纸张质量控制系统优势与发展趋势分析*

黄 伦，黄 勋，赵志明

（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）

0 引言

自改革开放以来，国内造纸业得到了飞速的发展，纸和纸板的产量和消费量均连续多年仅次于美国，位居世界第二[1-2]。纸和纸板的产量从1980 年的543.6万吨增加到2019年的10 765万吨，其平均增长率逐年增大，并且在过去5 年中增长更快[3]。国内制浆造纸机械产业在这一阶段也取得了快速发展，过去五年中大约70%的新增纸品产量是通过国产设备实现的[4]。国产设备是我国造纸工业的中坚力量，同时造纸工业的发展也在很大程度上促进了国内造纸设备的发展[5]。随着造纸业的进一步发展，越来越多的国内造纸企业也纷纷开始采用纸张质量控制系统（QCS），这对于提高造纸企业技术水平、加工精度、单机产能、设备可靠性，以及降低能耗、减小工人劳动强度等方面有着相当大的作用[6]。这指明了国产造纸设备今后的发展方向，同时也对于减小我国造纸业与国际先进水平的差距具有重大的战略意义。

1 QCS系统

QCS 系统是现代大型造纸工厂DCS 系统中一个重要的子系统，主要应用于抄纸工段的定量水分灰分等指标的监测与控制[7-8]。QCS 系统是提高产品质量、节约原材料、降低生产成本、提高企业生产效益的有力保障，其实质就是要经过精确测量使得纸张的各个控制变量的含量维持在一定范围内，如纸的定量、水分、灰分、厚度、光泽度、涂布量等物理指标[9]。其中最重要的两个指标是定量与水分，这两个指标是否达标决定了纸张的优等品率[10]。定量（也称绝干浆量）指的是单位面积纸中所含纤维的质量，而水分指的是单位面积纸的含水量[11]。

扫描架以及安装在扫描架上的各种控制器、服务器、诊断站、操作员站、传感器、执行机构再加上相应的算法与软件便组成了造纸机QCS系统[12]。扫描架系统是精密的机电一体化设备，在QCS 系统中具有举足轻重的作用。扫描架是确保所有在线传感器精确测量的基础平台，也是QCS 系统现场设备中连续运动的设备之一[13]，一般有O 型与C 型两种之分，C型架多用于宽度较小的纸机，现在国内大多采用O型架。图1 所示为一种O 型扫描架的结构图[14]。其主要工作是作为测量探头的承载平台完成纸张横幅的扫描，因此该系统对稳定性、准确性有着相当高的要求。扫描架由全钢的上梁、下梁、操作侧立柱、传动侧立柱组装而成，上下梁之间安装有扫描探头，扫描探头通过来回移动来实现对纸张不同区域相关指标的监测与控制，传感器都安装在扫描探头中，扫描探头和传感器都有上、下之分，下探头一般安装定量传感器的放射源和智能红外水分传感器的红外灯泡，上探头安装定量和水分传感器的信号采集接收装置[15]。

图1 O型扫描架

对于普通造纸机，可直接采用纵向（Machine Drection-MD）监测与控制，对于大型或有特别要求的造纸机，可增加横向（Cross Drection-CD）监测与控制[16-17]。纵向控制主要由纵向定量、水分解耦控制，网前箱浆网速比控制，烘缸蒸汽自动升降压控制，协调变换纸种、车速控制，QCS质量显示或报告控制等所组成[18]。而横向控制则由横向定量、水分、厚度控制，横向整饰执行器控制，横向涂布量执行器控制等所组成[18]。

QCS系统具有丰富的测量与控制界面，能动态显示各种测量变量、过程变量、控制变量和曲线图，同时系统还能提供生产报表功能（包括班报表、日报表、月报表）和其他所需报表（包括故障发生时间、故障位置以及故障内容，系统数据库状态列表等）[19]。在造纸生产过程中，为了使智能定量水分传感器进行在线测量，一般将定量、水分传感器安装于手动或自动扫描架上，使仪器能够实现对纸幅横向、纵向进行全程监控。该控制系统基于以上生产需要，能够使扫描架工作在自动或手动两种工作状态下。而且，针对造纸行业的特殊要求，可增加断纸自动监测功能，因此其也是用于造纸在线检测仪器的配套产品，广泛应用于造纸等行业[20-21]。

2 QCS的优势与先进控制策略的应用

2.1 QCS的优势

纸张的印刷质量、物理及光学特性等指标都不同程度地受纸张定量、水分含量所影响。纸张定量偏高时会导致纸浆的浪费，偏低时会导致断纸故障的发生，纸张定量不均容易导致印刷出来的字迹不清从而造成纸张浪费。纸张的水分含量过高会导致纸张纤维之间的结合强度降低；纸张水分含量过低会导致纸张刚性增强而变脆。因此纸张定量以及水分含量的监控对于造纸企业而言尤为重要[22]。

QCS系统的使用为生产车间和质检部门提供了更全面的纸张定量水分信息。以前定量水分含量的测定通常由工人从纸捆上取纸样，然后到实验室中进行测定，这个程序相当繁琐，且容易受工人的主观能动性所影响，往往具有很大的不确定性，得到的结果变化范围很大[23]。要想实时、全面地反映纸张定量水分分布情况和纸病等现象，就必须让纸张定量水分实现在线测定。这样便能使现场操作人员或质检部门及时了解造纸机的生产状况动态，使质量控制部门和现场操作人员可以全面了解和考核纸张的质量，做到及时发现问题并解决问题。这克服了实验法测量结果片面、不及时的缺点，也可以使质量控制部门取消繁琐的日常抽样调查来进行定量水分测定的环节[24]。

QCS系统的使用为实现纸张定量水分的在线监控提供了可能性。若QCS 系统不能实现在线测定，纸张定量水分等指标的含量就很有可能得不到有效控制。评价纸张质量的许多指标与定量水分含量密切相关，通过实现纸张定量水分的计算机监控，可以减少纸张定量水分误差值，使定量水分值达到稳、准、快的控制效果，也保证了系统多变量输入输出的稳定功能[25]。相应的，纸张的平滑度也有所提高，进而提高纸张产量，浆料与蒸汽使用量也大大减少，这就降低了能耗[26]。根据经验统计，每提高1%的纸张水分可节省5%的蒸汽，而提高2%的纸张水分便可节省多达10%的蒸汽。造纸企业要想保证纸张的质量指标同时节约纸浆用量与蒸汽，可将定量含量控制在定量许用范围的最小值处，而将水分含量控制在水分许用范围的最大值处，即减小纸张定量含量，增加纸张水分含量。另外，设备的故障率能得到相应地减小，运行寿命也随之延长。造纸机的运行参数得到了很好地控制，所以既能减小造纸操作工作的劳动强度，也能提高纸张的成品率[27]。因此，QCS系统的使用对于稳定纸张质量、提高造纸企业的市场竞争力有着十分重要的战略意义。

2.2 先进控制策略的应用

控制策略被称为QCS系统的“心脏”，先进控制策略的应用在纸张质量水分控制中起着决定性的作用。由于造纸过程的复杂性与对造纸产量需求的不断提高，多年以来，人们对QCS 系统先进策略的探索也从未停止过。

针对定量和水分之间存在着强耦合，难以建立精确的数学模型，两调节量与被调节量之间相互影响的问题，2001 年，孙鑫等[28]采用神经网络解耦控制，结果取得了良好的控制品质。2010年，王平等[29]采用Smith 模糊自适应PID 控制策略，将其应用于造纸工业的定量水分控制系统之中，解决了造纸过程中的强耦合和纯滞后等问题，能够满足定量水分控制对误差的要求，得到了令人满意的控制效果。

2012 年，Nagaraj B 等[30]将遗传算法、进化规划、粒子群优化算法相结合，并将该算法用于造纸机水分控制系统中。结果与常规控制系统进行对比，发现该控制器能控制水分很快接近设定值并保持稳定状态，且具有良好的稳态响应和性能指标。

2015 年，C.Karthik 等[31]采用自适应控制和MPC控制相结合的方法对纸张干燥过程进行控制，通过调整蒸汽压力控制器的设定值，并利用Matlab 进行仿真。结果表明自适应模型预测控制具有明显的优势，能提高生产效率和产品质量，从而降低生产成本。同年，姜苏英等[32]提出了一种单神经元与预测控制相结合的控制算法，并在抄纸过程定量水分控制中进行应用，得到的结果响应平稳、超调量小、响应速度快、调节时间短、自适应性好、鲁棒性强、结构简单、易于实现，能够为抄纸过程提供更有效、更精确的控制。

2017年，胡亚南等[33]针对纸张抄造过程中定量与水分间存在强耦合的问题，提出了一种模糊神经网络（FNN）解耦控制器，并将该策略应用于国内某造纸厂的质量控制系统中。结果显示有较好的动态响应和较强的鲁棒性，可以满足该纸机定量水分高精度控制要求。

3 QCS的发展趋势

随着人口的增长与经济的快速发展，纸张使用量逐年增加，造纸工业过程向着大型化、综合化、集散化、开放化的方向发展，使得生产的安全性和可靠性、企业的经济效益和质量评估成为当今控制水平的重要指标，从而促进了质量控制技术的大力发展，进而确保造纸工业生产中的产量和质量的提高[22]。造纸企业新型、高效、环境友好型技术装备的使用，必然会在节能降耗、改善环境和提高经济效益等方面迫使落后产能退出市场[34-35]。

开放式控制系统意味着同一台设备的几个子控制系统的设置是按照国际标准进行的，对外是开放的，工厂各种自动化设备（如计算机、PLC等）之间能够方便地进行通讯，现场设备将更加方便地与上位机进行生产数据的实时交换。电子信息技术、现代控制理论、人工智能技术、可编程控制器、嵌入式技术、触摸屏与人机界面、智能传感器以及智能控制策略等技术的相继问世使得QCS 系统越来越“开放”[36]。越来越多的造纸企业开始在“开放性”上下大功夫，目的是尽可能地简化其QCS 系统与其他厂家的设备进行组网的步骤与方式，开发新的通讯方式并不断完善系统的通讯功能，将QCS 系统与工厂管理系统联系在一起，让QCS 系统真正实现集监控、管理于一体[37]。自主技术和产品的发展，将极大地提高国内造纸工业生产技术的集成能力和设备的整体水平。

QCS系统信息处理量不断加大，通信量也将随之扩大，因此造纸企业将更加重视系统的可靠性，现场总线技术就能很好地解决这一问题，其使得操作及管理进一步集中，控制及危险进一步分散[38]。现场总线具有数字化、智能化、完全透明的特点，采用同一根电缆进行供电和通信，节省了大量电缆以及其他布线辅助设备，可随时进行网络管理和系统升级，并进行自上而下和自下而上的双向通信。容错技术与冗余功能的应用也使得QCS 系统的运行故障率大大下降，新设备的设计将更加人性化、安全化，维护保养也会更加方便，调试周期也将明显缩短；不断将各种先进控制理论与策略（如自适应、神经网路、模糊控制等）引进到控制系统中，目的是要进一步提升系统的性能[39]。在系统规模和结构上，将形成从小型到大型覆盖各个生产规模的产品，以满足不同生产规模的需求[40]。开发具有自主知识产权、低成本的基于工业以太网的QCS 系统，使纸张质量控制技术向着更加智能化、网络化和集成化的方向发展，对于造纸企业来说具有非常重要的现实意义[41]。

4 结束语

随着社会经济与生活水平的不断提升，人们对纸制品的使用量也日益剧增，以餐饮业纸巾使用与快递包装用纸最为明显，这就为造纸企业乃至造纸设备提出了更高的要求。QCS系统作为造纸机自动化控制系统的一部分，发挥着举足轻重的作用。QCS系统的使用将是造纸业的大势所趋，为造纸企业提高工艺精度和改善纸张质量提供了更加良好的技术保障，保证了纸张的均一性、生产能力的最大化，节省了原料，降低了污染排放，也是造纸企业增强市场竞争力、提高生产效率和经济效益的必然要求。