黃 倫，黃 勛，趙志明

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

自改革開放以來，國內(nèi)造紙業(yè)得到了飛速的發(fā)展，紙和紙板的產(chǎn)量和消費(fèi)量均連續(xù)多年僅次于美國，位居世界第二[1-2]。紙和紙板的產(chǎn)量從1980 年的543.6萬噸增加到2019年的10 765萬噸，其平均增長率逐年增大，并且在過去5 年中增長更快[3]。國內(nèi)制漿造紙機(jī)械產(chǎn)業(yè)在這一階段也取得了快速發(fā)展，過去五年中大約70%的新增紙品產(chǎn)量是通過國產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的[4]。國產(chǎn)設(shè)備是我國造紙工業(yè)的中堅(jiān)力量，同時(shí)造紙工業(yè)的發(fā)展也在很大程度上促進(jìn)了國內(nèi)造紙?jiān)O(shè)備的發(fā)展[5]。隨著造紙業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的國內(nèi)造紙企業(yè)也紛紛開始采用紙張質(zhì)量控制系統(tǒng)（QCS），這對于提高造紙企業(yè)技術(shù)水平、加工精度、單機(jī)產(chǎn)能、設(shè)備可靠性，以及降低能耗、減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有著相當(dāng)大的作用[6]。這指明了國產(chǎn)造紙?jiān)O(shè)備今后的發(fā)展方向，同時(shí)也對于減小我國造紙業(yè)與國際先進(jìn)水平的差距具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 QCS系統(tǒng)

QCS 系統(tǒng)是現(xiàn)代大型造紙工廠DCS 系統(tǒng)中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，主要應(yīng)用于抄紙工段的定量水分灰分等指標(biāo)的監(jiān)測與控制[7-8]。QCS 系統(tǒng)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)生產(chǎn)效益的有力保障，其實(shí)質(zhì)就是要經(jīng)過精確測量使得紙張的各個(gè)控制變量的含量維持在一定范圍內(nèi)，如紙的定量、水分、灰分、厚度、光澤度、涂布量等物理指標(biāo)[9]。其中最重要的兩個(gè)指標(biāo)是定量與水分，這兩個(gè)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)決定了紙張的優(yōu)等品率[10]。定量（也稱絕干漿量）指的是單位面積紙中所含纖維的質(zhì)量，而水分指的是單位面積紙的含水量[11]。

掃描架以及安裝在掃描架上的各種控制器、服務(wù)器、診斷站、操作員站、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)再加上相應(yīng)的算法與軟件便組成了造紙機(jī)QCS系統(tǒng)[12]。掃描架系統(tǒng)是精密的機(jī)電一體化設(shè)備，在QCS 系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。掃描架是確保所有在線傳感器精確測量的基礎(chǔ)平臺，也是QCS 系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備中連續(xù)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備之一[13]，一般有O 型與C 型兩種之分，C型架多用于寬度較小的紙機(jī)，現(xiàn)在國內(nèi)大多采用O型架。圖1 所示為一種O 型掃描架的結(jié)構(gòu)圖[14]。其主要工作是作為測量探頭的承載平臺完成紙張橫幅的掃描，因此該系統(tǒng)對穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性有著相當(dāng)高的要求。掃描架由全鋼的上梁、下梁、操作側(cè)立柱、傳動(dòng)側(cè)立柱組裝而成，上下梁之間安裝有掃描探頭，掃描探頭通過來回移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對紙張不同區(qū)域相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測與控制，傳感器都安裝在掃描探頭中，掃描探頭和傳感器都有上、下之分，下探頭一般安裝定量傳感器的放射源和智能紅外水分傳感器的紅外燈泡，上探頭安裝定量和水分傳感器的信號采集接收裝置[15]。

圖1 O型掃描架

對于普通造紙機(jī)，可直接采用縱向（Machine Drection-MD）監(jiān)測與控制，對于大型或有特別要求的造紙機(jī)，可增加橫向（Cross Drection-CD）監(jiān)測與控制[16-17]?？v向控制主要由縱向定量、水分解耦控制，網(wǎng)前箱漿網(wǎng)速比控制，烘缸蒸汽自動(dòng)升降壓控制，協(xié)調(diào)變換紙種、車速控制，QCS質(zhì)量顯示或報(bào)告控制等所組成[18]。而橫向控制則由橫向定量、水分、厚度控制，橫向整飾執(zhí)行器控制，橫向涂布量執(zhí)行器控制等所組成[18]。

QCS系統(tǒng)具有豐富的測量與控制界面，能動(dòng)態(tài)顯示各種測量變量、過程變量、控制變量和曲線圖，同時(shí)系統(tǒng)還能提供生產(chǎn)報(bào)表功能（包括班報(bào)表、日報(bào)表、月報(bào)表）和其他所需報(bào)表（包括故障發(fā)生時(shí)間、故障位置以及故障內(nèi)容，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫狀態(tài)列表等）[19]。在造紙生產(chǎn)過程中，為了使智能定量水分傳感器進(jìn)行在線測量，一般將定量、水分傳感器安裝于手動(dòng)或自動(dòng)掃描架上，使儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對紙幅橫向、縱向進(jìn)行全程監(jiān)控。該控制系統(tǒng)基于以上生產(chǎn)需要，能夠使掃描架工作在自動(dòng)或手動(dòng)兩種工作狀態(tài)下。而且，針對造紙行業(yè)的特殊要求，可增加斷紙自動(dòng)監(jiān)測功能，因此其也是用于造紙?jiān)诰€檢測儀器的配套產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于造紙等行業(yè)[20-21]。

2 QCS的優(yōu)勢與先進(jìn)控制策略的應(yīng)用

2.1 QCS的優(yōu)勢

紙張的印刷質(zhì)量、物理及光學(xué)特性等指標(biāo)都不同程度地受紙張定量、水分含量所影響。紙張定量偏高時(shí)會(huì)導(dǎo)致紙漿的浪費(fèi)，偏低時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷紙故障的發(fā)生，紙張定量不均容易導(dǎo)致印刷出來的字跡不清從而造成紙張浪費(fèi)。紙張的水分含量過高會(huì)導(dǎo)致紙張纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度降低；紙張水分含量過低會(huì)導(dǎo)致紙張剛性增強(qiáng)而變脆。因此紙張定量以及水分含量的監(jiān)控對于造紙企業(yè)而言尤為重要[22]。

QCS系統(tǒng)的使用為生產(chǎn)車間和質(zhì)檢部門提供了更全面的紙張定量水分信息。以前定量水分含量的測定通常由工人從紙捆上取紙樣，然后到實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測定，這個(gè)程序相當(dāng)繁瑣，且容易受工人的主觀能動(dòng)性所影響，往往具有很大的不確定性，得到的結(jié)果變化范圍很大[23]。要想實(shí)時(shí)、全面地反映紙張定量水分分布情況和紙病等現(xiàn)象，就必須讓紙張定量水分實(shí)現(xiàn)在線測定。這樣便能使現(xiàn)場操作人員或質(zhì)檢部門及時(shí)了解造紙機(jī)的生產(chǎn)狀況動(dòng)態(tài)，使質(zhì)量控制部門和現(xiàn)場操作人員可以全面了解和考核紙張的質(zhì)量，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。這克服了實(shí)驗(yàn)法測量結(jié)果片面、不及時(shí)的缺點(diǎn)，也可以使質(zhì)量控制部門取消繁瑣的日常抽樣調(diào)查來進(jìn)行定量水分測定的環(huán)節(jié)[24]。

QCS系統(tǒng)的使用為實(shí)現(xiàn)紙張定量水分的在線監(jiān)控提供了可能性。若QCS 系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)在線測定，紙張定量水分等指標(biāo)的含量就很有可能得不到有效控制。評價(jià)紙張質(zhì)量的許多指標(biāo)與定量水分含量密切相關(guān)，通過實(shí)現(xiàn)紙張定量水分的計(jì)算機(jī)監(jiān)控，可以減少紙張定量水分誤差值，使定量水分值達(dá)到穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制效果，也保證了系統(tǒng)多變量輸入輸出的穩(wěn)定功能[25]。相應(yīng)的，紙張的平滑度也有所提高，進(jìn)而提高紙張產(chǎn)量，漿料與蒸汽使用量也大大減少，這就降低了能耗[26]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，每提高1%的紙張水分可節(jié)省5%的蒸汽，而提高2%的紙張水分便可節(jié)省多達(dá)10%的蒸汽。造紙企業(yè)要想保證紙張的質(zhì)量指標(biāo)同時(shí)節(jié)約紙漿用量與蒸汽，可將定量含量控制在定量許用范圍的最小值處，而將水分含量控制在水分許用范圍的最大值處，即減小紙張定量含量，增加紙張水分含量。另外，設(shè)備的故障率能得到相應(yīng)地減小，運(yùn)行壽命也隨之延長。造紙機(jī)的運(yùn)行參數(shù)得到了很好地控制，所以既能減小造紙操作工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，也能提高紙張的成品率[27]。因此，QCS系統(tǒng)的使用對于穩(wěn)定紙張質(zhì)量、提高造紙企業(yè)的市場競爭力有著十分重要的戰(zhàn)略意義。

2.2 先進(jìn)控制策略的應(yīng)用

控制策略被稱為QCS系統(tǒng)的“心臟”，先進(jìn)控制策略的應(yīng)用在紙張質(zhì)量水分控制中起著決定性的作用。由于造紙過程的復(fù)雜性與對造紙產(chǎn)量需求的不斷提高，多年以來，人們對QCS 系統(tǒng)先進(jìn)策略的探索也從未停止過。

針對定量和水分之間存在著強(qiáng)耦合，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，兩調(diào)節(jié)量與被調(diào)節(jié)量之間相互影響的問題，2001 年，孫鑫等[28]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制，結(jié)果取得了良好的控制品質(zhì)。2010年，王平等[29]采用Smith 模糊自適應(yīng)PID 控制策略，將其應(yīng)用于造紙工業(yè)的定量水分控制系統(tǒng)之中，解決了造紙過程中的強(qiáng)耦合和純滯后等問題，能夠滿足定量水分控制對誤差的要求，得到了令人滿意的控制效果。

2012 年，Nagaraj B 等[30]將遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃、粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合，并將該算法用于造紙機(jī)水分控制系統(tǒng)中。結(jié)果與常規(guī)控制系統(tǒng)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該控制器能控制水分很快接近設(shè)定值并保持穩(wěn)定狀態(tài)，且具有良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和性能指標(biāo)。

2015 年，C.Karthik 等[31]采用自適應(yīng)控制和MPC控制相結(jié)合的方法對紙張干燥過程進(jìn)行控制，通過調(diào)整蒸汽壓力控制器的設(shè)定值，并利用Matlab 進(jìn)行仿真。結(jié)果表明自適應(yīng)模型預(yù)測控制具有明顯的優(yōu)勢，能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而降低生產(chǎn)成本。同年，姜蘇英等[32]提出了一種單神經(jīng)元與預(yù)測控制相結(jié)合的控制算法，并在抄紙過程定量水分控制中進(jìn)行應(yīng)用，得到的結(jié)果響應(yīng)平穩(wěn)、超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時(shí)間短、自適應(yīng)性好、魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)槌堖^程提供更有效、更精確的控制。

2017年，胡亞南等[33]針對紙張抄造過程中定量與水分間存在強(qiáng)耦合的問題，提出了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）解耦控制器，并將該策略應(yīng)用于國內(nèi)某造紙廠的質(zhì)量控制系統(tǒng)中。結(jié)果顯示有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較強(qiáng)的魯棒性，可以滿足該紙機(jī)定量水分高精度控制要求。

3 QCS的發(fā)展趨勢

隨著人口的增長與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，紙張使用量逐年增加，造紙工業(yè)過程向著大型化、綜合化、集散化、開放化的方向發(fā)展，使得生產(chǎn)的安全性和可靠性、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量評估成為當(dāng)今控制水平的重要指標(biāo)，從而促進(jìn)了質(zhì)量控制技術(shù)的大力發(fā)展，進(jìn)而確保造紙工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)量和質(zhì)量的提高[22]。造紙企業(yè)新型、高效、環(huán)境友好型技術(shù)裝備的使用，必然會(huì)在節(jié)能降耗、改善環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益等方面迫使落后產(chǎn)能退出市場[34-35]。

開放式控制系統(tǒng)意味著同一臺設(shè)備的幾個(gè)子控制系統(tǒng)的設(shè)置是按照國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，對外是開放的，工廠各種自動(dòng)化設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、PLC等）之間能夠方便地進(jìn)行通訊，現(xiàn)場設(shè)備將更加方便地與上位機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。電子信息技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、人工智能技術(shù)、可編程控制器、嵌入式技術(shù)、觸摸屏與人機(jī)界面、智能傳感器以及智能控制策略等技術(shù)的相繼問世使得QCS 系統(tǒng)越來越“開放”[36]。越來越多的造紙企業(yè)開始在“開放性”上下大功夫，目的是盡可能地簡化其QCS 系統(tǒng)與其他廠家的設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)的步驟與方式，開發(fā)新的通訊方式并不斷完善系統(tǒng)的通訊功能，將QCS 系統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)聯(lián)系在一起，讓QCS 系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)集監(jiān)控、管理于一體[37]。自主技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，將極大地提高國內(nèi)造紙工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的集成能力和設(shè)備的整體水平。

QCS系統(tǒng)信息處理量不斷加大，通信量也將隨之?dāng)U大，因此造紙企業(yè)將更加重視系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場總線技術(shù)就能很好地解決這一問題，其使得操作及管理進(jìn)一步集中，控制及危險(xiǎn)進(jìn)一步分散[38]?，F(xiàn)場總線具有數(shù)字化、智能化、完全透明的特點(diǎn)，采用同一根電纜進(jìn)行供電和通信，節(jié)省了大量電纜以及其他布線輔助設(shè)備，可隨時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)升級，并進(jìn)行自上而下和自下而上的雙向通信。容錯(cuò)技術(shù)與冗余功能的應(yīng)用也使得QCS 系統(tǒng)的運(yùn)行故障率大大下降，新設(shè)備的設(shè)計(jì)將更加人性化、安全化，維護(hù)保養(yǎng)也會(huì)更加方便，調(diào)試周期也將明顯縮短；不斷將各種先進(jìn)控制理論與策略（如自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)路、模糊控制等）引進(jìn)到控制系統(tǒng)中，目的是要進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能[39]。在系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)上，將形成從小型到大型覆蓋各個(gè)生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)品，以滿足不同生產(chǎn)規(guī)模的需求[40]。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、低成本的基于工業(yè)以太網(wǎng)的QCS 系統(tǒng)，使紙張質(zhì)量控制技術(shù)向著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向發(fā)展，對于造紙企業(yè)來說具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[41]。

4 結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活水平的不斷提升，人們對紙制品的使用量也日益劇增，以餐飲業(yè)紙巾使用與快遞包裝用紙最為明顯，這就為造紙企業(yè)乃至造紙?jiān)O(shè)備提出了更高的要求。QCS系統(tǒng)作為造紙機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一部分，發(fā)揮著舉足輕重的作用。QCS系統(tǒng)的使用將是造紙業(yè)的大勢所趨，為造紙企業(yè)提高工藝精度和改善紙張質(zhì)量提供了更加良好的技術(shù)保障，保證了紙張的均一性、生產(chǎn)能力的最大化，節(jié)省了原料，降低了污染排放，也是造紙企業(yè)增強(qiáng)市場競爭力、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的必然要求。