纸张灰分的在线检测与控制

肖中俊

(山东轻工业学院电气工程与自动化学院，山东济南，250353)

近年来，造纸企业越来越关注纸张的灰分含量［1］。适度提高灰分含量，纸浆纤维用量减少，吨纸生产成本也随之降低。但灰分不能盲目提高，大幅度地提高会影响到纸张的厚度、内结合强度、耐折度、不透明度、平滑度、印刷光泽度、印刷表面强度、油墨吸收性等性能指标。因此，在不降低纸张品质的情况下，通过对灰分实现在线检测并以此来调节填料加入量，将灰分控制在一个适度的范围，在减少纤维用量的情况下可有效地改善纸张的品质。

1 在线灰分测量的实现

在扫描架中安装灰分检测仪器，纸张灰分 (A)的检测与纸张定量的检测过程基本相同，取纸张测量的平均灰分值作为反馈校正值，即:

将该反馈校正值与纸张灰分基准值进行比较获取偏差，偏差信号用于灰分调节器，实现灰分在机器方向的均匀一致性。

扫描架在检测灰分的过程中，通常将测量的灰分值经过VFC转换为频率信号。信号的准确度直接决定了灰分控制的精度。这里以Impact公司生产的灰分传感器4405型为研究对象，分析其信号测量、转换以及处理过程。

1.1 测量原理

该传感器是基于从放射源Fe-55辐射的X射线经过纸张吸收强度的变化来测量灰分的。Fe-55的衰减半周期为2.6年，工作寿命建议为5年。

从Fe-55辐射的X射线 (5.9 keV)非常易于被灰分中的元素吸收，而对于纤维和水分中的氢、氧和碳元素，其吸收射线的能力相当弱，但这种影响在测量中还必须加以考虑，予以补偿。

该传感器结构原理如图1所示，主要包括放射源、光线探测器以及信号放大与处理电路组成。

图1 灰分传感器结构原理图

图2 各种组分对X射线的传输曲线

根据X射线对纸张中不同元素成分吸收程度的不同，可以获取相应传输曲线，如图2所示。

1.2 测量算法

对于单色X射线的吸收特性，可采用Beer原理获得:

式中，I为通过纸张的传感器信号;I0为空气隙传感器信号;FW为纤维质量;WW为水分质量;AW为灰分质量;μ0为纤维吸收系数;μ1为水分吸收系数;μ2为灰分吸收系数。

当确定灰分的吸收系数时，需根据灰分的含量来进行［2］。即如果灰分由25%的 CaCO3和75%的高岭土组成，则灰分吸收系数可通过相应计算得到μ2=0.0099。

由于纸张定量是纤维、水分与灰分质量的总和，因而纤维质量可表示为定量减去水分与灰分的质量，则灰分质量的计算公式为:

式中，AW0为校正前灰分质量;BW为定量;DW为绝干纤维质量;Mc为水分含量，以百分数表示;Ac为灰分含量，以百分数表示;K与xoffset为校准斜率与偏置量。A、B、C三个参数为由Impact公司提供的测量仪常数。

1.3 灰分校准

为了补偿灰分传感器测量的测量误差，可将实验测量基准值与传感器测量值进行数据拟合，如图3所示。

从曲线拟合中，可以获取校正参数斜率K和偏置量xoffset。用于决定新的校正数据。这样可知:

式中，K0为校正前斜率;Kr为图3所示校正斜率;xoffset－0为校正前偏置;xoffset－r为图3所示校正偏置值。

图3 灰分斜率与偏置校正曲线

2 纸张的灰分控制

由于灰分控制所加的填料主要是CaCO3和高岭土，添加在网前箱的浆料溶液中，主要以微颗粒状乳液形式混合在纸浆中，只要在网前箱中进行充分匀浆，则填料浓度在经流浆箱上网时横向的分布是均匀的，因此不需灰分的横向控制。而在纵向，由于填料添加过程影响因素较多，如中浓浆浓度和流量波动、回流白水流量波动、填料添加量的波动，都会造成灰分不一致［3］，因此必须对灰分进行纵向控制。

纸张灰分的控制流程如图4所示，填料乳液加入到中浓浆及白水混合通道，经冲浆泵送入压力筛及高位箱中，然后通过流浆箱上网。通过调节填料乳液的流量控制阀开度，实现纸张灰分的跟踪控制。

图4 纸张灰分控制流程

通过对图4所示的纸张灰分控制流程分析可知，从填料乳液调节阀至扫描架灰分信号的检测，存在较大的时滞，因此采样PI控制具有局限性，可采用单变量DMC控制算法，将灰分控制处理为单入单出系统，被控量为灰分，控制量为填料乳液调节阀门开度，采用一阶惯性加纯滞后的传递函数模型，分析表明，基于DMC算法的灰分控制具有比采样PI控制更好的动静态性能［4］。

3 纸张灰分检测与控制应用

以陕西蒲城某造纸厂2800/360纸机生产线为对象，控制指标为定量60 g/m2，水分5%，灰分18%，其中灰分含量通过填料乳液CaCO3的流量调节来实现。通过对纸机的工艺流程及控制机理进行分析，结合工厂技术要求，利用工控机组态软件，设计造纸过程DCS综合质量控制系统，图5所示为该纸机流送部组态模型。

通过在纸机卷纸部装备O型扫描架，配备定量水分灰分扫描仪，实现控制指标的在线测量［5］，并在上位机监控软件中建立先进控制算法软件包，对实测的定量、水分与灰分信号进行在线跟踪，并在流送部与干燥部控制装置配以成熟的采样数字PID算法和DMC算法，实现相应控制量的在线优化调节。

对于纸张灰分控制，依据灰分检测及补偿原理获取精确的灰分信号，通过调节流量控制器FIC202实现灰分值的自动跟踪。图6所示为灰分监控画面截取的2 h曲线图。从图6中可以看出灰分偏差小于1.0%，因此灰分在线检测比传统灼烧法离线获取灰分含量更直观更便捷，也便于灰分的在线调节。

4 结语

在纸张灰分的高精度控制中，灰分值的检测十分关键。通过对灰分的测量、算法分析、补偿校正以及反馈控制，可以实现灰分的及时精确跟踪与自动控制，大大提高了抄纸的工作效率，并可根据要求适当改善纸张的品质。

［1］ 侯庆喜，王 进，张红杰．我国造纸科学技术学科的现状发展趋势及对策［J］．中国造纸，2011，30(12):60．

［2］ 万 丽，李媛媛，戴红旗．几种填料的物理特性及其在造纸中的应用比较［J］．中国造纸学报，2011，26(2):29．

［3］ 韩红生．涂布原纸的质量控制［J］．中国造纸，2008，27(8):48．

［4］ 肖中俊．抄纸过程智能控制策略研究［D］．陕西科技大学，2011．

［5］ 佟 彤．质量控制系统在卷烟纸机上的应用［J］．中国造纸，2011，30(12):67．