气垫式流浆箱浆位完整控制方案 （陕西科技大学工业自动化研究所 西安 710021）[摘要] 在总结气垫式流浆箱现有控制技术的基础上，提出了一套完整的气垫式流浆箱浆位控制方案。通过增加可换向气路管道、匀浆辊转速变频器，使气垫式流浆箱可工作于“加压”、“抽负压”和“敞开”三个工作状态，在保持罗茨风机转向不变的情况下有效地拓宽了气垫式流浆箱的车速适用范围，使其能适用于100-550m/Min 的各类造纸机。本文详细描述了改进方案的具体措施、控制算法，并给出了详细的控制逻辑。 关键词: 气垫式流浆箱，浆位控制，控制算法，仿人智能 A Complete Level Control Scheme for Air-Cushioned HeadboxTANG Wei, WANG Xi, GUAN Feng, WANG Mengxiao(Industrial Automation Institute of Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an, 710021)ABSTRACTOn the basis of generalizing the presented level control technologies for air-cushioned headbox a complete control scheme to it is proposed. The control scheme makes the air-cus hioned headbox run in such three work states of “increasing air pressure”, “decreasing air pressure” and “open to air” by adding direction convertible air-route pipes and pulp-mixing roller transducers to it. Under the running direction of the Rotz blower fan keeping unchanged, the applicable range of paper machine speed is widened effectively, which can be used to all kinds of paper machine with a speed of 100-550 m/Min. The improved measures, control algorithm and control logic of the refined control scheme are illustrated in detail in this paper.
Keywords: Air-cushioned headbox, level control, control algorithms, human simulated intelligence.
1 引言
流浆箱是造纸机的关键部件，是连接“备浆流送”和“纸页成形”两部分的重要枢纽，其主要作用是布浆、匀浆和喷浆，决定着纸幅横幅定量的分布，影响纸幅成形的质量，被称为造纸机的“心脏”[1]，必须严格加以控制。随着纸机车速的不断提高，流浆箱由敞开式发展到气垫式、半水力式和水力式[2]。对双匀浆辊流浆箱而言，保持适当的箱体内浆位是保证流浆箱匀浆和喷浆质量的关键。实践证明，对于敞开式和气垫式流浆箱，根据结构尺寸的不同，最佳
工作浆位一般是30~40cm，即高出匀浆辊上表面3~5cm。对于敞开式流浆箱，浆位随纸机车速的变化而变化，所以车速适用范围比较窄，一般在140-190m/min，并且逐渐被淘汰。气垫式流浆箱是我国目前广泛采用的一种流浆箱形式，一般认为在抄速超过250m/min 的纸机上，必须配备气垫式流浆箱或（半）水力式流浆箱，通过增加气垫压力使流浆箱箱体内浆位维持在最佳位置，这是气垫式流浆箱浆位控制的常规方法。可是，对于许多板纸机，其工作车速比较低（如低于140m/min）；另外，一些新上纸机，因机械磨合等因素，往往需要很长时间（半年以上）运行在低车速下。这时，即使把气垫式流浆当作敞开式流浆箱来使用，也难以良好发挥其匀浆和喷浆效果。因此，对气垫式流浆箱浆位控制的常规方法进行改进，扩充其车速适用范围是解决上述问题的关键。
本文在对现有气垫式流浆箱控制技术[3-10]进行总结的基础上，并结合专利文献[11]，提出了一套完整的气垫式流浆箱浆位控制方案。在常规气垫式流浆箱浆位控制的基础上，通过增加可换向气路管道、匀浆辊转速变频器，使气垫式流浆箱可工作于“加压”、“抽负压”和“敞开”三个工作状态，在保持罗茨风机转向不变的情况下有效地拓宽气垫式流浆箱的车速适用范围，使其在较低车速（100m/min 以下）下仍然能发挥理想的布浆、匀浆和喷浆效果。
*本文受西安市科技支撑计划（CXY08012）及陕西科技大学科研团队建设基金（2005060
1）资助
2 常规控制方案
上世纪 90 年代中期，针对我国从国外新引进（如芬兰）的双匀浆辊气垫式流浆箱，陕西科技大学微机应用研究所等国内浆纸企业控制系统集成商对芬兰维美德技术进行剖析、消化、吸收、再创新，提出图1 所示的总体控制方案。在该控制方案中，主要控制参数有3 个：总压、浆位和浆/网速比[12]。总压和浆位偏差信号经解耦网络进行解耦后，所得信号送给各自的单回路控制器，分别控制总压和浆位对应的变频器。对于总压控制环，外环控制器EC 表达式[9]为2TPSP = TP0 × (VW VW0 ) 。其中，TPSP 为总压调节器的外给定值，TP0为总压静态（稳定）值，VW0、VW 分别表示成形网网速的静态（稳定）值和动态（测量）值。浆网速比是指流浆箱的唇口喷浆速度与网部线速度之比，对纸页成形质量有着直接的影响。对于一特定纸机，一般要求浆网速比保持相对稳定，也就是说流浆箱的喷浆速度能够自动跟踪网速的变化，控制的目标是使得网速变化对气垫式流浆箱的浆位无影响10 多年来，这一控制方案已在全国推广应用，取的了非常满意的控制效果，实现了双匀浆辊气垫式流浆箱控制系统的国产化。
实际应用经验表明，当流浆箱箱体内液面高出匀浆辊上表面 5~10cm 时，可以得到最佳的匀浆效果。这时对应的流浆箱浆位大约是40cm，对应的纸机车速大约是170m/min。当车速低于150m/min 时，不仅不需要气垫压力，还需要降低流浆箱浆位，以保证合适的浆网速比。但降低液位不仅不能充分利用溢流槽排除纸浆中的气泡和浮浆等杂质，而且浆位如果低于匀浆辊中心线，就不能有效发挥匀整作用来改善浆料流动状况，匀浆效果变差。因此，常规气垫式流浆箱浆位控制技术（即加正压技术）不能满足车速低于150m/min 的造纸机，这就制约了高定量、低车速纸机（如多叠网涂布白板机）选用性价比较高的气垫式流浆箱。
3 改进控制方案
3.1 改进措施
3
为了扩充气垫式流浆箱的车速适用范围，在其常规控制技术的基础上，增加一些必要的辅助设备，提出一套完整的气垫式流浆箱浆位控制方案，使得在纸机车速较低时（100m/min 以下）也能使气垫式流浆箱箱体内浆位保持在最佳位置，以获得良好的匀浆和喷浆效果。浆位控制的改进方案如图2 所示。
在图 2 中，罗茨风机与气垫式流浆箱之间通过可换向气路管道连接起来，是空气流动的通
道，实现给流浆箱箱体内加压（注入空气）或抽负压（抽出空气）功能。工控机和PLC 之间通过接口板卡和MPI 网连接起来，实现现场工况监视和人机接口功能。罗茨风机变频器用于控制罗茨风机的转速，通过调节罗茨风机的进、出气量来调节流浆箱箱体内浆位。匀浆辊电机变频器用来调节两个匀浆辊的转速，因两个匀浆辊转向相反，转速通常相同，这里采用一个变频器控制两个匀浆辊电机。罗茨风机变频器和匀浆辊电机变频器受PLC 控制，需要PLC 发出启/停信号和转速（频率）设定信号，同时要向PLC 返回运行状态信号。浆位信号和网速（代表纸机车速）信号也要进入PLC 参与控制。
图 3 描述了可换向气路的机械连接情况。罗茨风机主要由罗茨风机电机、消音器、空气过滤器和空气过滤嘴四部分组成。当流浆箱工作在抽负压状态时，阀门V1、V2 关闭，V3、V4 打开，空气流向是：流浆箱→V3→罗茨风机电机→空气过滤嘴→V4，罗茨风机起到“抽气”作用；当流浆箱工作在加压状态时，V1、V2 打开，V3、V4 关闭，空气流向是：空气过滤器→消音器→V1→罗茨风机电机→空气过滤嘴→V2→流浆箱，罗茨风机起到“压气”作用；当流浆箱工作在敞开状态时，罗茨风机电机停转，空气流向与加压状态时相同。
3.2 改进控制算法
气垫式流浆箱控制系统比较复杂，在调试的初始阶段，凭借单回路PID 控制很难稳定。但对于熟练的工程技术人员，甚至操作人员却很容易在较短的时间内调整稳定，原因在于他们对当前的工况能够很快进行判断并做出相应的调节动作（如加快泵的转速或调整阀门的开度等）。经验丰富的操作者并不依靠控制对象的数学模型，而是根据对象的某些定性知识以及自己的操作经验进行推理，并且在线确定和变换控制策略。我们在气垫式流浆箱常规控制策略的基础上，增添仿人智能控制算法[11、12]，使计算机控制系统模仿熟练操作工的经验来进行控制，组成了一个仿人智能控制系统，具有操作方便、控制精确高、投入成本低的特点。
对流浆箱实施仿人智能控制，需要将其过程分为几个阶段：1）开机阶段，液位和压力为零，偏差最大，需要增加压力和液位；2）调整阶段，液位和压力相差不大，需要进行微调；3）运行阶段，液位和压力的误差在允许范围内，需要实时监控；如果因为浆池等因素引起波动，系统可以马上进行调整；车速改变需要压力随之改变，实时调整；4）停机阶段，需要先停浆泵，然后再能停风机，防止灌浆。根据这些原则，可以建立如下控制规则：
(1) if ΔP≥ΔPH and ΔL≥-ΔLH then P= PO +K1, L= LO –I
(2) if ΔP≥ΔPH and -ΔLH≥ΔL≥-ΔLM then P= PO +K1, L= LO -I2；
(3) if ΔP≥ΔPH and -ΔLM≥ΔL≥-ΔLL then P= PO +K1, L= LO -I3；
(4) if ΔPH≥ΔP≥ΔPM and ΔL≥-ΔLH then P= PO +K2, L= LO -I1；
(n) if ΔPM≥ΔP≥ΔPL and ΔL≥-ΔLH then P= PO +K3, L= LO -I1；
式中符号意义：ΔP 是总压的偏差，ΔL 是液位的偏差，ΔPH 和ΔPM 和ΔPL 分别是总压偏差的范围设定限值（ΔPH>ΔPM>ΔPL），ΔLH 和ΔLM 和ΔLL 分别是液位偏差的范围设定限值（ΔLH>ΔLM>ΔLL），P和L 分别是冲浆泵和风机当前输出值，PO 和LO 分别是它们上一时刻输出值，Ki 和Ii 是对应不同情况得输出变量变化量，可以根据经验得到。改进方案的详细控制逻辑如图 4 所示。通过增加可换向气路管道、匀浆辊转速变频器，使气垫式流浆箱可工作于“加压”、“抽负压”和“敞开”三个工作状态。浆位控制回路的控制算法采用带死区和高低限位功能的PI 算法，并且融入了上述仿人智能经验。在浆位外给定计算公式LSP2=K*a2*VW2 中，a 为浆/网速比，根据工艺要求给定，取值范围一般在0.91~1.05，K 为一常系数，默认值为1.5816×10-5。匀浆辊转速因匀浆辊直径、安装位置、开孔率的不同而不同，线速度一般为6~20m/min，在分段后的网速变化区间内，匀浆辊电机转速VR的具体数值可由经验公式VR=KG*(KR*VW+VB)计算得到，其中KG 为齿轮减速比，KR和VB 分别
为斜率系数和截矩，其数值可以通过流浆箱供应商提供的设计参数计算得到。
图 5 描述了工作在敞开状态下的气垫式流浆箱浆位控制回路方框图。浆位的内、外给定可以根据实际工况任意选取，采用了无扰切换技术[11]，使得控制软件能够保证切换瞬间的无扰动，即具有无扰切换功能。当图5 中的软开关切换到外给定时，浆位给定值也由网速信号VW和给定的浆/网速比a 计算得到。具体算法为：LSP2=K*a2*VW2，其中，a 为浆/网速比，根据工艺要求给定，取值范围一般在0.91~1.05，K 为一常数。
4 . 结论本文提出的气垫式流浆箱浆位控制技术已被固化到基于西门子 S7-200/300 PLC 的控制系统中，并在全国范围内推广应用了近50 套，收到如下控制效果：浆位控制精度达±0.5%，即浆位波动被控制在±2.0-1.5mm 之内（浆位设定值一般为350-400mm）；总压头控制也因浆位控制精度的提高而得到进一步提高，控制精度也达到±0.5%。由于增加了“抽负压”功能，使得气垫式流浆箱的车速适应范围扩大到100-550m/Min 之间的各类造纸机。对于敞开式流浆箱，由于将气垫式流浆箱的总压控制思想应用其中（图5所示），使得敞开式流浆箱在保持箱体内浆位几乎不变的前提下可保持稳定的浆/网速比（在本技术推出之前，这一点是几乎做不到的）。图6 为采用西门子WinCC 绘制的气垫式流浆箱控制系统人机界面截取图，该图对应的控制系统被应用到我国的东北边陲——黑龙江海拉尔一造纸厂。控制系统已投入运行超过2 年到良好的运行效果，用户未曾提出1 次售后服务。
图 5 描述了工作在敞开状态下的气垫式流浆箱浆位控制回路方框图。浆位的内、外给定可以根据实际工况任意选取，采用了无扰切换技术[11]，使得控制软件能够保证切换瞬间的无扰动，即具有无扰切换功能。
当图5 中的软开关切换到外给定时，浆位给定值也由网速信号VW和给定的浆/网速比a 计算得到。具体算法为：LSP2=K*a2*VW
2，其中，a 为浆/网速比，根据工艺要求给定，取值范围一般在0.91~1.05，K 为一常
系数，默认值为1.5816×10-5
4 结论
本文提出的气垫式流浆箱浆位控制技术已被固化到基于西门子 S7-200/300 PLC 的控制系统中，并在全国范围内推广应用了近50 套，收如下控制效果：浆位控制精度达±0.5%，即浆位波动被控制在±2.0-1.5mm 之内（浆位设定值一般为350-400mm）；总压头控制也因浆位控制精度的提高而得到进一步提高，控制精度也达到±0.5%。由于增加了“抽负压”功能，使得气垫式流浆箱的车速适应范围扩大到100-550m/Min 之间的各类造纸机。对于敞开式流浆箱，由于将气垫式流浆箱的总压控制思想应用其中（图5所示），使得敞开式流浆箱在保持
箱体内浆位几乎不变的前提下可保持稳定的浆/网速比（在本技术推出之前，这一点是几乎做不到的）。
图6 为采用西门子WinCC 绘制的气垫式流浆箱控制系统人机界面截取图，该图对应的控制系统被应用到我国的东北边陲——黑龙江海拉尔一造纸厂。控制系统已投入运行超过2 年，收到良好的运行效果，用户未曾提出1 次售后服务。
参考文献
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[12] 王孟效，孙瑜，汤伟，张根宝。制浆造纸过程测控系统及工程[M]。北京：化学工业出版社，2003。
第一作者简介：
汤伟(1971-)，男(汉族)，河南信阳人。1994、1997 年在西北轻工业学院自动化系分别获学士学位和硕士学位， 1996~1997
年在日本名古屋工业大学留学，2002 在上海交通大学获工学博士学位，2005-20066 在新加
坡国立大学做短期合作研究，
2006-2007 年在日本名古屋工业大学做访问学者。目前在陕西科技大学工业自动化研究所工作，教授，所长，学术带头人，
硕士生导师，陕西青年科技奖获得者。主要研究方向：制浆造纸全过程自动化、工业过程高级控制、时滞过程控制及应用。
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