(shù)據多半不能一步到位，必需再進行調節(jié)。但是，如果沒有專家經驗，則這個調節(jié)過程就會非常冗長。

（3）自學習算法

自學習算法是對經驗表格的在線完善和補充。由于經驗表格的數(shù)據只是根據以往經驗制作而成，當實際生產中發(fā)生變化時，如何使這個經驗表格保持最新的數(shù)據就是一個非常重要的問題。針對這一點，需要設計盤磨控制系統(tǒng)專家控制器的自學習功能，當更為合適的數(shù)據出現(xiàn)時，該數(shù)據就會替代經驗表格中的原始數(shù)據，作為新的經驗數(shù)據供下次查詢使用。

3 盤磨控制的應用

下面的運行實例圖是某紙廠的APMP楊木化學機械漿生產線。

3.1 盤磨系統(tǒng)組態(tài)的實現(xiàn)

整條生產線以S7-400 PLC為核心組成3級DCS，由3層網絡連接，兩段盤磨采用PLC系統(tǒng)、S7-400系列控制器，現(xiàn)場采用ET200 I／O模塊，配置盤磨保護系統(tǒng)，盤磨PLC配有工程師站、現(xiàn)場安裝觸摸屏，操作員既可以就地通過觸摸屏操作，又可以通過DCS操作員站遠程模擬操作，工藝參數(shù)值、設定值、報警信息在觸摸屏上顯示，DCS控制系統(tǒng)與盤磨PLC控制系統(tǒng)之間進行數(shù)據交換；所有執(zhí)行器和傳感器的信號都連接到I／O模塊，遠程的I／O通過Profibus總線連接到PLC。

控制盤磨的PLC系統(tǒng)是一個絕對獨立的系統(tǒng)，其CPU與DCS的CPU是同等地位。與盤磨控制相關的I／O全部進入到PLC，全部由PLC作為后臺處理運算，即使DCS出現(xiàn)故障，盤磨也能安全控制［6、7］。

表2所示是盤磨控制系統(tǒng)硬件配置，表3所示為測控點數(shù)。

表2 盤磨控制系統(tǒng)硬件配置

表3 測控點數(shù)圖

3.2 實際運行的WinCC監(jiān)控畫面

系統(tǒng)實施完成后，實際運行監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖3 盤磨控制實時運行圖

3.3 結果分析

從實時運行和參數(shù)設置圖可以看出，系統(tǒng)運行穩(wěn)定正常，各參數(shù)數(shù)據、運行曲線都在程序設定范圍之內。根據磨漿機工作特點，設計了基于PLC的新型盤磨機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為核心，與功率變送器和變頻器綜合應用，且將專家控制思想應用于磨漿機進退刀量控制，結合自學習算法自動修改不合適的輸入輸出量化值，具有調節(jié)速度快、過渡時間短、超調量小等優(yōu)點，更準確地控制磨漿機的磨刀進退位移量。該系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性與快速響應的動態(tài)特性，既能實現(xiàn)打漿過程的平穩(wěn)、精確控制，又可以大大提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，達到了高質、低耗、自動控制的目的。

4 結束語

使用恒功率控制方案控制盤磨，在一定范圍內取得了較好的效果，要使該方法得到更好的應用，并達到更高的控制效果，還必須將專家系統(tǒng)等高級算法應用到盤磨打漿控制中去。用專家控制器確定最優(yōu)門檻電壓，得到了很好的控制效果，有調節(jié)速度快、過度時間短、超調量小等優(yōu)點。

［1］周海君，孫 瑜，王孟效等.錐形磨漿機PLC控制改進實例［J］.中華紙業(yè)，2006，27（5）.

［2］鄭 晟，鞏建平，張 學.現(xiàn)代可編程序控制器原理與應用［M］.北京：科學出版社，1999.

［3］張書剛.P-RC APMP系統(tǒng)盤磨機的自動控制［J］.中國造紙，2008，27（2）.

［4］龐同國.大型精漿機的新型控制系統(tǒng)［J］.中華紙業(yè)，2004，25（5）.

［5］陳舒楠.盤磨系統(tǒng)進刀電機保護頻繁動作初探［J］.西南造紙，2004，33（3）.

［6］張根寶，周海君，皺偉.用西門子PLC控制錐形磨漿機一例［J］.紙和造紙，2006，25（5）.

［7］周小瑩，張根寶.基于S7-200的新型磨漿機控制系統(tǒng)設計［J］.中華紙業(yè)，2007，28（8）.