基于KajaaniRM3的特种纸留着率在线测量控制系统

霍 宏

(牡丹江恒丰纸业股份有限公司，黑龙江牡丹江，157013)

牡丹江恒丰纸业股份有限公司 (以下简称恒丰纸业)16#特种纸机主要生产卷烟用纸，多种工艺指标要求非常严格。

从造纸工艺来讲，如果纸机湿部的网下白水浓度稳定，则网部的留着率也就能够稳定，即产品的合格率提高。众所周知，纸机湿部会受到多种生产变化因素的影响，所以纸机湿部工艺参数很难稳定。对于卷烟用纸来讲，纸机湿部的白水成分主要是原料中的纤维和碳酸钙，所以保证原料纤维浓度和碳酸钙浓度的稳定就可保证白水浓度和网上留着率稳定。从控制理论上来讲，若要保证纤维浓度和碳酸钙浓度稳定，则必须准确测量出纤维浓度和碳酸钙浓度。恒丰纸业16#特种纸机采用的是美卓公司KajaaniRM3浓度分析仪和传感器监测网下白水浓度。

1 KajaaniRM3浓度分析仪的组成和测量原理

KajaaniRM3浓度分析仪结构如图1所示，主要由1个测量单元 (传感器)、1个变送器中心单元(TCU)和1个手动取样器组成。在恒丰纸业16#特种纸机上，KajaaniRM3浓度分析仪安装在纸机中央布浆器旁边，取样器安装在中央布浆器回流管路上。KajaaniRM3浓度分析仪是模块化测量分析仪，可以根据工艺要求和现场取样位置进行模块化安装，如取样器、样品泵、反冲洗隔绝阀等都是可选组件。KajaaniRM3浓度分析仪在TCU中有各种用户接口、PC连接和DCS连接。在TCU中可以进行就地采样和查看等操作;PC连接可以通过FidldCare软件进行测量数据查看、组态、标定、诊断和趋势;DCS连接接口用于操作、控制和报警。

图1 KajaaniRM3浓度分析仪的结构

1.1 测量单元

测量单元为KajaaniRM3浓度分析仪的传感器部分，由图1可知，测量单元主要由光学测量模块、电子连接单元、冲洗单元组成。测量单元可以对中央布浆器回流白水进行在线连续测量，不仅可以测量白水总浓度，也可以测量出白水中的碳酸钙浓度，同时可以计算出碳酸钙百分比。

1.1.1 光学测量模块

光学测量模块由激光源、氙光源、测量室、检测器等组成。在测量过程中，激光源和氙光源交替发出并形成一定波长的极化光，极化光通过光束分离器分成两束极化光，其中一束极化光在测量室中被白水中的纤维和碳酸钙吸收衰减成测量信号，另一束未被衰减极化光作为参考信号。测量信号和参考信号通过检测器就可以计算出白水中纤维浓度和碳酸钙浓度。

1.1.2 电子连接单元

电子连接单元包括对白水测量指标的数据采集和控制中央处理器单元 (CPU);包括监测和控制模拟量、数字量I/O信号板部分;包括测量白水pH值、电导率、温度的测量放大板;包括与其他设备通信的通信板，可以实现PC连线和Hart通信协议。

1.1.3 冲洗单元

冲洗单元包括冲洗阀A和反冲洗隔绝阀B。冲洗单元的功能为在规定阶段对样品进行正反两个方向清洗，在TCU中可以对正反两个方向的清洗时间进行设定。

1.2 KajaaniRM3浓度分析仪测量原理

KajaaniRM3浓度分析仪主要是检测网下白水中纤维浓度和碳酸钙浓度，图2为KajaaniRM3浓度分析仪的测量原理。

图2 KajaaniRM3浓度分析仪的测量原理

KajaaniRM3浓度分析仪主要是利用光学原理进行测量。由图2可知，该分析仪有两个光源 (激光源、氙光源)和6个接收信号组成。两个光源在没有进行测量之前，氙光源通过偏光镜变成极化光，然后通过反光镜将两个光束分成两路光，一路是测量光束，另一路是参考光束。测量光束测量样品时遇到纤维素和碳酸钙颗粒会把光束变成散射光和较亮的一致性光束，则散射光接收元件和氙气/激光测量元件分别接收这两种光束。最终氙光/激光测量元件检测信号和氙光/激光参考元件检测信号作为参考信号，以散射光接收元件检测信号作为补偿信号，就可以计算出纤维和碳酸钙颗粒在白水中的含量。

2 留着率在线间接测量原理

留着率是指从流浆箱喷射出的浆料留着在网部伏辊处的物料与从流浆箱喷射出的浆料之比。即留着率=［(流浆箱浆料－网下白水浆料)/流浆箱浆料］×100%［1］。在造纸过程中，通过流浆箱的浆料量和留着在网上网下浆料量是一定的，即知道流浆箱浆料浓度和网下白水物料浓度便可知其留着率。

通过上述分析可知，若想准确测出网部留着率，需要安装两套留着率分析仪，分别检测流浆箱浆料和网下白水的浓度。恒丰纸业16#特种纸机只在中央布浆器回流管路上安装1台KajaaniRM3浓度分析仪检测网下白水浓度，没有检测流浆箱浆料浓度，也实现了留着率自动控制，图3为恒丰纸业16#特种纸机留着率自动控制原理图。

2.1 网下白水浓度检测和流浆箱浆料浓度计算

对于卷烟用纸，从流浆箱喷射出的浆料主要为浆纤维和碳酸钙混合浆料。由图3可知，16#特种纸机网下白水的纤维和碳酸钙浓度可通过安装在中央布浆器回流管路上的KajaaniRM3浓度分析仪实时检测。

流浆箱浆料浓度可通过QCS和DCS系统检测到信息进行计算得出。流浆箱中浆料体积一定，知道流浆箱浆料纤维质量和碳酸钙质量就可计算出流浆箱浆料的纤维浓度和碳酸钙浓度，便可知浆料总浓度。在该方案中，流浆箱浆料纤维质量和碳酸钙质量可通过QCS系统扫描架检测纸张的绝干定量和灰分进行检测，从而可知流浆箱浆料中的纤维浓度和碳酸钙浓度，但该浓度是静态理想浓度。造纸过程是一个动态过程，所以流浆箱浆料动态的纤维浓度和碳酸钙浓度，具体计算见式 (1)和式 (2)。

图3 留着率自动控制原理

浆料动态纤维浓度=

式中，浆料动态纤维浓度、碳酸钙动态浓度单位均为g/L;上浆、白水量、布浆器回流量单位均为L/min;网速单位为m/min;K为标定系数，K=3.65;灰分质量(g)=QCS灰分测量的百分比×纸张定量。

在恒丰纸业16#特种纸机应用中，留着率控制采用的是KajaaniRM3浓度分析仪检测的网下白水总浓度，所以流浆箱浆料浓度也采用总浓度，即浆料动态纤维浓度加上碳酸钙动态浓度之和。网下白水碳酸钙浓度和流浆箱碳酸钙浓度用于日常参考查看。

2.2 留着率控制原理

由式 (1)和式 (2)可知流浆箱浆料和网下白水动态浓度，若这两个浓度稳定，就可以保证湿部工艺指标稳定，产品合格率即可提高。但在实际生产中网下白水浓度波动很大，同时也会干扰流浆箱浆料浓度，所以关键是保证网下白水浓度的稳定。

在实际生产中通过添加助留剂可以改善稳定留着率，降低网下白水浓度波动。所以控制助留剂的流量是控制网下白水浓度最有效的办法，即通过控制白水浓度间接控制网部留着率。该方案中留着率控制分为两级控制，一级是助留剂流量控制，即内环控制;二级是网下白水浓度控制，即外环控制。由图3可知，螺杆泵马达 M、流量计L与PC面板(PLC200控制器)可以组合成一级助留剂流量自动控制。当PC面板进入本地自动状态时，螺杆泵马达M转速可根据助留剂流量大小进行控制;螺杆泵马达 M、KajaaniRM3浓度分析仪、PC面板 (PLC200控制器)、QCS服务器组合成二级助留剂浓度自动控制。当在PC面板切换到远程控制状态 (螺杆泵马达M转速不受PLC200检测到流量计信号大小进行控制)与QCS系统组合成二级网下白水浓度控制时，即KajaaniRM3浓度分析仪检测到网下白水浓度信号送到QCS服务器，然后QCS服务器上设定的白水浓度与KajaaniRM3浓度分析仪检测到网下白水浓度进行比较，形成的输出控制信号传给现场的PLC200控制器，控制助留剂螺杆泵的转数，从而保证网下白水实时满足生产工艺要求。

由上述分析可知，保证网部留着率稳定之外，纸张的定量和灰分稳定尤为重要。由图3可以看出，网下白水浓度、流浆箱浆料浓度、浆料量、碳酸钙量之间存在相互制约干扰关系，所以也需要稳定控制浆料量和碳酸钙量。由图3可知，该方案中浆料量与碳酸钙量通过扫描架检测纸张的定量和灰分来控制。当二级控制投入自动控制时，QCS系统会根据纸张的定量、灰分和网下白水浓度进行解耦模型运算来控制网下白水浓度，最终保证纸机无论在正常生产状态下还是断纸接头时都能保证一个稳定快速的动态控制过程。

3 留着率自动控制方案

图4为留着率控制系统硬件结构组成。从图4可知，留着率控制系统包括执行部分和控制部分。执行部分包括助留剂变频器和螺杆供料泵控制输出;控制部分包括西门子 PLC200控制器、PC控制面板、QCS/DCS控制器和QCS操作站/服务器。

西门子PLC200控制器可以通过PC面板进行本地控制和QCS远程控制。助留剂由南京麦文公司制备，本文不加赘述。助留剂给定输出通过PLC200控制器来控制变频供料泵来实现，可以通过PC面板进行本地和QCS远程控制。

图4 留着率控制系统硬件结构组成

PC面板、PLC200控制器、变频泵和流量计组成助留剂流量控制系统，即内环控制。该控制具有手动控制、自动控制和报警功能。手动控制功能即在PC面板上给变频泵一个固定频率向纸机系统里输送助留剂，对助留剂的流量不做控制，所以手动控制不适合助留剂流量波动和浓度波动环境。自动控制功能就是PC面板、控制器、流量计和变频泵组成了一个PID流量控制回路，所以助留剂流量波动可以控制，但是对网下白水浓度波动还是不能实现控制，网下白水浓度控制问题在上述留着率控制原理中已分析。

该方案留着率自动控制采用的是网下白水浓度控制，即采用上述中的二级控制方案。控制逻辑结合图4所示，根据当前生产工艺单白水浓度要求在QCS操作站/服务器上输入白水浓度设定值，白水浓度设定值与KajaaniRM3浓度分析仪检测白水浓度值进行比较后，输出控制信号给PLC200控制器，然后PLC200控制器来控制变频器和螺杆供料泵，从而通过助留剂来控制网下白水浓度稳定。流浆箱浆料浓度根据2.1部分介绍，已经知道了流浆箱浆料总浓度计算方法。由留着率定义可知，知道了白水总浓度和流浆箱浆料总浓度便可知道纸机网部留着率。在恒丰纸业16#特种纸机实际应用中，由于流浆箱的浆料量和留着网上网下浆料量以及流浆箱浆料浓度基本是不变的，所以控制网下白水浓度稳定就可以保证网部留着率稳定［2］。

3 结语

恒丰纸业16#特种纸机网部留着率控制方案在实际应用中控制效果比较明显，但在更换品种相差较大纸种时控制响应速度相对慢一些。如果是更换过的纸种或相近的纸种可以根据经验值进行设定控制，这样控制响应速度就会显著提高。如果采用在流浆箱和网下白水各安装1台美卓KajaaniRM3浓度分析仪，在更换纸种或断纸时控制效果会更好，但是资金投入也会大幅增加。

［1］ CAO Yan-jun．Measures to Improve Retention System［J］．China Pulp ＆ Paper，2004，23(3):64．曹衍军．提高系统留着率的措施［J］．中国造纸，2004，23(3):64．

［2］ LU Ping．Application of On-line Detection System in Specialty Paper Machine［J］．China Pulp ＆ Paper，2013，32(4):53．陆 平．在线监测系统在特种纸机上的应用［J］．中国造纸，2013，32(4):53． CPP