金 皓 張王力 鄢來朋

（浙江華章科技有限公司，浙江杭州，310000）

2016年12月我國工業(yè)和信息化部發(fā)布《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，該規(guī)劃提出，到2020年，紡織業(yè)、化工業(yè)、金屬冶煉業(yè)、造紙業(yè)等傳統(tǒng)制造行業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化制造生產(chǎn)，為下一步智能化轉(zhuǎn)型升級提供強有力的支撐基礎；到2025年，傳統(tǒng)制造業(yè)的重點領域基本實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，智能制造支撐體系全面建立。根據(jù)筆者對瓦楞原紙生產(chǎn)線智能制造探討[1]，針對當前制漿行業(yè)的設備工藝條件，結(jié)合浙江華章科技有限公司（以下簡稱華章科技）推出的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)，提出在制漿流程控制中關鍵技術和關鍵工藝的智能化手段，探討制漿段智能制造的提升方向。

1 背 景

1.1 智能制造的含義

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產(chǎn)方式[2]。智能制造應當是人類智慧和智能機器共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)?；谌斯ぶ悄艿闹悄軝C器代替人類智慧進行機械式的采集、推理、預測、判斷，系統(tǒng)配合人類智慧進行分析決策。它能自組織、自學習、自維護，在制造自動化的層面上表現(xiàn)出柔性化、智能化和高度集成化。

1.2 國內(nèi)外制漿造紙設備智能制造水平

國內(nèi)主要衛(wèi)生紙生產(chǎn)廠家（如中順潔柔紙業(yè)股份有限公司、維達國際控股有限公司、金紅葉紙業(yè)集團有限公司、恒安國際集團有限公司、永豐余紙業(yè)(昆山)有限公司等）的大型生產(chǎn)線幾乎都引進了國際一流設備生產(chǎn)商的高端技術設備。國內(nèi)大中型衛(wèi)生紙造紙企業(yè)主要采用安德里茨、福伊特、維美德、凱登等國際型企業(yè)的制漿設備。目前，國產(chǎn)制漿生產(chǎn)線設備廠家繁多，普遍占領中小型企業(yè)市場。由于國產(chǎn)制漿裝備起步晚，早期市場發(fā)展慢，我國制漿設備企業(yè)的工藝制造水平、自動化水平一直落后于國際設備廠家，但是在工業(yè)智能化的道路上，我們可以有所作為，從而縮小與發(fā)達國家的差距。

制漿工業(yè)智能制造涉及的范圍很廣，包括制漿方式智能化、制漿設備服務智能化、制漿工藝管理智能化、制漿裝備智能化等方面。本文以衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的主要制漿設備作為智能化的方向，探討衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的智能化。

2 智能化實踐

2.1 盤磨機的智能化

磨漿機是目前廣泛使用的磨漿設備，在磨漿中的使用量占絕對優(yōu)勢[3]。盤磨機主要由裝有磨片的磨盤、主傳動軸、外殼、間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)、進出漿口和電機等構(gòu)成。漿料通過管道進入磨盤中心，主傳動軸高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生巨大離心力帶動漿料圍繞磨盤中心做徑向運動，漿料穿過盤齒間隙達到磨漿效果[4]。

國內(nèi)盤磨機在初始時期主要以對照電流參數(shù)手動進退刀為主。經(jīng)過一段時間發(fā)展后，盤磨機的單位功率成為程序控制的主參數(shù)。在控制過程中，盤磨機的主功率完成設定后按恒定頻率進刀，到達設定功率死區(qū)后停止進刀。由于衛(wèi)生紙生產(chǎn)線使用的中低濃盤磨機正常工作時磨片間隙較小且在進刀過程中存在慣性，停刀時實際功率與設定功率存在較大誤差，使得進退刀模式對磨漿質(zhì)量以及盤磨機安全穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利影響。

華章科技推出的智能進退刀控制技術通過現(xiàn)場傳感器得到盤磨機打漿功率，以此為系統(tǒng)主參數(shù)進行控制。實際功率與設定功率相差較大時進行粗調(diào)快速進刀，在實際功率與設定功率相差較小即磨片間隙較短的范圍內(nèi)進行智能脈沖進退刀（見圖1）。圖1中智能脈沖進退刀主要調(diào)用11個可調(diào)參數(shù)，其中，MEAR:過程變量值的范圍，即量程范圍；ASP:本地給定值，在畫面上輸入；RSP:遠程給定值，根據(jù)計算得出；SPH:設定值的上限；SPL:設定值的下限；GAIN:比例增益；CYMAX:循環(huán)時間最大值，一個循環(huán)周期包括進退刀動作時間和間隔時間；CYMIN:循環(huán)時間最小值；MINIT:最小脈沖時間，低于該時間的脈沖寬度忽略不計；DCC:方向轉(zhuǎn)換時間補償，在進刀和退刀轉(zhuǎn)換的過程中，給予一定的進退刀脈沖補償時間；ADT:進退刀動作時間固定量。最終計算出的進退刀脈沖時間需要加上該固定量，以防脈沖時間過短，視情況而定，可以設置為0。

圖1 進退刀功能塊

以上11個參數(shù)，主要計算出循環(huán)時間，主要包括進退刀動作時間和間隔時間。智能進退刀使實際功率一直保持在設定值的理想范圍內(nèi)，提高了磨漿穩(wěn)定性。磨漿的工況參數(shù)（漿料流量、漿料濃度、進漿壓力、實際間隙、磨片溫度、電機轉(zhuǎn)速）之間存在耦合作用，對成漿的質(zhì)量和產(chǎn)量影響巨大。為了解決在不同時間段、不同批次重復發(fā)生的磨漿質(zhì)量問題以及工況參數(shù)隨著時間波動耦合問題，采用DCS（集散控制系統(tǒng)）系統(tǒng)，磨漿機上位機控制圖見圖2?？刂破鞣稚⑹浇换ジ鱾€漿料處理設備信息，監(jiān)測收集相應參數(shù)，整合保存參數(shù)趨勢。通過采用智能溫度檢測設備對軸承溫度進行實時監(jiān)測保護。由于每臺盤磨機所處工藝環(huán)境存在差異，磨片的機械特性也存在差異，筆者認為盤磨機智能化的方向是將參數(shù)整合建立模型上傳至云服務器，通過計算機技術對工作參數(shù)對比調(diào)整，減少人力的適應時間，提高效益。

2.2 多圓盤過濾機的智能化

多圓盤過濾機處理量大、操作簡單、能耗低，在生產(chǎn)過程中要高效地回收處理漿料中的纖維，也要分離出超清濾液、清濾液、濁濾液用于造紙系統(tǒng)，是衛(wèi)生紙生產(chǎn)企業(yè)白水封閉循環(huán)的關鍵設備[5]。多圓盤過濾機主要由槽體、進漿箱、空心軸、傳動裝置、洗網(wǎng)裝置、剝漿裝置、分配閥、螺旋輸送機等構(gòu)成。

圖2 磨漿機上位機控制圖

在衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿流程中，多圓盤過濾機主要用于將墊層漿和白水配比后分離成超清濾液、清濾液和濁濾液，繼續(xù)投入到制漿線以及紙機中使用。因此多圓盤過濾機的白水處理能力體現(xiàn)在單位時間水處理總量和剝漿能力上。多圓盤過濾機上位機控制界面見圖3。液位實時監(jiān)測，用來保證超清濾液、清濾液、濁濾液的生產(chǎn)量等于系統(tǒng)消耗量；智能頻率控制，使多圓盤過濾機主電機轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)所需水處理能力，保持多圓盤過濾機液位穩(wěn)定；智能轉(zhuǎn)矩監(jiān)測，多圓盤過濾機主電機轉(zhuǎn)矩必須維持在一定范圍才能正常工作，轉(zhuǎn)矩實時檢測可以給工作人員提供多圓盤過濾機良好運行的數(shù)據(jù)證明；智能漿水配比，保持墊層漿濃度在一定范圍內(nèi)，程序調(diào)配墊層漿流量與白水流量成一定比例，設置初始值及范圍。正常工作時只需微調(diào)初始設定值，以降低對生產(chǎn)管理人員的要求，減少經(jīng)驗需要。

圖3 多圓盤過濾機上位機控制圖

2.3 壓力篩的智能化

壓力式篩漿機簡稱壓力篩，是目前較為先進的封閉篩漿設備，其主要特征是管路密封、壓力進漿[6]。華章科技推出的壓力篩控制系統(tǒng)采取智能流量調(diào)節(jié)，對壓力篩進漿流量x、良漿流量y和渣漿流量z之間建立關系，出口良漿y與出口渣漿z的流量調(diào)節(jié)成一定比例a∶b。在進漿量x基本不變情況下，y+z的量也維持不變，為了方便操作人員設置，設定a+b=100，只要設定良漿比例a，渣漿也會隨之改變，保持y+z總量不變。在泵啟動后初始階段t1，進漿流量保持穩(wěn)定，設定a1和b1，此時渣漿流量所占比例設置較大。在調(diào)整階段t2，按一定速度k增大良漿比例a，減少了渣漿比例b，形成新的良、渣漿比例a2和b2。嚴密的流量配比和流量回路調(diào)節(jié)保證壓力篩的良好運行；智能洗篩控制，當檢測到壓力篩進出口漿管差壓達到洗篩設定值又小于堵塞設定值時，良漿閥門會在原有的開度上以一定速度遞減，減少良漿流量；渣漿閥門則會以一定速度增大，增加渣漿流量，提高排渣率，達到洗篩效果。當差壓持續(xù)增大，達到堵塞設定值時，則全開渣漿閥，全關良漿閥并且停止壓力篩前的進漿泵。智能洗篩控制使壓力篩發(fā)生堵塞的事故率大大降低，從而減少了停機事故，保持了系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

2.4 除渣段的智能化

漿料在進入磨漿機之前一般要進行除渣，將砂石等雜質(zhì)從紙漿中除去，保證后續(xù)工段的正常工作。由于衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段沒有重質(zhì)雜質(zhì)，一般采用高濃除砂器進行除渣。高濃除砂器的執(zhí)行過程分為4步:充水、集渣、沖洗、排渣。華章科技的高濃除砂器采用智能順控程序進行控制，流程每一步可以單獨設定時間，控制界面見圖4。在除渣過程中，排渣閥門會因雜質(zhì)過多出現(xiàn)開關不到位現(xiàn)象。第一次發(fā)生此類原因的不到位信號，系統(tǒng)判定堵塞預警，自動進行臨時屏蔽，提醒工作人員現(xiàn)場檢查，保持控制連續(xù)性。當執(zhí)行過程進行到下一輪后，排渣閥門開關不到位情況依舊存在，系統(tǒng)判定閥門堵塞，自動進入快速沖洗程序，加水閥開，排渣閥全開。智能順控是一種廣泛的關鍵共性技術，也可以用于雜質(zhì)分離機，水力碎漿機等多流程設備。

圖4 高濃除砂器上位機控制圖

2.5 互聯(lián)網(wǎng)計算機技術對制漿智能控制的提升

智能控制的提升離不開新一代互聯(lián)網(wǎng)計算機技術。通過成熟的傳感器檢測、物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場設備總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術，實現(xiàn)生產(chǎn)設備各種數(shù)據(jù)的智能采集、無線或有線傳輸、無縫路由、智能分析等，為前期模型建立、設備組網(wǎng)、后期設備診斷、生產(chǎn)維護提供依據(jù)。

針對復雜流程和工況，交互采集到的工廠、智能設備、操作人員之間形成的電子信息數(shù)據(jù)建立智能生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的關鍵輸入、輸出參數(shù)的關系模型，解決自適應工況，自主決策等關鍵問題。

對于以上關鍵設備和關鍵工藝建立設備模型，將模型中采集的實時數(shù)據(jù)上傳到服務器，服務器根據(jù)同型設備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析判斷，同時把處理數(shù)據(jù)或優(yōu)化建議反饋給生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程實施預判優(yōu)化，監(jiān)控管理決策支持和生產(chǎn)工藝尋優(yōu)，對生產(chǎn)設備進行實時預判、遠程監(jiān)控，同時經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化分析，使生產(chǎn)設備能夠自我維護或者為其提供建議。

此外，越來越多的智能造紙企業(yè)專注于MES系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程運行優(yōu)化[7]。華章科技研發(fā)的MES系統(tǒng)可與DCS控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口集成。MES系統(tǒng)實時掌控生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)進度、漿料品質(zhì)、目標達成情況以及人員、設備、物料的利用狀況，作為現(xiàn)場自動化系統(tǒng)之上的執(zhí)行層使企業(yè)在整個生產(chǎn)線制造過程和管理層面上得到顯著的優(yōu)化和提升。

基于以上的分析，筆者認為衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的智能制造的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段的智能制造結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語

衛(wèi)生紙生產(chǎn)線制漿段關鍵設備的控制方式正從自動化邁向智能化，在生產(chǎn)、管理、維護的方式上不斷創(chuàng)新。在制漿造紙行業(yè)這個充分競爭的領域，單一設備的智能化依靠互聯(lián)網(wǎng)計算機技術得到了強有力的支撐，同時設備、人員、產(chǎn)品依托信息技術（Internet Technology， IT）、 操 作 技 術 （Operation Technology，OT）、通信技術 （Communication Tech?nology，CT）等技術的不斷融合將促進形成更先進的智能控制系統(tǒng)。