【正文】 系列指標(biāo)，如定量，水份，灰份，平滑度，光潔度等，其中最重要的是定量和水份。定量就是單位面積紙的重量，它反映了紙張的厚度和均勻度。水份就是紙中的含水率，起值過高，將導(dǎo)致紙頁容易撕裂，過低有會導(dǎo)致紙張發(fā)脆，撕裂度差。在質(zhì)量檢驗(yàn)時，要求這兩項(xiàng)指標(biāo)都落在一定的公差范圍之內(nèi)。定量控制的效益來自定量偏差的 減小。假如生產(chǎn) 100 克 /米 的紙張，允許定量偏差為177。 5 克 /米 ，若實(shí)現(xiàn)下偏差卡邊控制后，使定量穩(wěn)定在 96 克 /米 ，生產(chǎn)同樣長度的紙，可節(jié)約紙漿 4％。相反，實(shí)現(xiàn)上偏差卡邊控制后，使定量穩(wěn)定在 104 克/米 ，生產(chǎn)同樣長度的紙，就多用紙漿 4％。水分控制與定量控制類似。 3 從生產(chǎn)者來說，總是希望產(chǎn)品的定量靠近公差的下限，這樣可以節(jié)省原料；同時希望水分靠近公差的上限，這樣既可以減少烘干所需能源，又可以增加成品紙的重量，在不增加原料能耗的情況下增加產(chǎn)量。但是在生產(chǎn)過程中，由于種種干擾因素的影響，定量和水 份的波動總是存在的，它們都是圍繞各自平均值上下波動的隨機(jī)變量。因此，為了保證產(chǎn)品合格 率，必須使定量的平均值高于公差下限。 1． 2 紙機(jī)的工藝過程 紙機(jī)按結(jié)構(gòu)（主要是網(wǎng)部結(jié)構(gòu)） 不同，有長網(wǎng)紙機(jī)，圓網(wǎng)紙機(jī)，夾網(wǎng)紙機(jī)和復(fù)合紙機(jī)幾種類型。它們的基本組成相同，都是由網(wǎng)部、壓榨部、干燥部和卷紙機(jī)等組成。長網(wǎng)造紙機(jī)與其他三種的不同之處，主要是網(wǎng)部由網(wǎng)籠和網(wǎng)槽組成。 長網(wǎng)造紙機(jī)是造紙工業(yè)中使用最廣泛的一種造紙機(jī)。如圖 11 所示：典型長網(wǎng)造紙機(jī)可以看作由多臺設(shè)備組成的聯(lián)動機(jī)，通常分為濕部和干部兩部分。濕部包括漿料流送設(shè)備、網(wǎng) 部和壓榨部；干部包括干燥部、壓光機(jī)和卷紙機(jī)（切紙機(jī)）。 圖 1－ 1紙張生產(chǎn)過程系統(tǒng)示意圖 經(jīng)過打漿處理的濃紙漿（濃度約為 3%），用回水池中的水稀釋到 %左右，通過除砂與過濾處理后送入稀漿池中。在這里把滑石粉等填料假如稀漿池中，再把稀漿池中的稀漿用泵打入流漿箱內(nèi)。流漿箱里的液位和壓力都要求保持恒定，以保證稀紙漿以恒定的速度由流漿箱均勻地噴到銅網(wǎng)上。銅網(wǎng)上紙漿中的紙纖維量就決定了成品紙張中所含的紙纖維量。它的多少直接影響紙張的厚度 ，即紙張的定量。紙纖維量由濃紙漿的流量來控制。紙漿在網(wǎng)上被脫水，然后在烘干缸段被擠壓，烘干和壓光。紙漿脫水和紙頁烘干由電機(jī)拖動勻速前進(jìn)，最后成為成品紙卷在卷筒上。烘缸內(nèi)充有蒸汽，蒸汽流量控制著烘干的程度，即紙張水份的含量。紙張的定量和水份分別由卷筒前面的β射線測厚儀和紅外線濕度計(jì)來測定，又分別通過調(diào)節(jié)漿料閥門和蒸汽閥門來 4 得到控制。 1． 3 造紙過程國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 造紙起源于我國，是我國古代的四大發(fā)明之一。我國東漢時期的蔡倫制成了人類歷史上的第一張紙，開創(chuàng)了人類社會文明進(jìn)步的新紀(jì)元 ,對世界文明的發(fā)展與進(jìn)步，做 出了無與倫比的貢獻(xiàn)。約 200 年前，機(jī)制紙技術(shù)首先在歐洲出現(xiàn)，后逐漸傳播到世界各地。至今只有少數(shù)幾個國家不能造紙，絕大多數(shù)國家都擁有自己的造紙工業(yè)。 隨著文化和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，造紙業(yè)在全世界產(chǎn)業(yè)中的地位已經(jīng)變得越來越重要，被列為國民經(jīng)濟(jì)十大支柱制造產(chǎn)業(yè)之一。紙與紙板的消費(fèi)水平已經(jīng)成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。 1995 年，全球造紙工業(yè)的總銷售額為 2600 億美元，總資產(chǎn)為 4000 億美元。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（ FAO）的統(tǒng)計(jì)，全球紙和紙板產(chǎn)量已由 1950 年的 4300 多萬噸發(fā)展到 1998 年的 億噸。建國以來，特別是改革開放以來，我國造紙工業(yè)得到了快速發(fā)展。紙和紙板的產(chǎn)量從 1950 年的 38 萬噸猛增到 2021 年的 3200 萬噸，已躍居世界第三位。按產(chǎn)量排序，我國目前可以稱為紙業(yè)大國，但我國決不是紙業(yè)強(qiáng)國 [11][13]。 1． 3． 1 國外造紙概況 隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，制漿造紙工業(yè)的自動化也得到了較快發(fā)展。國外對制漿過程計(jì)算機(jī)控制的研究始于上世紀(jì)六十年代末，在此期間，研究者建立了各種能適用于計(jì)算機(jī)控制的數(shù)學(xué)模型。七十年代初出現(xiàn)了以電子計(jì)算機(jī)為中心的 對整個制漿過程進(jìn)行控制的自動化系統(tǒng)。 1974 年瑞典 Modocell AB 和 ASEALME AutomationAB 公司 ,研制出具有蒸鍋內(nèi)堿液濃度在線分析的間歇蒸煮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [1]。目前國外先進(jìn)的間歇計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都是由過程級、優(yōu)化級和管理級三級組成，能對整個制漿過程的能源、原料、藥液和產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)化、管理和控制。國外對回收過程的動態(tài)建模和控制方面的研究始于五六十年代，但至今建立的各種模型大多是過阻尼類的線性模型，很難解釋多效蒸發(fā)系統(tǒng)的欠阻尼振蕩現(xiàn)象，而控制策略大多是 PID 反饋加前饋的傳統(tǒng) 控制方法，現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用還不成熟。 國外對抄紙過程計(jì)算機(jī)控制的研究始于五十年代末。美國于 1960 年最早實(shí)現(xiàn)了造紙過程計(jì)算機(jī)控制 [2][3]。美國的 Measurex 公司和 AccuRay 公司，以及德國的 Lippika 公司，是當(dāng)今世界造紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最先進(jìn)的三家公司，這三家公司已有商品化的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它們的定量儀、水分儀、灰份儀、濃度儀、流量計(jì)、控制閥、掃描架和工業(yè)控制機(jī)都代表了當(dāng)今世界的最高水平。它們的成套技術(shù)和實(shí)施技術(shù)也是最高水平的，模型和控制算法比較簡單。 5 1． 3． 2 國內(nèi)造紙發(fā)展概況 我國造紙行業(yè)現(xiàn)有造紙廠 4330 個，造紙機(jī)近 10000 臺，其中長網(wǎng)機(jī) 700 臺，大型圓網(wǎng)紙機(jī) 800 臺，大型圓長網(wǎng)結(jié)合紙機(jī) 1200 臺 [11]。 1998 年全國造紙企業(yè)年產(chǎn)量在 10 萬噸以上的只有 32 家 ,急需用規(guī)?；同F(xiàn)代化技術(shù)取代舊模式。未來發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)在新聞紙、印刷、書寫紙和包裝紙，更多的低定量、高性能的產(chǎn)品將得到發(fā)展，低質(zhì)量的非木纖維產(chǎn)品將被淘汰。 縱觀國內(nèi)外自控技術(shù)的發(fā)展情況，我國自動控制技術(shù)的研究和應(yīng)用水平還很欠缺，造紙過程控制更是如此。在國外被廣泛重視和應(yīng)用的 單片機(jī)控制技術(shù)，模糊控制技術(shù)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)在我國還處于剛起步階段。 我國造紙企業(yè)中， 1978 年之前還沒有一套造紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [12]。當(dāng)時全國造紙工業(yè)中只有一些常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，用于鍋爐、蒸煮、打漿等工段的單回路控制，而且多在一些新建的大型紙廠，許多老廠和小廠的生產(chǎn)還是人工操作。 1978 年，我國開始引進(jìn)了幾套定量水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用于大型紙機(jī)的控制， 取得了經(jīng)驗(yàn)。后又陸續(xù)引進(jìn)了多套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，全國各大紙廠基本都有了計(jì)算機(jī)控制設(shè)備。引進(jìn)的控制系統(tǒng)多用于生產(chǎn)牛皮紙、新聞紙的大型 高速紙機(jī)上，產(chǎn)量高，效益顯著。我國造紙企業(yè)多為年產(chǎn) 萬噸以下小廠，采用的造紙?jiān)隙酁椴轁{，對于這樣的小廠，引進(jìn)設(shè)備的投資往往超過其固定資產(chǎn)投資，而經(jīng)濟(jì)效益卻并不顯著。使用進(jìn)口設(shè)備的弊端是國外公司的技術(shù)保密，引進(jìn)后只能使用，而對其內(nèi)部硬、軟件原理都不能了解。設(shè)備維修和零配件更換仍需花費(fèi)大量外匯。對于大規(guī)模提高我國造紙工業(yè)自動化水平極為不利。 1983 年浙江大學(xué)造紙自動化研究推廣中心進(jìn)行了紙機(jī)定量、水分控制系統(tǒng)的研制工作 [13]。雖然當(dāng)時國內(nèi)已有廠家引進(jìn)了幾套國外成套的紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，但 國外廠商的技術(shù)保密使得國內(nèi)的研究工作幾乎是白手起家。該中心也從事紙機(jī)數(shù)學(xué)模型開發(fā)、控制方案設(shè)計(jì)、控制算法推導(dǎo)、工藝流程改造、儀表研制和計(jì)算機(jī)硬件安裝調(diào)試、計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)等大量研究開發(fā)工作。 1984 年 7 月，國內(nèi)第一套紙機(jī)定量、水分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在浙江嘉興民豐造紙廠的 1 號紙機(jī)上運(yùn)行成功，取得了重大得經(jīng)濟(jì)效益，打破了外國壟斷造紙機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的局面。這套系統(tǒng)自 1984 年 7 月開始運(yùn)行，至今仍保持良好的性能，證明了國產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。目前該公司開發(fā)成功了 SYQCS3000 增強(qiáng)型定量水分控制系統(tǒng)、 SYGCS－ 3000 熱泵供汽控制系統(tǒng)、SYNCS3000 紙漿濃度控制系統(tǒng)、 SYHCS3000 上網(wǎng)流送過程控制系統(tǒng)、 SYDCS3000 制漿造紙過程集散控制系統(tǒng)、 SYWIS3000 在線紙病檢測系統(tǒng)、 SYNET3000 制漿造紙企業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)等面向制漿造紙行業(yè)自動化系列產(chǎn)品。 6 1． 4 本課題的研究內(nèi)容 紙張質(zhì)量主要取決于兩個指標(biāo)：定量和水份。定量反映了紙張的厚度。水份與紙纖維和填料一起決定了紙張的定量。因此，控制的首要任務(wù)是使定量和水份保持在設(shè)定值上。 本系統(tǒng)主要研究紙張定量的自動控制， 控制要求 為： 紙張定量 設(shè)定值 為100克 /平方米； 控制 誤差為177。 5克 /平方米 。 第二章 系統(tǒng)總體方案論證 單位面積紙張中所含紙纖維及填料的重量稱為絕干定量，它可以從紙的定量和水份中算出（單位是 g/m2） ： 絕干定量 =定量 水份（ g/m2） 因此 ， 在只研究對定量的控制時，為了消除水份對定量的耦合影響，可以采用絕干定量作為系統(tǒng)的輸出。從絕干定量的定義可知，它與紙的含水量無關(guān)，也不受烘缸中蒸汽壓力的影響，因此實(shí)現(xiàn)了解耦，它只是由濃漿流量來決定。這樣絕干定量的控制就變成了一個單輸入 單 輸出的系統(tǒng)。 一般的紙張絕干定量占定量的 95%左右，含 水約為 5%，因此如果把絕干定量控制的很穩(wěn)定，波動很小，那么定量的波動也就可以大大減小了，因此可以直接利用單變量的 控制 方法來對絕干定量加以控制，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)定量的控制要求。 2． 1 控制系統(tǒng)方案的確定 自動 控制系統(tǒng)包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制 [14]。閉環(huán)控制能對輸入量和輸出量進(jìn)行比較 ，并且將他們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間的預(yù)定關(guān)系。 因此閉環(huán)控制 具有 抑制內(nèi) 、外擾動 ， 精度高 等優(yōu)點(diǎn) ，有利于實(shí)現(xiàn)高精度控制。 閉環(huán) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 控制器 檢測裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對象 7 圖 21 控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 2． 1． 1 控制系統(tǒng)類型的確定 隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛， 控制系統(tǒng)中的控制器也越來越多的采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可分 為操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制（ DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC）和分布控制系統(tǒng)。 在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)常用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測、處理及實(shí)驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型，調(diào)試新的控制程序等。 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的（ DDC）是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用。該系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)是靈活性大。在常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)中，控制器一經(jīng)選定，其控制方法也就確定了，要改變控制方法就必須改變硬件，這就往往難度較大。而在DDC 系統(tǒng)中，由于微機(jī)代替了常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器，因此要改變控制方法，只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)了，無須對硬件線路作任何改動。另外，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，用來改善控制質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益 [21]。 根據(jù) 紙張定量控制系統(tǒng)的 控制 要求，本系統(tǒng)采用 DDC 系統(tǒng)。 2． 1． 2 微控制器方案的確定 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)控制的進(jìn)步。目前，已有各種各樣的微型控制系統(tǒng)在工業(yè) 中得到應(yīng)用。根據(jù)被控對象的規(guī)模主要在工業(yè)控制中使用的計(jì)算機(jī)可以有：STD 工控機(jī)、 PLC 和單片機(jī)系統(tǒng)等。 STD 總線工業(yè)控制機(jī)是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 它具有：（ 1）小板結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)；（ 2）標(biāo)準(zhǔn)化及兼容性；（ 3）面向 I/O 口設(shè)計(jì)；（ 4）高可靠性等特點(diǎn)。 這種控制機(jī)采用 STD（ Standard）總線，該總線曾在 20 世紀(jì) 80 年代末 20 世紀(jì) 90 年代初風(fēng)靡了整個工業(yè)控制領(lǐng)域，但近年來隨著工業(yè) PC 的發(fā)展，開始逐漸退出歷史的舞臺。 可編程控制邏輯器（ Programmable Logical Controller），簡稱 PLC，是早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。它吸收了微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，發(fā)展十分迅速。如今的 PLC 幾乎無一例外地采用微處理器作為主控制器，又采用大規(guī)模集成電路作為存儲器及 I/O 接口，因而使其可靠性、功能、價(jià)格、體積都達(dá)到了比較成熟和完美的境地，并以其卓越的技術(shù)指標(biāo)和優(yōu)異的抗干擾能力得到了廣泛的應(yīng)用，受到工業(yè)界的矚目。 它具有 ： （ 1） 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) ；（ 2）功能完善、擴(kuò)展方便、組合靈活、實(shí)用性強(qiáng) ；（ 3） 編程簡單、使用方便、控制過程可 8 變 、具有很好的柔性 ；（ 4） 體積小、重量輕、功耗低 等特點(diǎn)。 由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固，體積小巧，易于裝入 機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備，但價(jià)格相對比較貴。 單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer），簡稱單片機(jī)。它是工業(yè)控制和智能化系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種模式。這種模式的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的實(shí)際需求開發(fā)、設(shè)計(jì)一個單片機(jī)系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。單片機(jī)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比具有很多優(yōu)點(diǎn) [15]： （ 1）單片機(jī)控制系統(tǒng)的算 法靈活，控制功能強(qiáng)：不改變硬件即可改變控制算法及控制方式，從而提高系統(tǒng)的性能。容易實(shí)現(xiàn)較高級的控制。 （ 2）單片機(jī)控制系統(tǒng)精度高，量程大：模擬調(diào)節(jié)器的精度通常為 %左右，而數(shù)字計(jì)算機(jī)的精度可通過擴(kuò)展字節(jié)不斷提高。