卫生纸生产过程

1、中南大学过程控制仪表调研报告题 目： 卫生纸制作工艺流程 学 院： 信息科学与工程学院 专业班级： 电气1401 小组成员： 2016年11月21日摘要在卫生纸从浆板原料到原纸的造纸过程中,有些关键的工艺参数必须要控制好,才能生产出质量合格的原纸。在造纸过程中,主要分流送部分与抄纸部分,其中流送部分有碎浆、磨浆、配浆、上浆等内容,抄纸部分有成形、压榨、干燥、压光、卷取等内容,其他与之配套有真空、白水、损纸等系统。如何控制好这些过程中各步骤的关键工艺参数,直接影响到所生产出来原纸质量的好坏。下面我们将根据调研结果详细讨论这几个造纸过程步骤的控制。关键字：工艺参数 控制 系统目录一前言41.1课题

2、背景41.2国内造纸技术现状4二生产流程概述52.1碎浆52.2磨浆62.3配浆82.4上浆92.5成形102.6压榨112.7干燥112.8卷取12三 过程控制详述133.1配浆工艺及其控制143.2控制方案选择143.3成浆池液位斜坡控制153.4 浆料配比串级控制163.5 辅料的配比控制173.6 结束语18四 调研总结19一前言 1.1课题背景 据中国造纸协会调查资料，2015年全国纸及纸板生产企业约2900家，全国纸及纸板生产量10710万吨，较上年增长2.29%。消费量10352万吨，较上年增长2.79%，人均年消费量为75千克（13.75亿人）。2006-2015年，纸及纸板生

3、产量年均增长率5.71%，消费量年均增长率5.13%。 根据国家统计局数据，2015年全国规模以上纸制品生产企业3898家，生产量7038万吨，较上年增长6.07%；消费量6766万吨，较上年增长6.18%；进口量12万吨，出口量284万吨。2006-2015年，纸制品生产量年均增长率13.60%，消费量年均增长率13.84%。 1.2国内造纸技术现状随着我国经济的快速发展，国内造纸机械行业取得了很大的进步，尤其是最近10年，有一些别的行业如航空、造船等参与造纸机械的生产，产品的技术水平、新产品开发、单机规模也有了很大的提高。出现了不少民营股份制企业，其中一些企业对提高产品技术水平、开发新产品

4、具有很高的热情。但这个行业的基本格局没有大的变化，主要表现为产品趋同，缺乏特色；过度竞争，利润微薄；产品性能不稳定，技术水平偏低。这些特点说明了我国造纸机械行业目前仍处在初级发展的阶段，一方面低档产品相对过剩，利润下降；另一方面，对高档产品的需求又难以胜任。二生产流程概述 流送部分：碎浆、磨浆、配浆、上浆 卫生纸生产 抄纸部分：成形、压榨、干燥、压光、卷取 下面就这几个步骤，对卫生纸的生产过程进行概述。流送部分2.1碎浆碎浆过程要控制的主要工艺参数为碎浆的浓度、时间和抽浆浓度。碎浆的浓度、时间决定浆料的疏解程度,抽浆浓度是下一步骤磨浆的基本条件。如图 1 所示,当碎浆过程开始加水时,把流量计所

5、测量的流量就开始累加计算,根据/加水量=(浆板重量 x 浆板绝干量)/浓度-浆板重量 0 的公式计算确定碎浆与抽浆的加水量。当浆板下到开动的碎浆槽里且累加流量等于碎浆的加水计算量时,关闭加水自动阀,开始计算碎浆时间,这用定时器或在 DCS 程序中都可轻易实现。达到所设定的时间后,打开自动阀加水,直到累加流量等于抽浆的加水计算量,同时进行抽浆,这样便可在浆池内得到稳定浓度的浆料。2.2磨浆磨浆过程要控制的主要工艺参数有浆料通过量、磨浆功率与磨浆浓度。因为实时配浆使长短纤维的用量常常变化较大,同时影响到磨浆机的出口压力,这就需要改变回流量,控制浆料在磨浆机通过量,来稳定磨浆机的出口压力。如图2所示

6、,通过流量计测量出配浆所需的浆流量与回流量,而两者之和便是浆料在磨浆机通过量。设定浆料通过量,控制回流阀,让回流量随配所需的浆流量的变化而反向变化,这样便可得到稳定的浆料通过量。对测量出的瞬间浓度与浓度设定值的比较,通过 PID 调节稀释自动阀来控制磨浆浓度。对双盘磨而言,控制磨浆功率即控制它的进刀深度。如图 3 所示,以磨浆功率的设定值为中线设定一个在工艺允许范围内的偏离区,磨浆功率在偏离区内,不进刀也不退刀;若向上超出偏离区则退刀,反之向下超出偏离区则进刀。为了保护盘磨,控制进退刀的电机有快速与慢速两档,又以磨浆功率的设定值为中线设定一个大于偏离区的区域,磨浆功率在这个区域内慢速进退刀,反

7、之磨浆功率在区域外则快速进退刀。这样在所设的浆料通过量与磨浆功率都稳定的情况下,可得到打浆度符合工艺要求的良浆。2.3配浆现在高速卫生纸机的工艺流程都是实时配浆,一般分上层浆料与下层浆料,上层浆料由长纤、短纤配成,短纤居多,使上层纸面手感较滑;下层浆料由长纤、短纤、损纸配成,长纤与损纸居多,使生产出来的卫生纸有较好的拉力。配浆过程要控制的主要工艺参数是每条配浆线路的流量。如图 4 所示,每条配浆线路都配有流量计,配浆池有液位传感器,根据配浆池的液位测量值与设定值进行 PID 控制,把其输出值结合配浆时每条浆料线路所占百分比的设定值及实际浓度,通过公式“瞬间流量=配浆池的液位PID控制输出值X配

8、浆百分比X系数/浓度”便可计算出每条线路所需的瞬间流量,即流量的设定值。根据流量的设定值与流量计的输入值,对每条线路流量计前的自动阀进行 PID 调节,则流量的实际值接近设定值,从而使上下层的浆料达到工艺要求的稳定状态。2.4上浆上浆过程要控制的主要工艺参数有上浆浓度、上浆流量。其上浆浓度的控制是一个典型的 PID 控制,如图 5 所示,通过对稀释自动阀的调节达到接近设定浓度的目的。而对上浆流量的控制相对就比较复杂了,在卷取部中配有扫描架测量纸页的定量与水份,为了达到定量稳定的目的,以扫描架测量的定量为输入值,每种纸工艺要求的定量为设定值,进行反应较慢的 PID 调节;而它的输出值参与一定的算

9、式计算,得到上下层的上浆流量的设定值;再结合现场流量计测量的流量为输入值进行动作较快的 PID 控制,把输出值赋予上下层定量阀的步进电机,调节定量阀的开度。经过双层的PID 控制,在卷取部得到的定量基本趋于设定值。抄纸部分2.5成形在定量阀开度、上浆浓度、流浆箱唇板开度等参数确定后,成形部要控制的主要工艺参数只剩浆网速比了。因为网速基本等于纸机的速度,所以要控制浆网速比,就要调节喷浆速度。如图 6 所示,先从成形辊的传动电机的编码器处得到瞬时转速,结合成形辊的周长算出线速度,即网速;再通过公式/浆速=浆网速比网速 0 计算出在工艺要求的浆网速比下的浆速,通过系数把它转换成所要求上下层冲浆泵的转

10、速,这样计算出来的转速为设定值,从冲浆泵传动电机的编码器处得到瞬时转速为输入值,经过比较不断修正给冲浆泵的输出值,达到控制浆速的目的。2.6压榨压榨过程要控制的主要工艺参数有压榨辊与烘缸的压力及烘缸电机、压榨辊电机、成形辊电机这三个传动点的负荷分配。压榨辊与烘缸的接触是靠压缩空气维持的,在压榨辊两边的气囊引出气路安装压力传感器,监测瞬间的气压,并为 PID 控制的输入值;以设定的总气压乘以两边设定的百分比,便得到两边气压的设定值;再把输出值送给各自的压力比例调节器,控制气囊的气压。这样便完成了一个 PID 控制过程。烘缸电机、压榨辊电机、成形辊电机的三点传动负荷分配也会影响到纸页的质量,先以烘

11、缸的速度为基准,根据负荷分配确定压榨辊与成形辊的基本速度;再以压榨辊为基准,经过二次负荷分配确定成形辊的速度。由于该步骤涉及到的内容较为复杂，本小组未找到详细的资料，因此在这里只能简单叙述了。2.7干燥干燥系统包括烘缸的蒸气系统和气罩的热风系统。蒸气系统主要是把烘缸均匀加热和排走烘缸内的冷凝水。所以它的主要工艺参数是进缸的蒸气压力及通过烘缸的蒸气流量。如图 7 所示,控制进缸的蒸气压力是以二次蒸发气的循环热泵为主,补充新蒸气的自动阀为辅。在烘缸的蒸气进口处附近安装压力传感器,所测量的压力作为输入值,结合其设定值进行 PID 控制,把输出值乘以 2,再把所得的计算值与 100 比较,取较小的值赋

12、给二次蒸发气的循环热泵的自动阀;同时把所得的计算值减去 100,再把它与 0 比较,取较大的值赋给补充新蒸气的主辅功能。通过烘缸的蒸气流量即二次蒸发气的流量,由再用蒸气与排放蒸气两条气路组成。以烘缸的蒸气出口处附近安装的流量传感器所测量的瞬时流量作为输入值,结合其设定值进行 PID 控制,通过上述的同样方法对输出值进行处理后,再送给再用蒸气自动阀与排放蒸气自动阀,做到先调节再用蒸气自动阀,待它的开度达到 100%后,再调节排放蒸气自动阀。这样稳定了通过烘缸的蒸气流量,有利于烘缸冷凝水的排出。2.8卷取卷取过程要控制的主要工艺参数是起皱率。起皱率的大小关系到生产出来的纸的厚薄及皱纹,起皱率的控制

13、主要通过改变抄速差来实现的。如图 9 所示,设定抄速差后,以烘缸的线速度为基准,计算出卷纸缸的线速度,根据卷纸缸的直径,把线速度转化成转速,送给传动部分的卷纸缸起动控制单元,加上从卷纸缸传动电机的编码器处得到瞬时转速的反馈,对输出信号进行修正,从而使卷纸缸的转速不断接近设定值,达到控制抄速差的目的。以上是本小组对卫生纸机造纸过程的几个主要步骤的工艺关键控制点的内容介绍。3 过程控制详述本小节对卫生纸生产过程中的配浆步骤涉及到的过程控制进行了详细的叙述。3.1配浆工艺及其控制配浆工段是通过调节阀控制各浆种的流量来实现浆料配比的(见图1) ,各路浆送入成浆池后,经充分搅拌,由成浆泵送到高位箱,用于

14、纸机抄造,在此过程中就涉及到浆料配比和成浆池液位控制。图 1 配浆工艺流程图3.2控制方案选择 传统的PID控制方法很难做到对浆池液位的精确控制,当液位给定值与测量值有误差时,用某种浆料来调节液位的偏差是不合理的, 这会影响浆池内浆料的正确配比;若同时动作各路浆料的流量,即同时调整每种浆料流量(增加或减少),既要满足液位的稳定要求,又不影响浆料的配比,传统的控制方法很难达到这样的要求。另外,采用传统的控制方法也很难做到辅料添加的精确控制。因此,在实际控制中,对浆池液位采用斜坡控制,对浆料配比和辅料添加采用串级控制方式,以解决传统控制方法的不足。图 2 传统控制系统基本结构图3.3成浆池液位斜坡

15、控制 成浆池液位控制主要是控制各路浆的加入量,但各种浆料要按比例添加。为此,采用了斜坡控制方式 (见图3) ,斜坡控制不是直接控制浆的加入量,而是根据当前液位得到1个液位控制系数,再按此系数计算各路浆的添加量。由图3可看出,浆位控制系数共分为 4 段, 浆位越低,控制系数越大,浆的加入速度也就越快,从而快速提高浆池液位。同理,浆位越高,控制系数越小,浆的加入也就越慢。此外,在第1段和第4段的斜坡较陡,使得浆料加入量变化较快,目的要使浆位快速回到控制区域。中间2段较为平稳,其液位变化对加入浆池浆料的流量影响不会很大,这个区域也是浆池液位控制的理想区域。在实际应用中,每个段的折点值可在线调节,以得

16、到理想的液位控制。图 3 液位斜坡控制示意图 另外, 从图3可知, 4段斜坡就是4段直线,由它们的折点可得到4段直线的斜率和截距,再根据当前液位量便很容易计算出控制系数。 3.4 浆料配比串级控制 本控制系统由操作人员输入各路浆的配比量,用液位斜坡计算得到的液位控制系数结合PID算法,对浆流量进行串级控制,从而实现浆料的配比控制。浆料配比控制有3种控制状态可供选择:串级控 制、自动控制、手动控制。手动控制, 由操作人员给出输出值,即直接控制阀门开度;自动控制,由操作人员输入流量给定值,通过 PID 算法控制输出值;串级控制,由计算机计算流量给定值,再由PID 算法控 制输出值,给定值的计算结果

17、就是由各路浆的配比量和液位控制系数得到的。自动和手动控制时,无法精确控制浆料配比量,也无法控制浆池液位,只有串级控制才能实现浆料的配比量和浆池液位精确而稳定的 控制(见图4)。控制系统实现了控制状态的无扰动切换,操作人员可根据需要进行切换。在串级控制或自动控制状态时,当某路浆流量信号出现故障,该路浆的流量控制自动切换为手动状态,因为此时无法投入 PID 控制;串级控制时,若浆池液位信号出现故障,将切换为自动控制状态,因为此时无法计算液位控制系数。此外,计算给定值时要用到各路浆的浓度值,在浓度信号故障时,将使用实验室浓度值进行计算。串级控制时,浆料给定值的计算过程为:（1）根据成浆池液位得到液位

18、控制系数 m;（2）计算总干浆量程 L=Fi*Ci, F为各路浆流量的量程, C为各路浆的当前浓度; （3）取各路浆的配比量 Pi; （4）计算各路浆的给定值 SPi= (m * L * Pi) / Ci; （5）送入 PID 控制。 图 4 浆料配比控制框图3.5 辅料的配比控制辅料也采用3种控制状态: 串级控制、自动控 制、手动控制,其功能与前述相同,同样具有信号故障判断,并进行控制状态切换的功能(见图 5) 。串级控制时辅料的添加量是根据其要求的配比量和 当前加入成浆池的总浆量计算得到的,下面以品兰的配比控制为例加以说明。串级控制时,品兰给定值的计算过程为: （1）计算当前总干浆流量 F = Fi*Ci, F为当前各路浆流量,C为各路浆的使用浓度(即当前浓度值或实验室浓度值) ;（2）取品兰的配比量 P 和浓度C;（3）计算品兰的加入量 M= F*P;（4）