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    一．摘要、關鍵詞

    【摘要】：山東晨鳴紙業集團股份有限公司涂布白卡紙機采用世界上先進的三長網與頂網的紙頁成型技術、靴式壓榨，配置了先進的機內硬壓光機、五個涂布頭的機內涂布機、機內軟壓光機和完成設備。設計車速800米/分，卷紙寬度為5650毫米，年產量為30萬噸。其質量控制系統是霍尼韋爾公司提供的達芬奇質量控制系統（Da Vinci QCS），它配備了業內最為廣泛的各種在線傳感器和高速掃描頭，最終提供了可靠、穩定、精確、高精度的橫向、縱向的測量和控制功能。

    二．工藝描述，系統和功能要求

    我公司的涂布白卡紙項目是國家“雙高一優”大型技改項目之一，產品定位為高檔涂布白卡紙。生產線采用世界上先進的三長網與頂網的紙頁成型技術、靴式壓榨，配置了先進的機內硬壓光機、五個涂布頭的機內涂布機、機內軟壓光機和完成設備。設計車速800米/分，卷紙寬度為5650毫米，年產量為30萬噸。 質量控制系統（QCS）要求采用世界上先進的控制技術，能對整條生產線的產品質量實行全方位監控。要求在施膠前、卷取前與涂布頭前后分別設有一個掃描架，安裝必要的檢測探頭，除對定量、水份、涂布量進行縱向控制以外，還需對定量、水份、涂布量、厚度進行橫向控制，這樣才能有效地保證成紙的生產質量①。
本系統前后共需7個掃描架、5套橫向控制（橫向定量控制、橫向水分控制、橫向厚度控制、正/反面涂布量橫向控制），與三菱、庫斯特、美卓、西門子等多家系統存在通訊接口。傳感器配備定量、微波水分、厚度、灰分等傳感器，用于檢測定量、水分、厚度、涂布量等指標并用來進行相應的縱向、橫向控制。

    本項目在實施過程中的難點：
    1.漿網速比多層控制；
    2.與其它系統的通訊接口；
    3.涂布量測量方法；
    4.瓦哈托流漿箱上的稀釋水閥與霍尼韋爾控制執行器的結合；
    5.橫向定量、橫向水分控制要求能在1#、2#掃描架之間切換控制，以實現備用。

    三．霍尼韋爾的解決方案

    霍尼韋爾針對用戶的要求提供了一套達芬奇質量控制系統（Da Vinci QCS），它配備了業內最為廣泛的各種在線傳感器和高速掃描頭，最終提供了可靠、穩定、精確、高精度的橫向和縱向的測量和控制功能。系統按客戶要求配置了7個掃描架，每個掃描架都配置了定量、微波水分、灰分、紙頁溫度、空氣間隙溫度和間隙距離傳感器，厚度傳感器安裝在原紙掃描架和卷取掃描架上，系統配置包括了所有需要的其他設備（如操作站終端、打印機、控制主機）和系統所需的應用軟件。包括與第三方系統的通訊所需的接口、硬件、軟件和相關工作。系統結構如圖一所示：

               

                                圖一：系統結構布置圖

    系統硬件介紹：

    掃描架采用達芬奇4000系列 O 型雙工字鋼承重梁型掃描架，配備有掃描頭表面加熱均溫系統、防靜電裝置、防結露單元、自動溫控系統、紙邊到紙邊的檢測系統等附屬裝置。掃描頭可掛12傳感器，方便傳感器擴展。掃描速度是可調節的，最大掃描速度為600 mm/s，掃描位置測量精度為+/- 2mm，以達到最佳的橫向和縱向控制。

    傳感器全部采用智能新型傳感器，保證了測量重復性和精度。

    網絡采用容錯以太網FTE作為達芬奇系統的控制網絡，提供了冗余配置的高品質的交換機，掃描架和橫向系統分別掛于控制網絡，容錯以太網FTE 是Honeywell的專利技術，該技術可以保障以太網滿足控制網絡實時性和可靠性的要求且提供了可靠的100Mbps 高速傳輸速率。

    達芬奇系統軟件介紹：

    縱向定量控制是通過對量化的干漿流量的控制來實現的。縱向水份控制是通過對烘干部的控制來對最終水份進行控制的。達芬奇系統控制本身和其他相關控制解耦來消除影響、優化過程穩定的交互作用，控制品質隨著掃描速度的加快而提高，且對生產過程變量的快速變化的控制更加有效，使經濟效益顯著提高。

    協調車速變化控制是將速度設定值變到新的設定值過程中，同時協調如漿流量,篜汽壓力，總壓頭以及其他相關變量的變化來保持產品的質量的平穩過渡。達芬奇系統是通過前饋和延時等控制作用實現的，其設定值的改變量用于精確補償由于車速變化而帶來的產品質量的改變，確保了產品質量的平穩過渡。

    斷紙烘缸啟/停控制是指在斷紙發生時對烘缸蒸汽壓力的控制以防止烘缸積水或過熱，斷紙發生時烘缸蒸汽壓力將自動下降到一個預先設定的設定值，設定值可以是正常烘缸蒸汽壓力的一個百分值，經過一定延時后,再次下降到另一預先設定的設定值，當斷紙故障消除后烘缸蒸汽壓力將自動恢復到正常的烘缸蒸汽壓力，每段變化的幅度,延時時間,坡變速度和段數都可根據需要設定。達芬奇系統對斷紙烘缸啟/停控制有助于縮短斷紙時間快速恢復產品生產，快速達到原來的產品質量。

    針對本項目在實施過程中的難點，霍尼韋爾提供了如下解決方案：

    1．達芬奇漿網速比多層控制
    漿網速比控制是用來穩定流漿箱的勻度和抗張比率。漿網速比控制為流漿箱的壓力控制器計算出壓力設定值。當紙機車速或漿網速比設定值改變時，自動調節流漿箱壓力控制器的設定值。達芬奇系統提供了三層網前箱的漿網速比控制，改善了紙張的質量和多層流漿箱的穩定性，減少了擾動和斷紙次數，減少了更換生產品種期間和生產速度變化期間的不合格紙張，簡化了維護和故障處理,從而使多層流漿箱獲得了良好的性能。如圖二：

               

                                 圖二：漿網速比多層控制

    2．與其它系統的通訊接口
    本系統與多個供貨商存在通訊，有著數據上的傳送，霍尼韋爾公司達芬奇系統為用戶提供了開放的通訊協議如OPC、PRIFIBUS-DP等，有了開放的通訊協議，達芬奇系統把第三方系統作為自己系統的一部分進行了無縫銜接，滿足了設備供貨商的需求，確保了通訊的暢通，使數據交換更加方便。

    3．涂布量測量方法
    現在最常用的測量方法有三種，分別為直接涂布量傳感器測量法、絕干差法、灰分差法。

    直接涂布量傳感器測量
    這種方法是采用紅外線傳感器直接測定，工作原理是根據涂料成分有選擇地吸收某些紅外線波長，當把傳感器放在涂布機前和涂布機后的掃描架上時，傳感器就可以測出涂料中的成分比，就可以確定涂布量。當前已經應用了具有對粘土、膠乳、水分、纖維等各自特有的檢測紅外線波長帶段的傳感器，用于測定紙的涂布量。不同的被測定物具有自己特有的吸收波長帶，而檢測出的是具有選擇性的那個狹窄的波長帶。紅外線傳感器測定的精度主要受傳感器的性能和過程參數的影響。

    優點：
    測量精度跟克重無關；相比其他方法在克重比較大的情況下精度會好些；能精確提供橫向涂布量控制用曲線，對有橫向涂布量控制的最好。

    缺點：
    需要有兩種不同比率的填料（例：碳酸鈣、粘土、乳膠等），要想測量準確比率必須清楚；需要大量的標定工作，不同的配方不同的紙種都需要標定；需要多個傳感器，分頂面涂與底面涂；涂布量傳感器價格昂貴。

    絕干差法

               

                                        圖三：絕干差法

    這種方法是利用涂布后與涂布前絕干量的不同來計算出涂布量。

    優點：
    簡單易用，不需要敏感的灰分的成分與含量；在低定量的原紙上每面涂布量大于10克時精度高。

    缺點：
    需要4個傳感器同時校正，誤差大；不適合定量克重很高的紙，克重越高誤差越大；不能提供精確的涂布量測量曲線。

    3）灰分差法

               

                                            圖四 ：灰分差法

    在生產實踐中，灰分法是一種較為準確的測量涂布量的方法。測量時可以同時測定出原紙和成紙的灰分含量、水分含量和成紙的定量，通過計算得出涂布量的值。當然還需要知道涂料配方中顏料的種類和比例以及膠粘劑的用量等，因為顏料和膠粘劑在高溫下可能會被燒掉或失去其結晶水。可通過以下公式進行計算:

    Bt=hBc[(Ac-Ay)-(AcMc-AyMy)]/[1-hAy(1-My)]
    式中：Bt——涂布量，g/m2； Bc——成紙的定量，g/m2； Ac——成紙的灰分含量，%； Ay——原紙的灰分含量，%； Mc——成紙的水分含量，%； My——原紙的水分含量，%； h——涂布量換算系數。 h=hy/hpf；
    式中： hy——顏料的換算系數。碳酸鈣為1.786，高嶺土為1.16；

    hpf——涂料配方換算系數。其數值等于配方中總固形物份數除以顏料份數。
    優點是同絕干差法相比，精度更高，能提供相對精確的橫幅涂布量曲線。
    缺點是對灰分的成分和含量敏感，需要大量的標定。

    霍尼韋爾針對用戶的機型，推薦用戶使用在線傳感器直接涂布量測量。但通過與客戶進行討論，雖然用直接涂布量測量控制效果最好，但因經濟性等原因，最后確定絕干差用于涂布量的縱向控制；灰分差用于涂布量的橫向控制。這樣，達芬奇系統提供了較準確的縱向涂布量用于涂布量的縱向控制，提供了相對精確的橫向涂布量曲線用于涂布量的橫向控制。事實證明，達芬奇系統的涂布量橫向控制曲線和縱向控制值，完全滿足了生產的需要。

    4．瓦哈托流漿箱上的稀釋水閥與霍尼韋爾控制執行器的結合
    瓦哈托公司提供了流漿箱上的閥門，霍尼韋爾公司提供了執行機構與其相連，然后通過霍尼韋爾的橫向控制系統進行控制調節，包括橫向多變量預估控制（Performance CDMultivariable Control），這種獨特的應用能夠協調多個執行器以優化多種紙板屬性，由此提高紙張質量，最大化生產效率并節約能源和資源。如圖五：

               

                                    圖五：閥門與執行器的結合

    5．橫向定量、橫向水分控制要求能在1#、2#掃描架之間切換
    根據客戶的要求，橫向定量、水分的控制要能夠在1#、2#掃描架之間切換，當一個掃描架出現問題后，另外一個掃描架可以接替控制，不影響產品質量及其生產。達芬奇系統采用其強大的軟件功能，利用RAE4.0的應用軟件實現，在操作畫面上只需用鼠標點一下即可完成掃描架的切換，且不影響產品質量。如圖六：

               

                                     圖六：橫向控制切換

    四．應用總結

    霍尼韋爾提供的達芬奇質量控制系統利用其精確、穩定、可靠的硬件和優異的控制軟件，極大的改善了紙張的縱向定量和水分，很大程度的減小了橫幅定量差、厚度差，避免了因定量水分以及橫幅差等的不穩定引起的翹邊、打折、厚度差等產品缺陷，提高和穩定了產品質量，提高了成品率，減少了副品，降低了消耗，使我公司的經濟效益得到顯著提高。