造紙行業自動化解決方案
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代化水平和文明建設的重要標志。因此造紙工業的發展水平也直接反映一個國家的國民經濟和文明建設的水平。
在造紙行業，中控有著完善的解決方案，豐富的工程實施經驗。目前中控的控制系統已廣泛的應用于造紙行業各個工段，從備料、制漿、造紙、堿回收、污水處理到鍋爐發電、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。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節，蒸煮粗漿的質量直接影響后續洗滌、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規律—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定性。
DDS蒸煮過程屬于典型的間歇批量生產過程。中控開發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。
- 連續蒸煮
連續蒸煮按照“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：由進汽調節閥控制實現。蒸煮管壓力必須設定聯鎖，壓力高限報警時關閉進汽調節閥。
蒸煮管液位值控制：由兩個出料冷噴放閥調節控制。任一噴放閥皆可實現卸料器內液位自動控制。當液位持續不降時，備用調節閥排放漿料。
（2）洗選
蒸煮后漿料必須經過洗滌、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，使洗滌系統在滿足工藝約束條件下運行在最優狀態。篩選凈化過程則需要對以下參數：進漿濃度、進漿流量、內部稀釋水量、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、燃燒、苛化、石灰回收等過程。
（1）蒸發
蒸發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）。
為保證后續燃燒過程的穩定生產，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過程實行有效的自動控制：由于蒸發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對蒸發過程的在線滾動優化控制；黑液蒸發過程會逐漸使設備、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。系統從蒸發靜態模型出發，采用軟測量技術間接預測蒸發器的傳熱系數預報清洗時間。
（2）燃燒
蒸發過程濃縮后的黑液送到燃燒過程的直接接觸蒸發器中，利用煙氣和余熱進一步把濃黑液濃縮供燃燒。
中控在實現了對黑液系統、燃燒系統、鍋爐引風系統、給水和蒸汽系統、綠液余流等子系統自動控制的同時，并根據燃燒過程工藝特點，采取了以下優化控制策略：
- 在特殊燃燒過程數學模型基礎上，開發了還原區溫度自尋優控制策略，以自動尋找還原區優化溫度為目標，控制燃燒爐底部進風量以獲得最優回收率；
- “黑爐”監控：“黑爐”是堿回收爐生產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存在很大的關系，這些影響因素往往難以檢測與控制，系統根據已知工藝參數，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，系統實現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、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。從自動調節的角度出發，首先把紙漿的濃度和通過量固定下來，調節對打漿度影響最大的打漿設備的刀間距離，以穩定打漿度。
（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和間歇兩種。
- 連續
流量控制系統：漿料和添加物料的濃度在送到配比系統前已經調節穩定，設置流量控制系統調節進漿流量；
比值控制系統：把配料系統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進行配比控制；
液位調節系統：通過調節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，根據加入順序發出信號開關各種物料調節閥。
（3）流送
把抄前漿池中的成漿經高位箱、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為雙輸入雙輸出系統，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（耦合），中控通過解耦算法可消除二個變量之間的關聯，使系統在短時間內達到平衡。
流漿箱液位通過控制進漿流量來達到液位的穩定，總壓通過變頻器調節電機轉速，控制進氣量大小，來達到總壓的穩定。流漿箱的漿網速比能自動適應紙機的不同網速并可根據紙機網速自動設定漿位，從而改善了紙的勻度，方便了操作。
三、典型業績
下面是中控在造紙行業的典型項目清單：
典型用戶 | 項目名稱 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間蒸煮工段 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間洗選工段 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間氧脫工段 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間漂白工段 |
泰格林紙集團(永州)秀山紙業有限責任公司 | 15萬噸/年精牛制漿洗選漂白工段DCS |
泰格林紙集團沅江紙業股份有限公司 | ANDRITZ ECF漂白段控制系統 |
泰格林紙集團沅江紙業股份有限公司 | ANDRITZ封閉篩選段控制系統 |
泰格林紙集團沅江紙業股份有限公司 | ANDRITZ氧脫段控制系統 |
赤壁晨鳴紙業股份有限公司 | 蒸煮連蒸DCS改造項目 |
寧夏紫荊花紙業有限公司 | 洗選漂項目 |
寧夏紫金花紙業有限公司 | 5#生活用紙制漿蒸煮DCS |
四川長意漿粨有限公司 | 預浸化學工段DCS |
四川長意漿粨有限公司 | 蒸球工段DCS |
四川長意漿粨有限公司 | 漂洗工段DCS |
宜賓天原紙業股份有限公司 | 四抄車間間歇蒸煮控制系統 |
宜賓天原紙業股份有限公司 | 化學漿車間間歇蒸煮DCS系統 |
宜賓天原紙業股份有限公司 | 洗漿、篩選、漂白DCS系統 |
山東雅美纖維有限公司 | 5萬噸/年棉漿粕DCS |
山東臨清紙業集團銀星紙制品有限公司 | 橫管連蒸控制系統 |
衢州八達紙業有限公司 | 制漿車間DCS |
南京經偉紙業有限公司 | 5萬噸/年APMP生產線DCS |
浙江富陽永泰紙業有限公司 | 120噸/日脫墨漿生產線DCS |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收蒸發工段 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收燃燒工段 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收苛化工段 |
緬甸第一工業部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收石灰工段 |
新疆博湖葦業公司 | 堿回收蒸發站DCS |
新疆博湖葦業公司 | 330tds/D堿回收項目燃燒工段 |
湖南雪麗紙業 | 150噸/日堿回收 |
牡丹江恒豐紙業股份有限公司 | 抄紙一分廠1號配漿DCS |
宜賓天原紙業股份有限公司 | 四抄車間7#機配漿DCS |
武漢晨鳴漢陽紙業股份有限公司 | 自動配漿DCS |
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