CN104718325B - 有适应能力的片材制造机器控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制在片材制造机器上制造的片材材料的性质的系统。通过由干端控制器基于在干端测量的灰分含量和干重等性质发展的设置点和基于在所述干端测量的那些性质的流浆箱流、浓度、灰分含量、网速度和堰板宽度等湿端性质的估计值控制所述湿端。

Description

有适应能力的片材制造机器控制系统

技术领域

本发明总体涉及用于监视和控制连续的片材制造系统－例如造纸机－的技术，并且更具体地涉及通过对所述片材的在网处形成的一个或多个物理性质的估计对造纸机的湿端和干端分开控制。该技术提供了造纸机方向控制在发生纸页断裂或其它导致失去在干端处的扫描仪测量结果的干扰时继续进行。

背景技术

各种各样的系统可被获得并被用于制造纸页和其它纸产品。正被制造的纸页经常具有多个性质，这些性质在制造过程中被监视和控制。对于造纸机方向（MD）控制的标准方法来说，被控制的变量－例如纸的基重或干重以及纸的灰分含量－在卷轴处被测量并且通过调节被操纵的变量而被控制，这些被操纵的变量例如是向造纸机的纸料流和向纸料中的填料添加。在片材制造机器中对这些和其它片材性质的控制通常涉及尽可能地保持这些片材性质接近目标或期望值。

在制造过程中，如果出现阻止纸页到达卷轴扫描仪的纸页断裂，或者如果卷轴扫描仪出现故障，那么控制器就失去了测量结果并且MD控制也不能再被使用。在测量结果不可获得并且MD控制停止时的过渡期期间，可能发生过程变化，这些变化使被控制的变量远离它们的期望运行点。随后当纸页再次被穿过造纸机并被放回到卷轴上时和/或扫描仪测量结果恢复时，生产被中断。虽然在重新穿纸之后的一段时间上控制器会将这些变量带回到目标，但所生产的纸页可能不能使用或销售。这是因为纸页中的断裂经常干扰或妨碍对造纸机的控制，所以在断裂之后生产的纸页通常具有不在目标或期望值附近的纸页性质。结果，造纸机经常需要被操作直到消除了由断裂引起的干扰并且纸页性质返回到或接近目标或期望值。这导致了时间和材料的损失。所需要的是一种甚至在被控制的变量不能被测量时也保持被控制的变量接近目标的手段。

发明内容

本发明部分地基于认识到通过对在网处发展的纸的一个或多个可测量物理变量的估计将湿端和干端造纸机控制分开甚至在出现纸页断裂或其它扫描仪测量结果损失的情况下也允许造纸机MD控制继续进行。使用数学模型来估计被控制的变量，例如在网处的干重、基重和灰分含量，并且此后控制这些被估计的值。当重新建立了扫描仪测量结果时，模型中的参数可被递归地更新以补偿任何模型误差并确保了准确的模型。MD控制优选地由级联结构组成，其中通过操纵纸料流和向纸料中的填料添加来控制估计的网干重或网基重和估计的网灰分百分数。当扫描仪测量结果可获得时，它们变成级联控制中的下游变量并且通过操纵估计的网重量和灰分的设置点来控制该测量结果。在优选的在造纸中的应用中，利用数学模型估计在网或网状物处形成的纸页的干重和灰分百分数。通过使用不同的模型估计其它的可测量的物理性质可实施本发明的技术。其它的合适的物理性质例如包括亮度、不透明性和诸如絮状物大小或纤维取向的形成特征。

因此，在一方面，本发明涉及用于具有湿端和干端的片材制造机器的控制系统。湿端具有数个输入变量，所述输入变量可被操纵以影响正被形成的纸页的性质。在湿端处的纸页的性质影响在干端处被传感器测量的纸页的性质。

片材制造机器的控制系统包括干端控制器、估计器和湿端控制器。干端控制器响应于在干端处纸页性质的设置点，在干端处纸页性质的测量结果和发展在湿端处的纸页性质的设置点。每个设置点建立了湿端处的各自纸页性质的目标值。估计器响应于在干端处纸页性质的测量结果以及响应于传递湿端输入变量的当前值的定量信息以发展湿端处的纸页性质的估计值的另外的信号。湿端控制器响应于由干端控制器发展的湿端纸页性质的设置点并且响应于湿端的纸页性质估计值并且操纵向湿端的输入。

在另一方面，本发明涉及用于维持正在片材制造机器中形成的片材的可测量性质尽可能接近如上所述的它们的设置点的连续控制方法。该方法包括以下步骤：

根据在干端处的纸页性质的设置点和在干端处由传感器测量的纸页性质发展湿端处的纸页性质的设置点，湿端处的纸页性质的设置点中的每一个都定量地建立了湿端处的纸页性质的相应一个的目标。

根据由传感器测量的干端纸页性质以及传递湿端输入变量的当前值的定量信息的另外的信号发展湿端纸页性质的估计值；以及

根据湿端性质的设置点和估计值操纵湿端输入变量。

利用本发明，在估计了在网或网状物处发展的片材的干重和灰分百分数的情况下，在片材断裂期间没有损失重量和灰分控制。尤其是，在不能获得测量的干端值时可基于湿端估计值控制干重和灰分百分数。而且，这减少了在将片材穿过机器时片材断裂的可能性。当将片材穿入机器时测量值将更接近目标，由此减少了废料和损失时间。

本发明的另一特征是分开湿端和干端控制变量有效地增加了干扰排斥的带宽，因为在湿端处的片材的干重和灰分百分数的估计值消除了大部分的与等待干端测量结果相关的控制延迟。将更快地消除一些湿端干扰。

虽然将在实施于造纸中来说明本发明，但是应该理解本发明可应用于其它的片材制造过程，例如，在橡胶片材、塑料膜、金属箔等的制造商中。对于这些应用，“湿端”对应处于其熔融或柔软状态中的原材料被处理时的初始单元操作，而“干端”对应最终片材产品被形成时的下游阶段。

附图说明

图1是造纸系统的示意图；

图2是造纸系统的湿端的示意图；以及

图3和4是框图，其描述了通过使用基重或干重估计器和百分比灰分估计器维持湿端处的造纸机控制的过程控制概念；以及

图5是由造纸系统实施的过程的流程图。

具体实施方式

将通过在片材制造系统10中实施该技术来说明过程控制系统，该系统10包括造纸机2、控制系统4和网络6，如图1中所示。造纸机2产生连续的纸页材料12，该纸页材料由收取卷轴14收集。纸页材料12具有特定的宽度，其由浆料悬浮液生产，该悬浮液包括木纤维和其它材料的水混合物，该混合物经历了各种单元操作，这些操作由控制系统4监视和控制。网络6有利于在系统10的部件之间通信。

造纸机2包括流浆箱8，其横跨造纸机地将浆料悬浮液均匀地分布在连续移动的筛或网30上。进入流浆箱8的浆料悬浮液可包含例如0.2-3％的木纤维以及可能的其它固体，悬浊液的其余部分是水。流浆箱8包括用于分布浆料悬浮液的任意合适的结构。流浆箱8可例如包括堰板开口，通过该开口浆料悬浮液被分布到筛或网30上，筛或网30包括合适的结构，例如网眼，以接收浆料悬浮液并且允许水和其它材料排出或离开浆料悬浮液。在本文中使用时，形成片材制造系统10的一部分的“湿端”包括流浆箱8和网30以及在网30之前的那些部分，并且“干端”包括在网30下游的部分。

此后纸页12进入压制部分32，该部分包括多个压制辊，在那里纸页12行进通过在压制部分32中的多对反向旋转的辊之间的开口（被称为轧缝）。以这种方式，压制部分32中的辊将形成纸页12的纸浆材料压缩。这可有助于从纸浆材料中去除更多的水并且均衡在纸页12的两侧上的特征。当纸页12在干燥器部分34中的一系列被加热的辊上行进时，纸页12中更多的水被蒸发。压光机36处理并完成纸页12，例如，通过使纸页光滑并施加最终抛光、厚度、光泽或其它特征给纸页12。其它的材料（例如浆粉或蜡）也可被添加到纸页12以获得期望的抛光。感应加热致动器24阵列沿着横向方向（CD）施加热量到所述辊中的一个或多个以控制辊直径并由此控制轧缝的大小。一旦完成了压光机36的处理，纸页12就被收集到卷轴14上。

片材制造系统10还包括蒸汽致动器20阵列，其控制沿着CD被投射的热蒸汽的量。热蒸汽增加了纸表面温度并且允许水从纸页的更容易的沿横向方向去除。而且，为了减少或者阻止纸页的过度干燥，纸材料14在CD方向上被用水喷洒。类似地，再润湿淋洒致动器22阵列控制沿着CD被施加的水量。

为了控制造纸过程，纸页12的性质被连续地测量并且造纸机2被调节以确保纸页质量。这种控制可通过使用一个或多个扫描仪26、28测量纸页性质来实现，所述扫描仪能够扫描纸页12并且测量纸页12的一个或多个特征。例如，扫描仪28可携带传感器以测量干重、湿度含量、灰分含量、或纸页12的任何其它的或额外的特征。扫描仪28包括测量或检测纸页12的一个或多个特征的合适的结构，例如一组传感器或传感器阵列。一组扫描的传感器代表了用于测量纸页性质的一个特定的实施例。可代替地使用静止不动的传感器阵列。扫描仪28尤其适合于测量纸产品的干端干重和灰分含量。

来自扫描仪28的测量结果被提供给控制系统4，该系统调节影响纸页12的机器方向特征的造纸机2的各种操作。纸页12的机器方向特征通常指的是纸页12的平均特征，该平均特征在机器方向上变化并被控制。在这个示例中，控制系统4能够通过调节向流浆箱8的纸浆供应来控制纸页的干重。例如，控制系统4可提供信息给纸料流控制器，该纸料流控制器调节通过阀门并到达流浆箱8的纸料流。控制系统4包括用于控制造纸机2或其它机器的操作的任何硬件、软件、固件或其组合。控制系统4可例如包括处理器和内存，该内存存储着由处理器使用、产生和收集的指令和数据。

供应到流浆箱8的纸料是在如图2中所示的过程中生产的，其中纸浆被引入到纸料准备单元52。例如，纸料准备单元52对纸浆纤维进行清洁和提纯使得纸浆纤维满足要求的标准。纸料准备单元52也可接收和处理从筛或网30回收的再循环纤维，该筛或网30在辊70和72之间旋转。纸浆的浓度由传感器54测量并且由其发出的信号可被用于控制进入纸料准备单元52中的纸浆和/或再循环水的流动。调节辊70、72的驱动速度控制网或机器速度。传感器74测量进入流浆箱的总浓度和灰分浓度并且传感器76测量白水的相同的性质。传感器74、76的读数例如被用于确定白水中的总浓度、流浆箱中的总浓度、白水中的灰分浓度、流浆箱中的灰分浓度的值，这些值在本文中被进一步解释。纸料准备单元52中的纤维与一种或多种填料混合。所得到的混合物代表了浓纸料58并且具有相对高的通常为约40％的纤维浓度。浓纸料58此后在短循环路径60中与白水混合以产生稀纸料62，稀纸料62具有相对低的通常约0.2％的纤维浓度。“白水”是从网30上的湿纸料中去除的水。离开纸料准备单元52的纸料的浓度是用传感器56测量的并且其发出的信号可被用于控制填料流。稀纸料62被提供给流浆箱8。长循环路径64提供再循环材料给纸料准备单元52以回收。

包括化学添加剂的填料可在过程中的不同步骤中被添加。湿端化学和矿物添加剂包括，例如，酸和碱、矾、上浆剂、干强度粘合剂、湿强度树脂、填料、着色材料、助留剂、例如聚丙烯酰胺、纤维凝絮剂、去沫剂、助滤剂、光学增亮剂、树脂控制化学品、除粘菌剂、和专用化学品。沉淀碳酸钙可被用作填料。纸制造商使用填料来提高可打印性、颜色和纸的其它物理特征。

术语“干重”指的是每单位面积材料的重量（不包括由水引起的任何重量）。纸通常由三种成分制成： 水、木纸浆纤维、和灰分。“灰分”被定义为纸的在完全燃烧之后残留的那部分。尤其是，灰分可包括各种矿物组分，例如碳酸钙、二氧化钛、和粘土（粘土的主要组分是SiO₂）。术语“水重”指的是每单位面积网上的湿纸料的水的质量或重量。术语“基重”指的是每单位面积的材料的总重。

在（图1）造纸机2的正常操作期间，在干端控制回路和湿端控制回路都操作的情况下扫描仪测量结果控制造纸机的操作。不过，在纸断裂或者导致扫描仪测量结果不可获得的其它干扰的情况下，湿端控制继续进行。

在实施本发明的过程中，一旦选择了要被估计的物理性质，就发展数学模型来计算它们的值。

例如，可利用下面的公式估计干重和百分比网灰分：

（干重估计）

（灰分重估计）

（灰分百分比估计）

其中，是在网处的估计干重，是估计总留着率，总留着率是留着在网上的固体的比例，是总浓度，总浓度是作为纸料的总质量的百分数的纸料中的固体的质量，是流浆箱处的纸料密度，是从流浆箱到网的纸料流，是机器速度，是纸页宽度，是在网处的估计灰分重量，是在网上的估计灰分留着率，是到流浆箱的纸料流的灰分浓度，是白水中的总浓度，是流浆箱中的总浓度，是白水中的灰分浓度，是流浆箱中的灰分浓度，以及是基于测量干重的修正因数，其例如通过对的滤波得到，并且是基于测量灰分的修正因数，其例如通过对的滤波得到。

利用如图3中所示的本发明的控制过程，通过引入对在网30处的干重和百分比灰分的估计将对造纸机200的控制在湿端202和干端204之间划分（图2）。该过程实现了对一组最终质量变量和一组湿端变量的控制，这些质量变量例如是干重、百分比灰分、湿度、亮度、不透明性，该湿端变量例如是估计干重、估计百分比灰分、总留着率和灰分留着率。对于操作者来说造纸机的湿端控制和干端控制的清晰划分是容易理解和实施的。

控制系统包括湿端控制器206、网干重和灰分估计器208和干端控制器210。如上所述，在干端204的扫描仪发展干端信号，该干端信号提供对干端干重（在图4中标记为“基本纸页DWT”和干端灰分重量（在图4中是“基本纸页灰分”）的电子测量。干端信号被应用到网干重和灰分估计器208，其因此知晓了这些参数。类似地，湿端信号也在湿端202被发展，湿端信号提供了对流浆箱流、流浆箱总固体浓度、流浆箱灰分浓度、总固体留着率、灰分留着率、网速度和堰板宽度的电子测量。湿端信号也被应用到网干重（DWT）和灰分估计器208，其因此还知晓了这些额外的参数。

估计器208计算网干重和网灰分百分比，该干重和百分比被供应到湿端控制器206。更确切地，再参照图4，估计器208包括网干重估计器212、网灰分重量估计器214和百分比灰分计算器216。如图4中最佳所示，上述信号中的第一子组被应用到网干重估计器212以发展估计网干重信号。类似地，上述信号中的第二子组被应用到网灰分重量估计器212以发展估计网灰分重量信号。估计网干重信号和估计网灰分重量信号中的每一个都被应用到百分比灰分计算器216以发展估计百分比灰分信号。由估计器208发展的估计网干重信号和估计百分比灰分信号被应用到湿端控制器206，如图3最佳所示。

干端控制器210响应于质量变量设置点并且还响应于在干端处发展的提供对最终质量变量测量结果的测量的信号，最终质量变量测量结果例如是干重、灰分含量、亮度、不透明性和湿度。响应于这些信号，干端控制器210发展给湿端过程致动器的机器速度设置点（SP）和应用到干端过程致动器的干燥器蒸汽压力设置点，所有这些致动器都如上面所讨论的。干端控制器还响应于应用到其的信号发展网干重设置点信号和网灰分设置点信号。

湿端控制器响应于由估计器208发展的估计网干重和估计百分比灰分信号并且还响应于由干端控制器210发展的网干重设置点和网灰分设置点信号。总留着率设置点信号和灰分留着率设置点信号也被应用到湿端控制器206。响应于所应用的信号，湿端控制器206发展纸料流设置点信号、填料流设置点信号和助留剂信号以应用到上面描述的湿端过程致动器。

参照图5，示出了由结合图3-4描述的装置所实施的过程的流程图。该过程开始并且重复，重复间隔是每一次控制器更新间隔，如400所示。

如402所示的第一个询问是干端测量结果是否可获得。如果是，这指示由扫描仪发展的干端信号正被应用到估计器208，由估计器208发展的估计网干重和估计百分比灰分信号被更新并且这些已更新的信号继续被应用到湿端控制器206，如404所示。

如406所示，下一个询问是湿端控制是否正在进行。如果否，过程返回到更新间隔，如400所示。否则，如果是，第三询问408是干端控制是否正在进行。如果是，干端控制器210更新湿端控制器206的网干重和网灰分设置点，如410所示。另外，如416所示，湿端控制器210在过程返回到400所示的更新间隔之前，更新过程的被操纵的变量。如果对第三询问408的回答是否，那么就保持来自干端控制器210的上一次湿端设置点，如414所示。替换地，新湿端设置点可从造纸机200的操作者输入。在任一情况下，该过程继续到过程的被操纵的变量的更新，如416指示的。

返回到402指示的第一个询问，如果干端测量结果不可获得，这指示了湿端202中的中断、故障等，本发明考虑造纸机200可通过保持上一次湿端估计器调节参数来继续运行，如412所示。在本发明的特定实施例中，由估计器208发展的估计网干重信号和估计百分比灰分信号继续被应用到湿端控制器206。

前面已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。不过，不应将本发明理解为局限于所讨论的特定实施例。相反，上述实施例应该被认为是说明性的而非限定性的，并且应该意识到在不脱离由下面的权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对这些实施例进行改变。

Claims (9)

1.一种用于具有湿端（202）和干端（204）的片材制造机器（200）的控制系统，所述湿端包括网，所述湿端（202）具有可操纵元件，这些可操纵元件被调节以维持所述湿端（202）处的所述片材（12）的性质，所述性质实现所述干端（204）处的所述片材（12）的可测量性质，所述片材包括纸，并且所述干端（204）具有传感器（28），所述传感器生成电信号以传递所述可测量性质的定量信息，所述控制系统包括：

干端控制器（210），其响应于由所述传感器（28）生成的所述干端（204）处的所述片材（12）的测量性质值以及响应于所述干端（204）处的所述片材（12）的性质设置点，并且可操作以生成所述湿端（202）处的所述片材（12）的性质设置点，所述设置点信号的每一个都定量地建立所述湿端（202）处的所述片材（12）的性质中的相应一个的设置点；

估计器（208），其响应于由所述传感器（28）生成的测量结果并且响应于传递向所述湿端（202）的输入的当前值的定量信息的另外的信号以生成在所述网处的湿端性质的估计值并且所述估计器（208）包括网干重估计器（212）、网灰分重量估计器（214）和百分比灰分计算器（216），所述湿端性质的估计值与估计干重和估计百分比网灰分相称，所述估计干重和估计百分比网灰分与所述干端（204）处的对应可测量性质干重和灰分百分比有关；以及

湿端控制器（206），其响应于所述湿端性质的设置点以及响应于所述湿端性质的估计并且可操作以操纵向所述湿端（202）的输入。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述估计干重和估计百分比网灰分是根据下式计算的：

其中，是在网（30）处的估计干重，是估计总留着率，总留着率是留着在所述网（30）上的固体的比例，是总浓度，总浓度是作为纸料的总质量的百分数的纸料中的固体的质量，是流浆箱（8）处的纸料密度，是从流浆箱（8）到所述网（30）的纸料流，是机器速度，是片材宽度，是在所述网（30）处的估计灰分重量，是在所述网（30）上的估计灰分留着率，是到流浆箱（8）的纸料流的灰分浓度，是白水中的总浓度，是流浆箱（8）中的总浓度，是白水中的灰分浓度，是流浆箱（8）中的灰分浓度，以及是基于测量干重的修正因数，并且是基于测量灰分的修正因数。

3.如权利要求2所述的控制系统，其中是通过对的滤波得到，其中是测量干重，并且是通过对的滤波得到，其中是测量百分比灰分。

4.如权利要求1所述的控制系统，其中所述片材（12）包括纸并且与所述湿端变量的当前值相称的所述另外的信号包括流浆箱流、流浆箱总浓度和灰分浓度、总留着率和灰分留着率、网速度和堰板宽度中的任一个。

5.如权利要求1所述的控制系统，其中由所述干端控制器（210）生成的所述设置点信号中的每一个都与由所述湿端控制器（206）要求的网干重和网灰分的设置点相称。

6.如权利要求5所述的控制系统，其中所述干端控制器（210）还操作以生成设置点信号机器速度和干燥器蒸汽压力。

7.如权利要求1所述的控制系统，其中所述湿端控制器（206）操纵纸料流、填料流和助留剂流中的任一个。

8.如权利要求1所述的控制系统，其中所述干端控制器（210）还响应于与所述片材（12）的测量性质有关的质量变量设置点信号。

9.一种用于维持正在片材制造机器（2）中被形成的纸片材（12）的可测量性质接近该可测量性质的设置点的连续控制方法，所述片材制造机器具有湿端（202）和干端（204），所述湿端包括网，所述湿端（202）具有可操纵输入，所述输入被调节以影响所述湿端（202）处的所述片材（12）的性质，所述湿端（202）处的所述片材（12）的性质影响正在所述干端（204）处形成的所述片材（12）的可测量性质，并且所述干端（204）具有传感器（28），所述传感器生成所述干端（204）处的所述片材（12）的性质的测量结果，所述方法包括如下步骤：

根据由所述传感器（28）生成的所述测量结果生成在所述湿端（202）处的所述片材（12）的所述性质的设置点信号；

生成所述网处的所述湿端（202）处的所述片材（12）的与根据由所述传感器（28）生成的所述测量结果的所述干端（204）处的测量性质和传递向所述湿端（202）的输入的当前值的定量信息的另外的信号有关的性质的估计，其中所述湿端性质的估计值与估计干重和估计百分比网灰分相称，所述估计干重和估计百分比网灰分与所述干端（204）处的干重和灰分百分比的对应测量结果有关；以及

根据所述湿端（202）处的所述片材（12）的所述性质的所述设置点和估计操纵所述湿端输入。