造紙線控制系統

一、系統核心目標

1. 質量穩定：精準控制成品紙的定量（單位面積重量）、水分、厚度、白度、強度等關鍵指標，減少波動；
2. 效率提升：實現各環節設備聯動同步，減少斷紙、停機等異常，提升生產線運行率（通常目標≥95%）；
3. 成本優化：通過能耗（蒸汽、電力、水資源）精準控制及原料（紙漿、化學品）定量投放，降低單位產品消耗；
4. 安全保障：實時監測設備工況（溫度、壓力、轉速）及生產風險（斷紙、超壓），觸發緊急保護動作，避免事故。

二、造紙線生產流程與對應控制模塊

1. 原料制備環節控制

• 控制對象：木片 / 廢紙等原料的輸送、蒸煮（化學制漿）或碎解（廢紙制漿）；
• 核心控制參數：
  • 原料輸送：木片倉料位（避免空倉 / 滿倉，通過料位傳感器 + 皮帶輸送機變頻調節）；
  • 蒸煮 / 碎解：蒸煮鍋溫度（150-180℃，通過蒸汽調節閥控制）、壓力（0.5-1.2MPa）、保溫時間（影響成漿纖維質量），廢紙碎解濃度（3%-5%，通過加水閥調節）；
• 控制目標：保證原料均勻供應，成漿纖維長度、純度達標。

2. 制漿環節控制

• 控制對象：打漿（磨漿）、凈化、篩選、漂白（按需）；
• 核心控制參數：
  • 打漿度（叩解度）：衡量纖維細化程度（如文化紙需 30-45°SR），通過磨漿機間隙 / 轉速變頻調節；
  • 漿濃度：篩選前需 1.0%-1.5%，通過濃度傳感器 + 稀釋水閥閉環控制；
  • 漂白劑添加量：根據白度需求（如白卡紙≥85% ISO），通過流量傳感器 + 計量泵精準投放；
• 控制目標：漿纖維性能、純度、白度匹配成品紙需求。

3. 抄紙環節控制（核心環節）

• 網部控制：
  • 核心參數：上漿量（決定定量）、脫水速度（避免濕紙幅斷裂）；
  • 控制邏輯：在線定量儀實時檢測濕紙幅定量，反饋至控制系統，通過上漿泵變頻調節流量；同時通過真空脫水輥負壓調節（真空度 - 0.04~-0.06MPa）控制脫水速度；
• 壓榨部控制：
  • 核心參數：壓榨壓力（如 150-300kN/m）、壓榨輥轉速（與網部同步）；
  • 控制邏輯：通過液壓系統調節壓榨壓力，提高濕紙幅干度（從網部 15%-20% 提升至 35%-45%），減少后續干燥能耗；同時通過編碼器實現壓榨輥與網部速度同步（誤差≤0.1%），避免紙幅拉伸。

4. 干燥環節控制

• 控制對象：多段烘缸（通常 10-30 個）、熱風系統；
• 核心控制參數：
  • 烘缸溫度梯度：從入口 50-70℃逐步升至 100-120℃（避免紙張起皺 / 開裂），通過蒸汽調節閥分段控制；
  • 紙幅張力：干燥過程中需保持穩定張力（如 20-50N/m），通過張力傳感器 + 烘缸轉速微調閉環控制；
  • 出口水分：成品紙水分需 6%-8%（文化紙），通過紅外水分儀檢測，反饋調節末段烘缸溫度或干燥部速度；
• 控制目標：紙幅均勻干燥，水分達標且無變形。

5. 卷取與后加工控制

• 卷取部：
  • 核心參數：卷取速度（與干燥部同步）、卷紙松緊度（避免內松外緊）；
  • 控制邏輯：通過速度編碼器實現同步控制，通過卷取輥壓力傳感器調節松緊度，保證卷紙平整（端面跳動≤1mm）；
• 后加工（如分切）：
  • 核心參數：分切寬度（如 A4 紙 210mm）、分切速度；
  • 控制邏輯：通過伺服電機精準控制分切刀位置，變頻調節分切速度，與卷取速度匹配。

三、控制系統核心組成

1. 硬件層：控制核心與網絡

2. 檢測執行層：感知與動作

• 檢測端（傳感器 / 儀表）：
  • 工藝參數檢測：濃度傳感器（漿濃度）、流量傳感器（上漿 / 蒸汽）、溫度傳感器（烘缸）、壓力傳感器（壓榨 / 蒸汽）；
  • 質量檢測：在線定量儀（β 射線 / 紅外）、水分儀（紅外）、厚度儀（激光）、白度儀（光譜）；
  • 設備狀態檢測：編碼器（轉速 / 位置）、張力傳感器（紙幅張力）、振動傳感器（磨漿機 / 烘缸）；
• 執行端（執行器）：
  • 流量 / 壓力調節：電動調節閥（蒸汽 / 水）、氣動調節閥（漿流量）；
  • 速度 / 轉速控制：變頻器（上漿泵、風機、輥子）；
  • 壓力 / 位置控制：液壓系統（壓榨壓力）、伺服電機（分切刀）。

3. 軟件層：監控與優化

• SCADA 系統（監控層）：
  • 功能：實時顯示工藝流程畫面、關鍵參數曲線（如定量 / 水分趨勢）、設備運行狀態（運行 / 故障）、報警信息（超溫 / 斷紙）；支持操作員通過 HMI（人機界面）手動調節參數或啟停設備；
  • 典型軟件：WinCC、Intouch、iFix；
• 先進控制算法（控制層）：
  • 基礎控制：PID 控制（穩定單一參數，如漿濃度）；
  • 復雜控制：模型預測控制（MPC，用于多變量耦合系統，如干燥部溫度 - 張力協同）；
  • 智能優化：機器學習算法（如基于歷史數據預測斷紙風險、優化漂白劑添加量）；
• MES 系統（管理層）：
  • 功能：與控制系統集成，實現生產計劃下達、質量數據追溯（每卷紙的定量 / 水分記錄）、能耗統計（單位產品電 / 蒸汽消耗）、設備維護計劃管理；
  • 價值：打通 “控制 - 管理” 數據鏈，支撐工廠數字化運營。

四、關鍵控制功能與價值

1. 質量閉環控制（核心價值）

1. 在線定量儀檢測紙幅定量（如目標 70g/㎡，實測 72g/㎡）；
2. 檢測數據傳輸至 DCS/PLC；
3. 控制算法計算偏差（+2g/㎡），輸出調節指令；
4. 變頻器降低上漿泵轉速，減少上漿量；
5. 再次檢測定量，直至回歸目標值（誤差≤±1g/㎡）；

• 價值：成品紙定量波動從 ±5% 降至 ±1%，滿足高端紙（如銅版紙）質量要求。

2. 設備聯動與同步控制

• 控制邏輯：通過編碼器采集各環節輥子轉速，DCS 統一協調變頻器，保證各環節速度差≤0.1%；
• 價值：斷紙次數從每日 5-8 次降至 1-2 次，生產線運行率提升 5%-10%。

3. 能耗優化控制

• 蒸汽優化：根據干燥出口水分需求，動態調節烘缸蒸汽壓力（而非全程滿負荷），減少蒸汽浪費；
• 電力優化：根據生產負荷（如紙幅寬度、速度），變頻調節風機、水泵轉速（如風機負荷從 100% 降至 70%，耗電減少 50%）；
• 價值：單位產品能耗降低 8%-15%，年節約成本數百萬元（按萬噸紙產能計算）。

4. 安全與故障保護

• 緊急停機：當檢測到烘缸超溫（＞130℃）、壓榨超壓（＞350kN/m）或斷紙時，系統立即觸發急停，切斷蒸汽 / 電源，避免設備損壞或火災；
• 故障預警：振動傳感器監測磨漿機軸承振動（正常≤0.1mm/s，預警≥0.2mm/s），提前提醒維護，避免軸承卡死導致停機（單次停機損失＞10 萬元）；
• 價值：重大設備事故發生率降低 90%，非計劃停機時間減少 60%。

五、發展趨勢：智能化與數字化

1. 數字孿生：建立造紙線虛擬模型，實時映射實際生產狀態，可模擬 “調整壓榨壓力對干度的影響”，提前優化參數，減少試錯成本；
2. AI 全流程優化：基于海量生產數據（3-5 年）訓練 AI 模型，實現 “原料 - 工藝 - 質量” 端到端優化（如根據木片濕度自動調整蒸煮時間）；
3. 邊緣計算：將部分控制算法（如振動分析、斷紙預測）部署在邊緣節點（如磨漿機本地工控機），減少數據傳輸延遲（從 100ms 降至 10ms），提升實時性；
4. 綠色控制：通過精準控制減少水資源消耗（如抄紙網部沖洗水回收利用率從 60% 提升至 90%）、降低廢水 COD 排放（通過化學品定量投放），符合環保要求。

總結