第04章 制浆造纸过程中的简单调节系统

132 第4章 制浆造纸过程中的简单调节系统

纸是日常生活中不可缺少的重要消费品，也是工业生产的重要原料和包装材料。随着社会生产水平和人们物质文化生活水平的提高，对纸产品的产量和质量要求越来越高。为了提高纸的产量和质量，人们不断采用新的造纸工艺和设备，扩大纸机规模，提高纸机车速。另一方面，日益严重的世界性能源紧张和工业污染问题迫使能量消耗多、污染影响大的制浆造纸工业采取各种措施来减少污染、降低能耗。这样，就使得整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作已很难保证达到所要求的产品质量。因此，自动控制系统将在生产中发挥越来越重要的作用。

造纸过程控制的意义，还着重表现在制浆、碱回收、黑液提取、漂白、抄纸等生产过程的局部控制上，这些内容将在以后论述各个工段的控制时详细说明。

本章介绍简单调节系统，它是由一台变送器、一台调节器和一台执行器与一个调节对象构成的一个闭环调节系统。因为被调参数只有一个，所以又称单参数自动调节系统。这种调节系统在自动调节系统中占有相当大的比重，例如某造纸厂有自动调节系统162条，其中简单系统137条，占总数的85%。简单系统是生产过程自动化的基本环节，因此，简单自动调节系统，在自动化事业中，占有重要地位。

4.1 简单调节系统的基本问题

4.1.1 制浆造纸过程对象的特性

造纸过程是一个复杂的传质传热过程，造纸对象是一个复杂的多变量控制对象。造纸过程有十多个被控变量，但两个基本指标是定量和水分，影响这两个指标的因素有30多个，如纸浆的打浆度、湿重、浓度和流量，白水的浓度和流量，填料的浓度和流量，蒸汽的过热度、压力和流量，敞开网前箱的浓度、液位和温度，封闭网前箱的总压、液位和上部空间压力，铜网部的真空度，压榨部的线压力，烘干部的烘缸表面温度，胶液的浓度和流量，纸机的车速，空气的温度和湿度，铜网和毛毯的磨损与老化等，都会影响成纸的定量和水分。在如此之多的影响因素中，通常选择纸浆流量（浆料阀）和蒸汽流量（蒸汽阀）作为整机控制的控制变量。对于网前部、铜网部、压榨部和烘干部等的局部控制，被控变量与控制变量的选择视不同纸机而异。造纸过程控制是复杂的、困难的，造纸过程控制有一系列特点。

（1）对象的不确定性

造纸过程扰动因素多，特别是白水的浓度、纸机的车速、压辊的线压、铜网的老化、毛毯的磨损这些时变特性，促使造纸过程模型结构的不确定性和参数的不确定性。空气温度和湿度的变化，纸浆打浆度和湿重的变化，也会引起造纸过程模型结构的摄动和参数的摄动。纸种规格型号的改变（如书写纸有60克/米2、70克/米2、80克/米2等），将会导致操作条件的变化，操作条件的变化又会造成造纸过程控制对象特性的变化。传感器和执行器的特性漂移和失效，显而易见地会造成造纸过程广义对象特性的改变。此外，造纸过程某些局部具有严重的非线性，在外界扰动作用下，纸机的操作点就会移动，对象特性就会变化。如此种种变化，都说明造纸过程作为控制对象的特性是不确定的，这给造纸过程控制带来复杂性和困难性。

（2）状态的不完全性 133 造纸过程控制的状态不完全性，指的是纸页在抄造过程中，不少状态变量和扰动变量无法直测得到，这样就无法实现各种形式的状态反馈控制，也无法实现前馈补偿的各种控制。在许多状态变量和扰动变量中，贮浆池的打浆度和湿重，白水的浓度，网前箱纸浆的浓度，填料的浓度，胶液的浓度，施胶前纸页的定量和水分，对成纸的定量和水分都有明显影响，而且都是无法直接测量的。我们知道，纸张的质量主要取决于打浆的质量，如果纸浆的打浆度、湿重和浓度不合格，造纸机不可能生产出合格的纸张，可见纸浆的打浆度、湿重和浓度对成纸定量和水分的影响极大。此外，白水的浓度和网前箱纸浆的浓度很低，分别为0.085~0.15%和0.65~0.35%，对于这样低的浓度，目前还没有在线测量仪表，但白水浓度和网前箱纸浆浓度对成纸定量有着至关重要的影响。同时，填料的浓度和胶液的浓度波动会直接引起成纸定量的变化。最后施胶前纸页定量和水分，是成纸定量和水分的导前信号，如果能够对此进行测量和控制，对于减小定量和水分的偏差、节约纸浆和节省蒸汽，具有十分重要的意义。遗憾的是人们至今无法对它们进行直测，这给造纸过程控制无疑带来了不少麻烦。

（3）对象的强耦合特性

造纸过程是一个复杂的多变量过程，变量与变量之间相互关联、相互耦合，这是造纸过程的又一个特点。从整机控制的角度看，成纸定量由浆门控制，成纸水分由蒸汽阀门控制，可见它们是相互关联、相互耦合的。当成纸定量提量或降量时，成纸水分也会相应的增加或减少，反之亦然。对于精密纸机的网前箱，由浆门控制纸浆浓度，由蒸汽阀门控制纸浆温度，由白水阀门控制网前箱液位，它们也是相互关联的。当网前箱纸浆浓度改变时，网前箱液位和纸浆温度都会随之引起变化。对于高速纸机的封闭式网前箱，总压、液位和上部空间压力，分别由纸浆流量或白水流量和压缩空气量来控制，它们是严重相关的，网前箱液位升高或降低，总压和上部空间压力都会相应变化。此外，某些纸机烘干部几组烘缸表面温度控制，往往选择每组烘缸反应最灵敏的表面温度即灵敏点温度作为被控变量，并分别由相应的蒸汽阀门控制，这样的控制更是严重耦合的。由于上述各种变量的耦合都是强耦合，这样就增加了造纸过程控制的困难程度和复杂程度。

（4）对象的纯滞后特性

造纸过程具有纯滞后特性，有的造纸过程具有特大纯滞后。纯滞后时间与纸机车速、定量和流程长度有直接关系。一般来说，纯滞后时间与定量和流程长度成正比，而与纸机车速成反比。对于生产高定量纸的纸机，由于流程长，纸张厚，烘缸多，车速慢，纯滞后时间特大，一般在5分至50分的数量级；对于生产低定量纸的纸机，由于流程短，定量低，烘缸少，纯滞后时间在10秒至60秒之间；对于生产中定量纸的纸机，纯滞后时间在1分至3分的范围内；对于高速纸机，纯滞后时间极小，一般只有几秒至十几秒。从这里我们可以看出，造纸过程控制系统，是一个时滞不平衡系统，定量回路和水分回路的纯滞后时间一般不相等，扰动通道与调节通道的纯滞后也不相等，有的相差极大，这对造纸过程控制系统的设计与综合将是一个令人头痛的问题。更有甚者，对于某些高定量纸机，纯滞后时间远远大于时间常数，如果不采取有效措施，将会出现极差的控制品质。

（5）对象的非线性特性

造纸过程具有非线性，在某些局部非线性还十分严重。在网前部，等效网前箱的液位与出口纸浆流量呈二次方关系；在铜网部，案辊脱水方程和真空箱脱水方程都是指数关系；在压榨部，几道压榨的脱水方程同样是指数关系；在烘干部，传质、传热方程是高次方的 134 非线性方程，从烘缸内蒸汽冷凝，产生冷凝潜热传递给烘缸表面，由烘缸表面经纸页传递给毛毯，最后由毛毯传递至大气，每一个传递过程都是非线性过程。此外，水分由纸页至毛毯、由毛毯至大气的扩散和蒸发，也是非线性过程。造纸过程的每个局部都呈现非线性特性，整个纸机的状态方程当然也是非线性方程。但是，非线性严重的程度随不同的纸机而异，大多数都可以在工作点附近用线性方程来近似，有的还可以用双线性方程来替代，可是也有某些纸机非线性十分严重，只有用非线性方程来描述它的特性。我们应该看到，造纸过程本身是非线性过程，不管用哪种方法（线性、双线性、非线性）来描述，都会给设计人员带来设计和综合过程中的困难，当然，这也给设计人员提供了更加广阔的回旋余地。

4.1.2 简单控制系统的构成原理

自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的，所以先分析人工操作过程。图4-1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个工序来的物料连续不断地流入槽中，而槽中的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流入量iQ（或流出量0Q）波动时会引起槽内液位的波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改变出口阀门开度为控制手段，如图4-1-1(a)所示。当液位上升时，将出口阀门开大，液位上升越多，阀门开得越大；反之，则关小出口阀门。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出现贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液体抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有三方面[如图4-1-1(b)所示]。

1）检测 用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。

2）运算（思考）、命令 大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。

3）执行 据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量0Q，从而使液位保持在所需高度上。

玻璃管液位计（a）脑想手动（b）iQiQoQoQ眼看hh

图4-1-1 液位人工控制

眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算和执行三个作用，来完成测量、求偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。由于人工控制受到人的生理上的限制，因此在控制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。为了提高控制精度和减轻劳动强度，可用一套 135 自动化装置来代替上述人工操作，这样就由人工控制变为自动控制了。液体贮槽和自动化装置一起构成了一个自动控制系统，如图4-1-2所示。

变送器控制器给定值自动化装置oQh

图4-1-2 液位自工控制

为了完成人的眼、脑、手三个器官的任务，自动化装置一般至少也应包括三个部分，分别用来模拟人的眼、脑和手的功能。如图4-1-2所示，自动控制系统的主要组成部分分别是：

1）测量元件与变送器 它的功能是测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）；

2）自动控制器 它接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的液位高度相比较得出偏差，并按照某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去；

3）执行器 通常指控制阀，它与普通阀门的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。

显然，这套自动化装置具有人工控制中操作人员的眼、脑、手的部分功能，因此，它能完成自动控制贮槽中液位高低的任务。

4）被控对象 在自动控制系统的组成中，除了必须具有上述的自动化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。图4-1-2所示的液体贮槽就是这个液位控制系统的被控对象。造纸生产中的各种浆塔、浆池、换热器、泵和压缩机以及各种容器、贮槽都是常见的被控对象，甚至一段输汽、输浆管道也可以是一个被控对象。在复杂的生产设备中，如连蒸、连漂、连续打浆、配浆、干燥等，在一个设备上可能有好几个控制系统。这时在确定被控对象时，就不一定是生产设备的整个装置。譬如说，一个干燥过程，不仅需要控制各段蒸汽压力和差压等，汽水分离器的液位、冷凝水的温度等也需要控制，在这种情况下，就只有干燥的某一与控制有关的相应部分才是某一个控制系统的被控对象。例如，在讨论主管道蒸汽压力的控制系统时，被控对象指的仅是主蒸汽管道及阀门等，而不是整个干燥过程。

4.1.3 简单调节系统的基本问题

（1）被调参数的选择

被调参数从工艺方面说，是决定产品数量、质量和生产安全的因素；从调节方面说，要能获得且具有足够大的灵敏度，并有现成仪表可进行检测的参数。决定被调参数要工艺人员与自控人员共同完成。具体途径有两条：

1）直接指标 以工艺控制指标为被调参数。例如在造纸工业中，为了准确配浆，需