造紙行業(yè)自動化解決方案
一、前言
紙和紙板是人類文化與信息的重要載體，它的消費水平是衡量一個國家現(xiàn)代化水平和文明建設的重要標志。因此造紙工業(yè)的發(fā)展水平也直接反映一個國家的國民經(jīng)濟和文明建設的水平。
在造紙行業(yè)，中控有著完善的解決方案，豐富的工程實施經(jīng)驗。目前中控的控制系統(tǒng)已廣泛的應用于造紙行業(yè)各個工段，從備料、制漿、造紙、堿回收、污水處理到鍋爐發(fā)電、化學品制備等。2004年浙大中控緬甸200噸/日竹漿造紙項目的成功實施，打破了國外公司對制漿造紙全線過程控制的壟斷局面。
二、控制策略
造紙控制系統(tǒng)主要包括制漿過程、堿回收過程和造紙過程的控制。各個工段主要的控制策略如下：
1、制漿
制漿就是利用化學或機械的方法，或兩者結合的方法，使植物纖維原料離解，變成本色紙漿或漂白紙漿的生產(chǎn)過程。制漿按制漿方法可分為：化學制漿、化學機械制漿、廢紙制漿。本文僅針對化學制漿工藝的控制策略進行闡述。
化學制漿過程所屬的蒸煮、洗滌、篩選、漂白工藝復雜，設備繁多，屬于典型的輕化工流程工業(yè)。其過程控制特點是模擬量的控制及累積計量較多，控制對象具有強滯后特性，比如大容量蒸煮鍋的溫度、漂白PH值和漂后白度等。中控運用DCS強大的模擬量處理功能和先進的控制算法，成功的實現(xiàn)了制漿過程的難點控制，滿足了制漿過程的控制要求。
（1）蒸煮
蒸煮過程主要是脫木素的過程。蒸煮是制漿過程中的一個重要環(huán)節(jié)，蒸煮粗漿的質量直接影響后續(xù)洗滌、篩選、漂白工序以及成紙的質量和工廠的效益。它分為間歇蒸煮和連續(xù)蒸煮兩大類。
在蒸煮過程中，壓力控制的好壞直接影響溫度的控制效果。中控對壓力的控制采用了非線性調節(jié)規(guī)律—變增益PID自動控制的控制策略，在升、降壓過程中，改變調節(jié)器的增益，使整個回路的增益依然保持不變，可以保證壓力回路控制的穩(wěn)定性。
DDS蒸煮過程屬于典型的間歇批量生產(chǎn)過程。中控開發(fā)了批量配方管理專用軟件包，并在聚氯乙烯、涂料、乳膠膠水等化工批量生產(chǎn)過程中已得到了成功的應用，可滿足DDS蒸煮工程對批量控制的要求。
- 連續(xù)蒸煮
連續(xù)蒸煮按照“逆序（工藝流程）啟動，順序停機”的總體原則對工藝流程的各設備進行開/停機控制與嚴格的連鎖保護。連續(xù)蒸煮管控制關鍵在于：
濕法配料控制：為了保證原料通過量及原料在計量汽蒸器停留的時間，計量汽蒸器的螺旋軸轉速由變頗器調速，使得速度控制準確平滑。
蒸煮藥液系統(tǒng)控制：蒸煮液流量采用比值控制，跟隨雙螺旋計量器速度變化。蒸煮液槽液位達到上限報警自動停堿液泵。
蒸煮管壓力控制：由進汽調節(jié)閥控制實現(xiàn)。蒸煮管壓力必須設定聯(lián)鎖，壓力高限報警時關閉進汽調節(jié)閥。
蒸煮管液位值控制：由兩個出料冷噴放閥調節(jié)控制。任一噴放閥皆可實現(xiàn)卸料器內(nèi)液位自動控制。當液位持續(xù)不降時，備用調節(jié)閥排放漿料。
（2）洗選
蒸煮后漿料必須經(jīng)過洗滌、篩選和凈化等一系列物理化學處理過程，以除去蒸煮粗漿中含有的蒸煮廢液和部分粗渣、泥沙等雜質。典型洗滌設備多段真空洗漿機采用逆流洗滌，主要通過調節(jié)與控制上漿濃度、進出漿和稀釋水流量、排渣量等，使洗滌系統(tǒng)在滿足工藝約束條件下運行在最優(yōu)狀態(tài)。篩選凈化過程則需要對以下參數(shù)：進漿濃度、進漿流量、內(nèi)部稀釋水量、排渣量、進漿、良漿壓差進行控制。
（3）漂白
為了適應成紙的白度要求，本色漿（黑漿）必須通過加入化學藥品進行漂白。漂白過程是一個連續(xù)的化學反應過程，主要通過控制反應時間、反應溫度、反應濃度，來獲得提高漂白質量白度與減少對纖維的降解之間的平衡。
2、堿回收
堿回收包括黑液提取、蒸發(fā)、燃燒、苛化、石灰回收等過程。
（1）蒸發(fā)
蒸發(fā)是把化學制漿過程中分離出來的黑色低濃廢液（固形物含量10％左右）通過蒸發(fā)的方法濃縮成符合燃燒要求的濃黑液（固形物含量為50％左右）。
為保證后續(xù)燃燒過程的穩(wěn)定生產(chǎn)，延長設備的清洗周期，以黑液濃度和流量為中心對黑液多效蒸發(fā)過程實行有效的自動控制：由于蒸發(fā)過程工藝特點復雜并具有非線性、強耦合、大滯后的雙輸入雙輸出對象特性，因此采用前饋＋反饋預測控制算法，降低對模型依賴性并實現(xiàn)對蒸發(fā)過程的在線滾動優(yōu)化控制；黑液蒸發(fā)過程會逐漸使設備、管道結垢因此當熱效率降低到一定程度后必須進行水洗或酸洗除垢才能重新工作。系統(tǒng)從蒸發(fā)靜態(tài)模型出發(fā)，采用軟測量技術間接預測蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)預報清洗時間。
（2）燃燒
蒸發(fā)過程濃縮后的黑液送到燃燒過程的直接接觸蒸發(fā)器中，利用煙氣和余熱進一步把濃黑液濃縮供燃燒。
中控在實現(xiàn)了對黑液系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、鍋爐引風系統(tǒng)、給水和蒸汽系統(tǒng)、綠液余流等子系統(tǒng)自動控制的同時，并根據(jù)燃燒過程工藝特點，采取了以下優(yōu)化控制策略：
- 在特殊燃燒過程數(shù)學模型基礎上，開發(fā)了還原區(qū)溫度自尋優(yōu)控制策略，以自動尋找還原區(qū)優(yōu)化溫度為目標，控制燃燒爐底部進風量以獲得最優(yōu)回收率；
- “黑爐”監(jiān)控：“黑爐”是堿回收爐生產(chǎn)操作過程中一個特殊又具有很大危險性的故障，由于黑液燃燒的復雜性加之回收過程中形成的墊層，使黑液燃燒的正常與否與黑液的性質及其狀態(tài)存在很大的關系，這些影響因素往往難以檢測與控制，系統(tǒng)根據(jù)已知工藝參數(shù)，設計了一套“黑爐”檢測、預報及消除控制方案，以保證堿回收爐正常運行。
（3）苛化和石灰回收
苛化過程是把綠液中的硫酸鈉與石灰作用生成蒸煮所需的苛化納，石灰回收過程的作用是把苛化過程中分離的白泥（碳酸鈣）在高溫下焙燒成石灰（氧化鈣）供苛化過程回用，石灰回收過程的主要目的是在保證焙燒問題的條件下提高熱效率、以最少的燃料消耗獲得高質量的石灰，系統(tǒng)實現(xiàn)苛化和石灰回收自動控制。碳酸鈣在轉窯中進行煅燒，分解碳酸鈣為氧化鈣。控制對象主要為反應物加入量（綠液濃度和流量同石灰的比例加入量）、反應時間、反應溫度；而轉窯控制主要為白泥進料量和水分控制、燃油和空氣調節(jié)、引風控制。
3、造紙過程
造紙由紙料制備和紙的抄造兩大部分組成。紙料制備過程的幾個工序包括漿板疏解、漿料的打漿、配漿、助劑填料添加過程等。紙的抄造包括上網(wǎng)前的處理（包括紙料的調量和稀釋，凈化和和篩選、除氣、消除脈沖壓力等過程。
（1） 打漿
打漿是紙漿通過機械作用以改變其物理特性的加工過程，需要控制的主要指標是打漿度。影響打漿度的因素很多，主要是打漿設備的形式以及定子與轉子的刀間間距，紙漿的濃度和通過量等。從自動調節(jié)的角度出發(fā)，首先把紙漿的濃度和通過量固定下來，調節(jié)對打漿度影響最大的打漿設備的刀間距離，以穩(wěn)定打漿度。
（2）配漿
配漿過程控制指不同的紙漿、填料、膠料、染料等添加物料，以一定的百分數(shù)配比形成混合漿，以適應抄造不同要求的紙種。配漿方式主要有連續(xù)和間歇兩種。
- 連續(xù)
流量控制系統(tǒng)：漿料和添加物料的濃度在送到配比系統(tǒng)前已經(jīng)調節(jié)穩(wěn)定，設置流量控制系統(tǒng)調節(jié)進漿流量；
比值控制系統(tǒng)：把配料系統(tǒng)分為漿料配比和添加物料配比二段，在這兩段過程中分別設置比值控制系統(tǒng)進行配比控制；
液位調節(jié)系統(tǒng)：通過調節(jié)混合漿池來漿總流量以控制紙機漿池液位。
- 間歇
幾種漿料和添加物料在混合漿池中混合，由于漿池加入體積較大，使用混合池的液位法以計量加入量，采用順序控制的方法控制各種配料用量，根據(jù)加入順序發(fā)出信號開關各種物料調節(jié)閥。
（3）流送
把抄前漿池中的成漿經(jīng)高位箱、上漿泵（或沖漿泵）、多段除砂、壓力篩、流漿箱等均勻地噴向網(wǎng)部。成紙的均勻度取決于纖維在流漿箱中分散程度和流漿箱唇口噴漿均勻度。流漿箱是造紙機成型部的關鍵設備，它的控制質量直接影響到成紙的勻度、強度等質量指標。
氣墊流漿箱的控制系統(tǒng)為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，控制變量是總壓和液位，由于這兩個變量之間存在嚴重的關聯(lián)（耦合），中控通過解耦算法可消除二個變量之間的關聯(lián)，使系統(tǒng)在短時間內(nèi)達到平衡。
流漿箱液位通過控制進漿流量來達到液位的穩(wěn)定，總壓通過變頻器調節(jié)電機轉速，控制進氣量大小，來達到總壓的穩(wěn)定。流漿箱的漿網(wǎng)速比能自動適應紙機的不同網(wǎng)速并可根據(jù)紙機網(wǎng)速自動設定漿位，從而改善了紙的勻度，方便了操作。
三、典型業(yè)績
下面是中控在造紙行業(yè)的典型項目清單：
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