氣墊式流漿箱漿位控制方案

1、氣墊式流漿箱漿位完整控制方案(陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所 西安710021)摘要在總結(jié)氣墊式流漿箱現(xiàn)有控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一套完整的氣墊式流漿箱漿位控 制方案。通過(guò)增加可換向氣路管道、勻漿輥轉(zhuǎn)速變頻器，使氣墊式流漿箱可工作于加壓、抽 負(fù)壓和敞開(kāi)三個(gè)工作狀態(tài)，在保持羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變的情況下有效地拓寬了氣墊式流漿箱 的車速適用范圍，使其能適用于100-550m/Min的各類造紙機(jī)。本文詳細(xì)描述了改進(jìn)方案的具 體措施、控制算法，并給出了詳細(xì)的控制邏輯。關(guān)鍵詞：氣墊式流漿箱，漿位控制，控制算法，仿人智能A Complete Level Control Scheme for Air-Cushion

2、ed HeadboxTANG Wei, WANG Xi, GUAN Feng, WANG Mengxiao(Industrial Automation Institute of Shaanxi University of Science and Technology, Xian, 710021) ABSTRACTOn the basis of generalizing the presented level control technologies for air-cushioned headbox a complete control scheme to it is proposed. Th

3、e control scheme makes the air-cushioned headbox run in such three work states of increasing air pressure, decreasing air pressure and open to air by adding direction convertible air-route pipes and pulp-mixing roller transducers to it. Under the running direction of the Rotz blower fan keeping unch

4、anged, the applicable range of paper machine speed is widened effectively, which can be used to all kinds of paper machine with a speed of 100-550 m/Min. The improved measures, control algorithm and control logic of the refined control scheme are illustrated in detail in this paper.Keywords: Air-cus

5、hioned headbox, level control, control algorithms, human simulated intelligence. 1引言流漿箱是造紙機(jī)的關(guān)鍵部件，是連接備漿流送和紙頁(yè)成形兩部分的重要樞紐，其主要 作用是布漿、勻漿和噴漿，決定著紙幅橫幅定量的分布，影響紙幅成形的質(zhì)量，被稱為造紙機(jī) 的心臟1，必須嚴(yán)格加以控制。隨著紙機(jī)車速的不斷提高，流漿箱由敞開(kāi)式發(fā)展到氣墊式、 半水力式和水力式2。對(duì)雙勻漿輥流漿箱而言，保持適當(dāng)?shù)南潴w內(nèi)漿位是保證流漿箱勻漿和 噴漿質(zhì)量的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，對(duì)于敞開(kāi)式和氣墊式流漿箱，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的不同，最佳工作漿 位一般是3040cm，即

6、高出勻漿輥上表面35cm。對(duì)于敞開(kāi)式流漿箱，漿位隨紙機(jī)車速的變化 而變化，所以車速適用范圍比較窄，一般在140-190m/min，并且逐漸被淘汰。氣墊式流漿箱 是我國(guó)目前廣泛采用的一種流漿箱形式，一般認(rèn)為在抄速超過(guò)250m/min的紙機(jī)上，必須配備 氣墊式流漿箱或（半）水力式流漿箱，通過(guò)增加氣墊壓力使流漿箱箱體內(nèi)漿位維持在最佳位置， 這是氣墊式流漿箱漿位控制的常規(guī)方法。可是，對(duì)于許多板紙機(jī)，其工作車速比較低（如低于 140m/min）；另外，一些新上紙機(jī)，因機(jī)械磨合等因素，往往需要很長(zhǎng)時(shí)間（半年以上）運(yùn)行 在低車速下。這時(shí)，即使把氣墊式流漿當(dāng)作敞開(kāi)式流漿箱來(lái)使用，也難以良好發(fā)揮其勻漿和噴 漿效

7、果。因此，對(duì)氣墊式流漿箱漿位控制的常規(guī)方法進(jìn)行改進(jìn)，擴(kuò)充其車速適用范圍是解決上 述問(wèn)題的關(guān)鍵。本文在對(duì)現(xiàn)有氣墊式流漿箱控制技術(shù)3-10進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合專利文獻(xiàn)11，提出 了一套完整的氣墊式流漿箱漿位控制方案。在常規(guī)氣墊式流漿箱漿位控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加 可換向氣路管道、勻漿輥轉(zhuǎn)速變頻器，使氣墊式流漿箱可工作于加壓、抽負(fù)壓和敞開(kāi)三 個(gè)工作狀態(tài)，在保持羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變的情況下有效地拓寬氣墊式流漿箱的車速適用范圍，使 其在較低車速（100m/min以下）下仍然能發(fā)揮理想的布漿、勻漿和噴漿效果。*本文受西安市科技支撐計(jì)劃（CXY08012）及陜西科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)基金（20050601） 資

8、助2常規(guī)控制方案上世紀(jì)90年代中期，針對(duì)我國(guó)從國(guó)外新引進(jìn)（如芬蘭）的雙勻漿輥氣墊式流漿箱，陜西 科技大學(xué)微機(jī)應(yīng)用研究所等國(guó)內(nèi)漿紙企業(yè)控制系統(tǒng)集成商對(duì)芬蘭維美德技術(shù)進(jìn)行剖析、消化、 吸收、再創(chuàng)新，提出圖1所示的總體控制方案。在該控制方案中，主要控制參數(shù)有3個(gè)：總 壓、漿位和漿/網(wǎng)速比12?？倝汉蜐{位偏差信號(hào)經(jīng)解耦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解耦后，所得信號(hào)送給各自的 單回路控制器，分別控制總壓和漿位對(duì)應(yīng)的變頻器。對(duì)于總壓控制環(huán)，外環(huán)控制器EC表達(dá)式 9為2TPSP = TP0 x （VW VW0 ）。其中，TPSP為總壓調(diào)節(jié)器的外給定值，TP0為總壓靜態(tài)（穩(wěn) 定）值，VW0、VW分別表示成形網(wǎng)網(wǎng)速的靜態(tài)（穩(wěn)定）值和

9、動(dòng)態(tài)（測(cè)量）值。漿網(wǎng)速比是 指流漿箱的唇口噴漿速度與網(wǎng)部線速度之比，對(duì)紙頁(yè)成形質(zhì)量有著直接的影響。對(duì)于一特定紙 機(jī)，一般要求漿網(wǎng)速比保持相對(duì)穩(wěn)定，也就是說(shuō)流漿箱的噴漿速度能夠自動(dòng)跟蹤網(wǎng)速的變化， 控制的目標(biāo)是使得網(wǎng)速變化對(duì)氣墊式流漿箱的漿位無(wú)影響10多年來(lái)，這一控制方案已在全國(guó) 推廣應(yīng)用，取的了非常滿意的控制效果，實(shí)現(xiàn)了雙勻漿輥氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。圖E氣垠式流漿箱典型控制方案示意陛實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)流漿箱箱體內(nèi)液面高出勻漿輥上表面510cm時(shí)，可以得到最佳的 勻漿效果。這時(shí)對(duì)應(yīng)的流漿箱漿位大約是40cm，對(duì)應(yīng)的紙機(jī)車速大約是170m/min。當(dāng)車速低 于150m/min時(shí)，不僅不需

10、要?dú)鈮|壓力，還需要降低流漿箱漿位，以保證合適的漿網(wǎng)速比。但 降低液位不僅不能充分利用溢流槽排除紙漿中的氣泡和浮漿等雜質(zhì)，而且漿位如果低于勻漿輥 中心線，就不能有效發(fā)揮勻整作用來(lái)改善漿料流動(dòng)狀況，勻漿效果變差。因此，常規(guī)氣墊式流 漿箱漿位控制技術(shù)（即加正壓技術(shù)）不能滿足車速低于150m/min的造紙機(jī)，這就制約了高定 量、低車速紙機(jī)（如多疊網(wǎng)涂布白板機(jī)）選用性價(jià)比較高的氣墊式流漿箱。3改進(jìn)控制方案3.1改進(jìn)措施注粹：機(jī)械連接； ，電信號(hào)電氣建接； 一軸連接3為了擴(kuò)充氣墊式流漿箱的車速適用范圍，在其常規(guī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加一些必要的輔 助設(shè)備，提出一套完整的氣墊式流漿箱漿位控制方案，使得在紙機(jī)車

11、速較低時(shí)（100m/min以 下）也能使氣墊式流漿箱箱體內(nèi)漿位保持在最佳位置，以獲得良好的勻漿和噴漿效果。漿位控 制的改進(jìn)方案如圖2所示。在圖2中，羅茨風(fēng)機(jī)與氣墊式流漿箱之間通過(guò)可換向氣路管道連接起來(lái)，是空氣流動(dòng)的 通道，實(shí)現(xiàn)給流漿箱箱體內(nèi)加壓（注入空氣）或抽負(fù)壓（抽出空氣）功能。工控機(jī)和PLC之 間通過(guò)接口板卡和MPI網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況監(jiān)視和人機(jī)接口功能。羅茨風(fēng)機(jī)變頻器用 于控制羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)、出氣量來(lái)調(diào)節(jié)流漿箱箱體內(nèi)漿位。勻漿輥電 機(jī)變頻器用來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)勻漿輥的轉(zhuǎn)速，因兩個(gè)勻漿輥轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速通常相同，這里采用一個(gè) 變頻器控制兩個(gè)勻漿輥電機(jī)。羅茨風(fēng)機(jī)變頻器和勻漿輥

12、電機(jī)變頻器受PLC控制，需要PLC發(fā) 出啟/停信號(hào)和轉(zhuǎn)速（頻率）設(shè)定信號(hào)，同時(shí)要向PLC返回運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。漿位信號(hào)和網(wǎng)速（代表紙機(jī)車速）信號(hào)也要進(jìn)入PLC參與控制。羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)陟3可換向氣路硬件設(shè)各機(jī)械建接關(guān)系示意圖圖3描述了可換向氣路的機(jī)械連接情況。羅茨風(fēng)機(jī)主要由羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)、消音器、空氣 過(guò)濾器和空氣過(guò)濾嘴四部分組成。當(dāng)流漿箱工作在抽負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，閥門VI、V2關(guān)閉，V3、V4打開(kāi)，空氣流向是：流漿箱一V3一羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)一空氣過(guò)濾嘴一V4,羅茨風(fēng)機(jī)起到“抽氣”作用；當(dāng)流漿箱工作在加壓狀態(tài)時(shí)，VI、V2打開(kāi)，V3、V4關(guān)閉，空氣流向是：空氣過(guò)濾器-消音器-V1-羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)-空氣過(guò)濾嘴-V2-

13、流漿箱，羅茨風(fēng)機(jī)起到壓氣”作用；當(dāng)流漿箱工作在敞開(kāi)狀態(tài)時(shí)，羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)停轉(zhuǎn)，空氣流向與加壓狀態(tài)時(shí)相同。3.2改進(jìn)控制算法氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，在調(diào)試的初始階段，憑借單回路PID控制很難穩(wěn)定。 但對(duì)于熟練的工程技術(shù)人員，甚至操作人員卻很容易在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整穩(wěn)定，原因在于他們 對(duì)當(dāng)前的工況能夠很快進(jìn)行判斷并做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作(如加快泵的轉(zhuǎn)速或調(diào)整閥門的開(kāi)度 等)。經(jīng)驗(yàn)豐富的操作者并不依靠控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)對(duì)象的某些定性知識(shí)以及自 己的操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，并且在線確定和變換控制策略。我們?cè)跉鈮|式流漿箱常規(guī)控制策略的 基礎(chǔ)上，增添仿人智能控制算法11、12，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模仿熟練操

14、作工的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行控 制，組成了一個(gè)仿人智能控制系統(tǒng)，具有操作方便、控制精確高、投入成本低的特點(diǎn)。對(duì)流漿箱實(shí)施仿人智能控制，需要將其過(guò)程分為幾個(gè)階段：1)開(kāi)機(jī)階段，液位和壓力為 零，偏差最大，需要增加壓力和液位；2)調(diào)整階段，液位和壓力相差不大，需要進(jìn)行微調(diào)；3) 運(yùn)行階段，液位和壓力的誤差在允許范圍內(nèi)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控；如果因?yàn)闈{池等因素引起波動(dòng)， 系統(tǒng)可以馬上進(jìn)行調(diào)整；車速改變需要壓力隨之改變，實(shí)時(shí)調(diào)整；4)停機(jī)階段，需要先停漿 泵，然后再能停風(fēng)機(jī)，防止灌漿。根據(jù)這些原則，可以建立如下控制規(guī)則：if APAPH and AL-ALH then P= PO +K1, L= LO -Iif APAP

15、H and-ALHAL-ALM then P= PO +K1, L= LO -12；if APAPH and-ALMAL-ALL then P= PO +K1, L= LO -13；if APHAPAPM and AL-ALH then P= PO +K2, L= LO -11；(n) if APMAPAPL and ALNALH then P= PO +K3, L= LO -11；式中符號(hào)意義：AP是總壓的偏差，AL是液位的偏差，APH和APM和APL分別是總壓 偏差的范圍設(shè)定限值(APHAPMAPL)，ALH和ALM和ALL分別是液位偏差的范圍設(shè)定 限值(ALHALMALL)，P和L分別是

16、沖漿泵和風(fēng)機(jī)當(dāng)前輸出值，PO和LO分別是它們上 一時(shí)刻輸出值，Ki和Ii是對(duì)應(yīng)不同情況得輸出變量變化量，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到。改進(jìn)方案的 詳細(xì)控制邏輯如圖4所示。通過(guò)增加可換向氣路管道、勻漿輥轉(zhuǎn)速變頻器，使氣墊式流漿箱 可工作于加壓”、“抽負(fù)壓”和敞開(kāi)”三個(gè)工作狀態(tài)。漿位控制回路的控制算法采用帶死區(qū)和高 低限位功能的PI算法，并且融入了上述仿人智能經(jīng)驗(yàn)。在漿位外給定計(jì)算公式 LSP2=K*a2*VW2中，a為漿/網(wǎng)速比，根據(jù)工藝要求給定，取值范圍一般在0.911.05, K為 一常系數(shù)，默認(rèn)值為1.5816x10-5。勻漿輥轉(zhuǎn)速因勻漿輥直徑、安裝位置、開(kāi)孔率的不同而不 同，線速度一般為620m/m

17、in，在分段后的網(wǎng)速變化區(qū)間內(nèi)，勻漿輥電機(jī)轉(zhuǎn)速VR的具體數(shù)值 可由經(jīng)驗(yàn)公式VR=KG*(KR*VW+VB)計(jì)算得到，其中KG為齒輪減速比，KR和VB分別為 斜率系數(shù)和截矩，其數(shù)值可以通過(guò)流漿箱供應(yīng)商提供的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到。圖5描述了工作在敞開(kāi)狀態(tài)下的氣墊式流漿箱漿位控制回路方框圖。漿位的內(nèi)、外給定可以根據(jù)實(shí)際工況任意選取，采用了無(wú)擾切換技術(shù)11，使得控制軟件能夠保證切換瞬間的無(wú) 擾動(dòng)，即具有無(wú)擾切換功能。當(dāng)圖5中的軟開(kāi)關(guān)切換到外給定時(shí)，漿位給定值也由網(wǎng)速信號(hào)VW和給定的漿/網(wǎng)速比a計(jì)算得到。具體算法為：LSP2=K*a2*VW2，其中，a為漿/網(wǎng)速比，根據(jù)工藝要求給定，取值范圍一般在0.911

18、.05，K為一常數(shù)。網(wǎng)tt號(hào)校崗值巧.世宅怕 望何內(nèi)皓定段定mgalt可耳山蛀*武Tn，alt可耳山蛀*武Tn，&制I敦出控煎悟J史樁耳勒5tr甬替村：fSi陽(yáng)出控*有號(hào).或史菱茨域機(jī)嚏燃kta耳詭 土.*，：i.2 4 .結(jié)論本文提出的氣墊式流漿箱漿位控制技術(shù)已被固化到基于西門子S7-200/300 PLC的控制系統(tǒng)中，并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用了近50套，收到如下控制效果：漿位控制精度達(dá)0.5%，即漿位波動(dòng)被控制在2.0-1.5mm之內(nèi)（漿位設(shè)定值一般為350-400mm）；總壓頭控制 也因漿位控制精度的提高而得到進(jìn)一步提高，控制精度也達(dá)到土0.5%。由于增加了抽負(fù)壓功 能，使得氣墊式流漿箱的

19、車速適應(yīng)范圍擴(kuò)大到100-550m/Min之間的各類造紙機(jī)。對(duì)于敞開(kāi)式 流漿箱，由于將氣墊式流漿箱的總壓控制思想應(yīng)用其中（圖5所示），使得敞開(kāi)式流漿箱在保 持箱體內(nèi)漿位幾乎不變的前提下可保持穩(wěn)定的漿/網(wǎng)速比（在本技術(shù)推出之前，這一點(diǎn)是幾乎 做不到的）。圖6為采用西門子WinCC繪制的氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)人機(jī)界面截取圖，該圖 對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)被應(yīng)用到我國(guó)的東北邊陲黑龍江海拉爾一造紙廠?？刂葡到y(tǒng)已投入運(yùn)行超 過(guò)2年到良好的運(yùn)行效果，用戶未曾提出1次售后服務(wù)。圖5描述了工作在敞開(kāi)狀態(tài)下的氣墊式流漿箱漿位控制回路方框圖。漿位的內(nèi)、外給定 可以根據(jù)實(shí)際工況任意選取，采用了無(wú)擾切換技術(shù)11，使得控制軟件能夠

20、保證切換瞬間的無(wú) 擾動(dòng)，即具有無(wú)擾切換功能。當(dāng)圖5中的軟開(kāi)關(guān)切換到外給定時(shí)，漿位給定值也由網(wǎng)速信號(hào)VW和給定的漿/網(wǎng)速比計(jì)算得到。具體算法為：LSP2=K*a2*VW2，其中，a為漿/網(wǎng)速比，根據(jù)工藝要求給定，取值范圍一般在0.911.05，K為一常系數(shù)，默認(rèn)值為1.5816x10-5漿網(wǎng)速比a圈5工作拍瞰開(kāi)狀態(tài)下的氣墊式流漿箱漿位控制網(wǎng)路方框圖4結(jié)論網(wǎng)速信號(hào)漿網(wǎng)速比a圈5工作拍瞰開(kāi)狀態(tài)下的氣墊式流漿箱漿位控制網(wǎng)路方框圖4結(jié)論網(wǎng)速信號(hào)外始定Ijspj漿位信號(hào)LT羅茨風(fēng)機(jī) 變頻器豚展成.機(jī)電機(jī)內(nèi)給定.Lgp漿位外給定計(jì)算本文提出的氣墊式流漿箱漿位控制技術(shù)已被固化到基于西門子S7-200/300

21、PLC的控制系統(tǒng)中，并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用了近50套，收如下控制效果：漿位控制精度達(dá)土0.5%，即漿 位波動(dòng)被控制在土2.0-1.5mm之內(nèi)（漿位設(shè)定值一般為350-400mm）；總壓頭控制也因漿位控制 精度的提高而得到進(jìn)一步提高，控制精度也達(dá)到0.5%。由于增加了抽負(fù)壓功能，使得氣墊 式流漿箱的車速適應(yīng)范圍擴(kuò)大到100-550m/Min之間的各類造紙機(jī)。對(duì)于敞開(kāi)式流漿箱，由于 將氣墊式流漿箱的總壓控制思想應(yīng)用其中（圖5所示），使得敞開(kāi)式流漿箱在保持箱體內(nèi)漿位 幾乎不變的前提下可保持穩(wěn)定的漿/網(wǎng)速比（在本技術(shù)推出之前，這一點(diǎn)是幾乎做不到的）。圖6為采用西門子WinCC繪制的氣墊式流漿箱控制系統(tǒng)人機(jī)界面截取圖，該圖對(duì)應(yīng)的控 制系統(tǒng)被應(yīng)用到我國(guó)的東北邊陲一一黑龍江海拉爾一造紙廠?？刂葡到y(tǒng)已投入運(yùn)行超過(guò)2年， 收到良好的運(yùn)行效果，用戶未曾提出1次售后服務(wù)。圖6氣墊式流漿箱控制系統(tǒng).人旭界面截取圖參考文獻(xiàn)1劉建安，陳克復(fù)。高速紙機(jī)流漿箱的設(shè)計(jì)與發(fā)展J。華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002, 30 (6)：76-80。 湯偉，王孟效，李明輝。紙機(jī)流漿箱的發(fā)展綜述J。陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005, 23(5)： 132-136。3劉煥彬，Louis L.Edwards。對(duì)氣墊流漿箱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的評(píng)估J。中國(guó)造紙，1989(3)： 17-24。4葛銘，孫優(yōu)賢。氣墊式流漿箱實(shí)驗(yàn)裝置的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器設(shè)