造纸生产中网前箱过程控制系统设计

王 蕊

（河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北 唐山 063000）

引言

造纸生产过程中，网前箱的控制是非常重要的一环，大多数情况下要求液位和压力恒定，从而保证后序成纸生产平稳，达到稳定成纸质量的目的。对于网前箱液位的控制，存在的大干扰是流入网前箱纸浆流量的波动，传统的单回路控制存在控制不及时、控制质量差的弊端，本设计采用串级控制方式，通过副回路的调整作用，对扰动及时校正，达到了工艺要求；对于压力的控制，采用分程控制结构，控制压缩空气的进气阀和排气阀的开度，维持网前箱压力保持不变，保证成纸工序平稳进行。

1 控制系统的组成

1.1 控制系统方案的确定

造纸生产过程工艺流程如下：经配料后的纸浆与白水混合，纸浆经预热后进入网前箱，在压缩空气和网前箱液位的静压下，纸浆从网前箱的堰口喷出，在铜网或塑料网上成形，并在压榨部经压榨和真空抽吸脱出水分，纸页进烘缸干燥，并经压光后卷成纸筒。

生产工艺要求控制网前箱的液位和压力，因此，控制系统结构为双输入双输出控制系统，根据被控对象的特性，有两种不同的控制方案。两种控制方案均采用串级控制和分程控制，所不同的是：控制方案一压力控制的操纵变量是压缩空气量，采用分程控制，液位控制的操纵变量是冲浆泵电动机转速，进而调节进浆量，组成液位—流量串级控制系统；控制方案二液位控制的操纵变量是压缩空气量，采用分程控制，压力控制的操纵变量是冲浆泵电动机转速，再调节进浆量，组成压力—流量串级控制系统。第二种控制方案对压力的变化影响较小，但当网速变化、网前箱堰高变化时，需要及时调节压力设定值，适宜用于网速不变的场合；第一种控制方案网速变化时，不需要重新设定压力，适宜于大多数应用场合。因此，采用第一种控制方案组成控制系统[1]。

1.2 控制系统的结构

为给铜网提供稳定的纸浆，要求网前箱内压力和液位恒定，根据上述控制方案采用两个控制回路，一是液位—流量串级控制回路，主被控变量为网前箱液位，副被控变量为进浆流量，操纵变量为冲浆泵电动机转速；二是压力分程控制回路，被控变量为网前箱内压力，控制变量为压缩空气进气和排气量。网前箱控制系统结构图如图1 所示。

图1 网前箱控制系统结构图

1.3 控制设备选型

控制系统所需控制设备包括控制阀、液位检测变送器、压力检测变送器、流量检测变送器、液位控制器、压力控制器、流量控制器、变频器。

控制阀均选用上海攻亿的ZAZM 型电动套筒调节阀，流量特性选对数型，它是一种力平衡型的调节阀，流体通道呈S 流线型，优点为压降损失小，流通量大，可调范围广，流量特性精度高，调节阀配用接受ON-0FF 或4～20 mA 或1～5 V 的直流信号进行比例动作的小型、坚固、高精度的执行机构。

液位检测变送器选用美安特投入式液位变送器，它采用专用V/I 集成电路，防爆接线盒，缆线长度可定制，属高端机型，引进国外技术，性能稳定。

流量检测变送器选用科创智能电磁流量计，它可测量含有大颗粒固体物的浆液，如水、污水、泥浆、纸浆、各种酸、碱、盐溶液、食品浆液等，抗磨损，防腐蚀，采用了进口日本山武浆液型转换器，具有快速的响应性能和较高的测量精度，能适应现场温度、潮湿、灰尘等恶劣工况环境。

压力检测变送器选用上仪1151GP 型远传压力变送器，它设计精巧，具有防爆和全天候结构；安装、使用和调校都很方便且简单；接线端子和放大线路放置在上部的可密闭的电气腔室中，且彼此相互隔开，所以现场接线时，放大器仍在密封状态下工作；放大线路有反极性保护，防止由于接错而损坏变送器；采用集成电路元件和接插式印制电路板，使得故障少，维修方便，减少了备品备件，降低了维修成本。液位控制器、压力控制器和流量控制器均选用武汉中西仪器BHD1-XSC9 型液晶显示30 段可编程PID控制器。它采用128×64 点阵液晶屏，汉字菜单，具有记录和曲线显示功能；具有自整定功能；抗干扰设计，能抑制现场的继电器、接触器等产生的快速脉冲群干扰和其他电磁干扰；具有多种输入信号方式等。

变频器选择三晶S350 高性能矢量变频器。它采用最新高速电机控制专业芯片DSP，确保矢量控制快速响应，低频力矩大、输出平稳，控制精度高，RS485 串行接口，可取代直流调速和伺服控制[2]。

2 控制系统的实现

2.1 网前箱液位控制回路

网前箱液位控制由液位-流量串级控制方式实现，被控主变量为网前箱液位，被控副变量为进浆流量，操纵变量为冲浆泵电动机转速，网前箱液位控制系统方框图如图2 所示。

图2 网前箱液位控制系统方框图

为保证主、副回路均构成负反馈，必须正确选择主、副控制器的正反作用形式。在副回路中，副被控对象（冲浆泵）为正作用，执行器（变频器）为正作用，副检测变送器（流量检测变送器）为正作用，因此，副控制器（流量控制器）必须为反作用形式。在主回路中，副环为一个随动系统，为正作用，主被控对象（网前箱）为正作用，主检测变送器（液位检测变送器）为正作用，因此，主控制器（液位控制器）必须为反作用形式。

为确保串级控制系统的正常运行，还要正确选择主、副控制器的控制规律。对于主控制器，控制的是主被控参数，工艺要求较严格，不允许有余差，主参数是网前箱液位，不存在大滞后问题，不需引入D 控制规律，因此，主控制器选择PI 控制规律。对于副控制器，它的作用是辅助主控制器将网前箱液位控制稳定，目标不是副变量的稳定，因此，副控制器选择P 控制规律，比例度选的较小，控制作用强，余差也不大。

2.2 网前箱压力控制回路

网前箱压力的控制是通过调整压缩空气量来实现的，采用分程控制，网前箱压力分程控制系统方框图如图3 所示。

图3 网前箱压力分程控制系统方框图

要选择控制器的正反作用必须先确定控制阀的正反作用形式，从生产安全角度出发，当控制阀的气源由于某些原因而中断时，应使送气阀关闭，排气阀打开，以防止网前箱内压力过大发生生产事故，即送气阀选择气开式、排气阀选择气关式。

压力控制器正反作用的正确选择可以保证对压力的控制形成负反馈，送气阀工作时，回路中控制阀、压力检测变送器、被控对象（网前箱）作用方向均为正，因此，压力控制器应选反作用方式；排气阀工作时，回路中控制阀为反作用，压力检测变送器为正作用，被控对象（网前箱）为反作用，因此，压力控制器仍应选反作用。显见，不论是送气控制回路还是排气控制回路，均需压力控制器为反作用方式。

压力控制器控制规律的选择，考虑压力控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求不允许有余差，因此，选择PI 控制规律[3]。

2.3 控制系统工作过程

网前箱液位控制过程：当网前箱进浆流量波动时，通过副回路及时调节冲浆泵电动机转速，从而调节进浆流量，减小了干扰对网前箱液位的影响，液位的微小波动通过主控制器的输出作为副控制器的给定值，进一步去调节冲浆泵电动机的转速，使液位稳定在设定值上，由于采用了串级控制方式，副回路能及时发现干扰并进行控制，使控制质量大大提高。

网前箱压力控制过程：当网前箱压力升高时，压力控制器PC 的输出降低，进气阀关闭，排气阀打开，使压力下降；当网前箱压力降低时，压力控制器PC 的输出增大，排气阀关闭，进气阀打开，使压力上升。为了防止网前箱压力在设定值附近变化时两阀的频繁动作，在两阀交接处设置一个不灵敏区，通过阀门定位器的调整，使排气阀在20～58 kPa 信号范围内从全开到全关，使进气阀在62～100 kPa 信号范围内从全关到全开，而当控制器输出压力在58～62kPa 范围变化时，两阀都处于全关，这样，控制过程变化趋于缓慢，系统更为稳定[3]。

3 结语

本文设计的造纸生产中网前箱控制系统，网前箱液位采用液位—流量串级控制方式，有效克服了进浆流量的波动，使液位稳定性获得提高；网前箱压力采用分程控制，并对进气阀和排气阀设置中间不灵敏区，解决了两阀频繁动作的问题。该控制系统控制质量提高，控制稳定性增强，具有一定的实用价值。