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摘要：随着生活用纸市场竞争的加剧，以及节能降耗的低碳经济之路政策的推进，生活用纸企业纷纷新建车速800 m/min以上的中高速卫生纸机，但中高速卫生纸机在打浆控制、质量控制、干燥部节能和传动控制等方面尚存一些技术问题需要突破。本课题提出打浆度在线软测量及恒打浆度控制、定量在线软测量及绝干浆量控制、干燥部能耗协同控制、同步传动控制等控制策略，并开发了集成优化控制系统。应用结果表明，打浆度控制误差低于±0.5°SR，浆耗低于1.05 t浆/t纸; 实现了在无定量水分在线检测装置条件下的绝干浆量精确控制，控制误差低于±0.4 g/m2;汽耗低于2.03 t汽/t纸，稳定生产车速达1300 m/min。
关键词：中高速卫生纸机;软测量及控制;能耗协同控制;同步传动控制
中图分类号：TS736 文献标识码：A
DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.09.008
Abstract： Medium and high speed tissue paper machines， with running speed higher than 800 m/min， were launched in many enterprises due to market competition intensifying， and the implementation of the policies of energy-saving and low-carbon economic. However many technical problems included beating control， basis weight control， energy-saving of drying section and driving control were needed to be solved. To solve those problems， online soft measurement and control strategy of beating degree， online soft measurement method of basis weight， energy consumption synergistic control algorithm of dryer section and three-points driving control method of driving system were proposed in this study， finally. An integrated optimization control system was developed based on the software platform of WinCC， Step7 and PCS7. The practical running effect showed that the error of beating degree was smaller than ±0.5°SR， and the stock consumption was less than 1.05 tons per ton peper. The precise control of basis weight was realized， without equipping with online quality control system （QCS）， the error was lower than ±0.4 g/m2. The average steam consumption of drying section was lower than 2.03 tons. The stable running speed could reach 1300 m/min.
Key words： medium and high speed tissue paper machine; soft measurement and control; energy consumption synergistic control; synchronous driving control
目前我国生活用纸的生产量及消费量逐年上升，据《中国造纸工业2018年度报告》统计，2018年生活用纸生产量970万t，较上年增长1.04%，消费量901万t，较上年增长1.24%。2009—2018年生活用品生产量年均增长率5.88%，消费量年均增长率6.10%[1]。虽然生活用纸行业处于生产量及消费量双增长阶段，但总体上表现为产能过剩，生活用纸生产企业为了应对日益严峻的市场形势，一方面要增产提质，另一方面通过节能降耗，降低生产成本，以获取更大的利润空间。生活用纸生产企业纷纷淘汰能耗高、污染大的低速卫生纸机，取而代之的是中高速卫生纸机。当今，幅宽为2500～4500 mm、车速800～1800 m/min的中高速国产生活用纸纸机（单大缸，直径一般都不小于3600 mm）已大面积推广。这说明我国造纸工业已经步入由成长期向成熟期发展的转型期，处于调整结构、转型升级和寻求新平衡的过程中[2-3]。
目前新上生產线多为单大缸中高速卫生纸机，以新月形卫生纸机为例，其主要结构如图1所示。由图1可以看出，纸机本体主要有流浆箱、成形部、压榨部、干燥部、卷取部组成。一般而言，生活用纸生产线由打浆、备浆流送、干燥部、同步传动控制4个子系统组成。纸张抄造原料为商品木浆，碎浆后经过打浆进入抄纸工段，从备浆工段送来的浆料进入流浆箱，从流浆箱的唇口喷出，在传动装置带动作用下浆料从网子转移到毛毯并经过压榨部进行脱水，此时湿纸幅干度可达到45%左右，接着进入干燥部经扬克烘缸及扬克气罩共同加热干燥作用后干度可达94%左右，从而完成纸幅的干燥过程，最后在卷取部卷取成卷。 由图1还可以看出，中高速卫生纸机具有特殊的构造与工艺要求，其控制系统与生产文化用纸、工业用纸的纸机存在显著差别，只有采用先进的控制策略及配套合适的自动化控制系统才能实现节能、高效的生产。为解决这一难题，本课题针对中高速卫生纸机生产线打浆、定量控制、干燥部能耗、传动控制及系统的集成优化这5个方面展开应用技术研究工作。
1 中高速卫生纸机控制策略
1.1 打浆度在线软测量及恒打浆度控制
因生活用纸不同于其他纸张的质量指标要求（如松厚度等的特殊要求），打浆非常关键。目前针对打浆度控制采用的方法主要为比能量控制[4]，该方案将盘磨机主电机工作功率作为控制量，磨盘间隙作为操作量，浆料的流量、浓度、压力等因素作为扰动量，通过调节动、定磨盘之间的间隙，将功率控制在设定值附近。这种简单的开环控制方式仅能控制功率恒定，在流量、浓度、压力等其他过程变量均保持稳定的情况下，才能够保证成浆质量稳定。在实际应用中，以上过程变量均会发生波动，导致成浆质量的不稳定，从而影响卫生纸品的质量。由于磨盘是封闭结构，工作区的实际状态难以直接观测，所以目前只能对打浆过程进行简单的定性描述，难以做到精确测量。而打浆过程中各参数之间（如流量、浓度、磨盘间隙、压力等因素）相互耦合，共同影响着打浆质量、打浆产量以及能耗。
支持向量机（Support Vector Machine，SVM），在解决非线性、高维度以及小样本问题上有着很多优势。以浆种、浓度、流量和功率等参数为二次变量，建立基于SVM算法的打浆度在线软测量数学模型如图2所示[5-6]。根据磨浆机的特性，提出了以磨浆机主电机功率控制为副环、打浆度控制为主环的恒打浆度控制方案[7-8]，由软测量模型计算出打浆所需要的功率值，并通过调节盘磨机的进退刀实现磨浆机的恒功率控制，控制流图如图3所示。
采用该控制策略后，打浆度控制的实时曲线如图4所示，其中图4（a）为传统的比能量打浆度控制，图4（b）为打浆度在线软测量及恒打浆度控制。由图4（a）可见，采用传统的比能量控制策略，当磨浆过程发生投入浆板量不均、流量变化或将废纸投料时，打浆度会出现波动，波动幅度可达±1.5°SR，而且难以快速达到设定值。由图4（b）可见，当在水力碎浆阶段，人工操作发生投料不均或者将损纸加入到水力碎浆机中，导致碎浆阶段产生浆料浓度波动之类干扰因素出现时，采用本课题提出的打浆度在线软测量及恒打浆度控制策略，能够使打浆度快速稳定到设定值，误差也能控制在±0.5°SR以内，达到了控制成浆质量的目的。而且由于打浆度稳定，生产过程中的废浆率也随之降低。据统计，与传统比能量打浆度控制相比，打浆度在线软测量及恒打浆度控制抄纸工段的成纸一等品率由90%上升至94%，吨纸浆耗由1.12 t降至1.05 t，有效地提升了原料的利用率。
1.2 无QCS条件下定量在线软测量及绝干浆量精确控制
定量（又称绝干浆量）是指纸张单位面积中所含纤维的质量[9-10]，一般来说，评价纸张质量最重要的指标是定量和水分，这两个质量指标是否达标决定着成纸的一等品率。在整个备浆流送系统中，保证纸张定量是一项重要任务，一般卫生纸机生产纸张定量范围在10～20 g/m2。以14 g/m2的生活用紙为例，国家标准规定定量误差低于±1.0 g/m2[11]。中高速卫生纸机的定量控制不同于传统的长网纸机，它不仅车速高，而且定量低，需要采用钷（Pm147）放射源才能满足低定量纸张的检测要求，然而此元素的半衰期仅为2.62年，由于半衰期较短，定量传感器的耐久性不佳，需要频繁地定期标定或更换，使用成本较高。采用扫描架循环扫描纸张定量时，纸机运行车速高、纸张定量低，纸张的颤动容易造成探头划破纸张，损坏定量传感器或造成断纸，从而影响纸机连续生产。采用定点扫描时无法保证横幅定量的均匀稳定，具有较大局限性，无法得到较好的运行效果。在中高速卫生纸机生产线中，不便于配置在线质量控制系统（Quality Control System，QCS），因此定量在线软测量及绝干浆量精确控制策略是解决这一问题的合适方案[12]。
定量在线软测量技术是基于纸张定量与浆浓和上浆流量的关系，具体关系如公式（1）所示。
式中，D为纸张定量;K为修正系数;C为上浆浓度;F为上浆流量;L为抄造幅宽;V为纸机车速。
在中高速卫生纸机生产线中，纸张抄造幅宽一般是固定值，车速保持稳定，通过测量上浆浓度及流量，再乘以修正系数，实现在无QCS条件下，应用在线软测量技术测得卫生纸定量。
纸张定量控制工艺中控制变量为上浆浓度及流量，两者存在耦合关系，在控制逻辑中需要进行解耦运算;而浓度调节是一个纯滞后过程，常规PID控制对较大纯滞后对象的控制始终存在不足，无法取得较好的控制效果，基于模糊PID控制的定量控制方案可以改善浓度控制的滞后现象[13]，具体控制方案如图5所示。
注 FSV（s）、CSV（s）分别为流量和浓度设定值;FPV（s）、CPV（s）分别为流量和浓度检测值;GF（s）、GC（s）分别为流量和浓度控制对象;CF（s）为流量控制器;CC（s）为浓度控制器，其中浓度控制采用模糊PID控制。
该控制策略在四川某纸企车速为1000 m/min的中高速卫生纸机生产线上得到了应用，现场测量数据表明，定量控制误差的最大波动量均小于±0.4 g/m2，满足国家标准规定的±1.0 g/m2的误差许可范围，实现了无在线QCS条件下纸张定量及水分指标长期达标稳定运行的目的。
1.3 干燥部蒸汽冷凝水与通风气罩能耗协同优化控制
卫生纸机干燥部主要设备包括扬克烘缸、扬克气罩、闪蒸罐等。湿纸幅进入干燥部紧贴扬克烘缸表面，在烘缸内蒸汽热传导及扬克气罩高速热风的共同作用下，完成纸张的干燥。蒸汽冷凝水系统主要能耗影响因素来源于以下两部分：①供汽方式不同将导致新鲜蒸汽的消耗量不同，目前大多数造纸企业采用热泵供汽;②烘缸一旦积水将导致传热效率降低、烘缸运转负荷加重，电耗、汽耗均大幅增加。因此，干燥部的供汽方式及防止烘缸积水是节约卫生纸机干燥部能耗的关键因素[14-15]。 多段供汽和热泵供汽相结合的供汽方式以及烘缸蒸汽冷凝水子系统与通风气罩子系统能耗协同控制方案能够有效地利用干燥部热能[16-17]，具体控制工艺流程图如图6所示。在工艺设计阶段要将通风气罩供热系统与蒸汽冷凝水热力系统结合起来，统一进行能量恒算，烘缸蒸汽冷凝水热力系统供应商在进行热力平衡计算时，要充分考虑通风气罩的热风能耗，使蒸汽冷凝水系统不便循环使用的余热余能全部进入通风气罩，用来预热新风，实现能量的综合利用。
为了实现本系统的总体设计思想，在节能和响应速度两方面都尽可能地趋于最优，借助于非线性PID的控制算法及模糊PID算法，分别针对热泵组的压力分段控制、热泵开度的低端选择控制、通风气罩二次蒸汽回收压力回路的分程控制及烘缸差压控制[17-20]，能够充分利用蒸汽的热能，降低干燥部能耗。该控制策略在保定某生活用纸生产线得到了应用，连续12个月的吨纸汽耗统计数据如图7所示。从图7可以看出，该生产线2017年度汽耗均值为2.03 t汽/t纸，与国外同类产品能达到的吨纸汽耗指标（2.0～2.1 t汽/t纸）基本持平。这表明在装备具有价格优势的国产中高速卫生纸机中，采用合理的能耗协同控制策略，能够达到与国外同类产品相近的能耗指标，从而有助于厂家降低设备的投资成本。
1.4 中高速卫生纸机同步传动控制
中高速卫生纸机的扬克烘缸直径一般为3660～4877 mm，质量高达80～100 t，属于大惯量设备，烘缸启动和制动的时间都比较长。负载的大转动惯量也会影响系统运行定位的快速性和精度，比较难以实现系统的快速跟踪定位。成形辊、烘缸、卷纸辊构成了中高速卫生纸机的3点联合驱动，由于生活用纸纸张薄、车速高，相对于长网纸机对同步传动的要求极高，通常要求速度误差要小于±0.5%，一旦超过误差范围会造成断纸、褶皱增多、粘缸等问题影响生产。
在纸机传动过程中，需要使相邻传动点之间的速度保持一定的比例，并且在纸机调节车速的过程中，随着各传动点上负载转矩的变化，通过变频器自动调节驱动电机的输出和转矩，实现同步运动的精确控制。负荷分配要兼顾速度与转矩的合理设定，优先保证主从传动单元速度同步，精确控制转矩差的3点联动同步传动方案（见图8），能够解决中高速卫生纸机的同步传动精确控制问题。具体控制方法如下：选取扬克烘缸作为主传动点，维持速度稳定，成形辊作为从传动点，根据可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）从变频器读取的扬克烘缸转矩信号与负荷分配比例相乘的结果得到从传动点的转矩设定值，达到负荷分配控制的目的。
基于负荷分配的同步传动控制策略，在保定某纸企的中高速卫生纸机生产线运行结果表明，稳定生 产车速达1300 m/min，杜绝了意外停机现象的发生，减少了生产废品率，提高了生产效率，降低了生产成本。
2 中高速卫生纸机生产线全集成优化控制系统工程实现
中高速卫生纸机生产线十分紧凑，对仪表、阀门等自控设备的集成度要求高，而且打浆度在线软测量及恒打浆度控制、无QCS条件下定量在线软测量及绝干浆量精确控制、蒸汽冷凝水与通风气罩能耗协同优化控制、中高速卫生纸机同步传动控制均需要采用复杂的數学工具进行解算和优化，在PLC控制器内难以实现复杂算法。因此，针对生产线全过程的集成优化控制，采用分布式PLC ET200M站分别对制浆、流送、干燥、传动各工段进行现场过程参数的采集、处理和控制运算;操作员站实现上位机监控和人机交互操作;优化站实现全过程复杂数学算法的优化;工程师站实现对生产线的调试、参数设定工作。优化站内运行优化软件，通过OPC（OLE for Process Control）通信协议与操作员站和工程师站通信获得在线数据，经高级算法解算后将优化值传递给控制器，实现生产过程的优化运行，全集成优化控制系统结构如图9所示[21]。
3 技术推广应用情况
陕西科技大学工业自动化研究所及陕西西微测控工程有限公司30多年来深耕于制浆造纸过程自动化控制技术的研发及工程实施，近十多年借国内中高速卫生纸更新换代的时机，围绕中高速卫生纸机生产线的国产化和产业化展开应用技术研究，提出了打浆度在线软测量及恒打浆度控制、无QCS条件下的定量在线软测量及绝干浆量精确控制、蒸汽冷凝水与通风气罩能耗协同优化控制、中高速卫生纸机同步传动控制等控制策略，进而开发出了中高速卫生纸机全集成优化控制系统，取得了技术创新和突破。研究成果已经与国内外多家造纸企业达成合作。
国内生活用纸企业的中高速卫生纸机，采用本课题所述的先进控制技术及控制策略，车速、能耗指标与国外进口纸机基本持平，生产车速稳定在1300 m/min。
4 结 语
本课题提出的中高速卫生纸机集成优化控制技术及控制策略，贯穿从制浆到成纸的全过程，可有效地解决目前我国生活用纸生产企业自动化水平低、能耗大、产能低、利润薄的问题，更好地服务于造纸机械装备制造业和造纸企业。对我国生活用纸结构调整、生态环境保护、节能降耗、产品质量和产能提高以及生活用纸行业的平稳健康发展等提供理论及技术参考。
参考文献
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（责任编辑：黄 举）
关键词：中高速卫生纸机;软测量及控制;能耗协同控制;同步传动控制
中图分类号：TS736 文献标识码：A
DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.09.008
Abstract： Medium and high speed tissue paper machines， with running speed higher than 800 m/min， were launched in many enterprises due to market competition intensifying， and the implementation of the policies of energy-saving and low-carbon economic. However many technical problems included beating control， basis weight control， energy-saving of drying section and driving control were needed to be solved. To solve those problems， online soft measurement and control strategy of beating degree， online soft measurement method of basis weight， energy consumption synergistic control algorithm of dryer section and three-points driving control method of driving system were proposed in this study， finally. An integrated optimization control system was developed based on the software platform of WinCC， Step7 and PCS7. The practical running effect showed that the error of beating degree was smaller than ±0.5°SR， and the stock consumption was less than 1.05 tons per ton peper. The precise control of basis weight was realized， without equipping with online quality control system （QCS）， the error was lower than ±0.4 g/m2. The average steam consumption of drying section was lower than 2.03 tons. The stable running speed could reach 1300 m/min.
Key words： medium and high speed tissue paper machine; soft measurement and control; energy consumption synergistic control; synchronous driving control
目前我国生活用纸的生产量及消费量逐年上升，据《中国造纸工业2018年度报告》统计，2018年生活用纸生产量970万t，较上年增长1.04%，消费量901万t，较上年增长1.24%。2009—2018年生活用品生产量年均增长率5.88%，消费量年均增长率6.10%[1]。虽然生活用纸行业处于生产量及消费量双增长阶段，但总体上表现为产能过剩，生活用纸生产企业为了应对日益严峻的市场形势，一方面要增产提质，另一方面通过节能降耗，降低生产成本，以获取更大的利润空间。生活用纸生产企业纷纷淘汰能耗高、污染大的低速卫生纸机，取而代之的是中高速卫生纸机。当今，幅宽为2500～4500 mm、车速800～1800 m/min的中高速国产生活用纸纸机（单大缸，直径一般都不小于3600 mm）已大面积推广。这说明我国造纸工业已经步入由成长期向成熟期发展的转型期，处于调整结构、转型升级和寻求新平衡的过程中[2-3]。
目前新上生產线多为单大缸中高速卫生纸机，以新月形卫生纸机为例，其主要结构如图1所示。由图1可以看出，纸机本体主要有流浆箱、成形部、压榨部、干燥部、卷取部组成。一般而言，生活用纸生产线由打浆、备浆流送、干燥部、同步传动控制4个子系统组成。纸张抄造原料为商品木浆，碎浆后经过打浆进入抄纸工段，从备浆工段送来的浆料进入流浆箱，从流浆箱的唇口喷出，在传动装置带动作用下浆料从网子转移到毛毯并经过压榨部进行脱水，此时湿纸幅干度可达到45%左右，接着进入干燥部经扬克烘缸及扬克气罩共同加热干燥作用后干度可达94%左右，从而完成纸幅的干燥过程，最后在卷取部卷取成卷。 由图1还可以看出，中高速卫生纸机具有特殊的构造与工艺要求，其控制系统与生产文化用纸、工业用纸的纸机存在显著差别，只有采用先进的控制策略及配套合适的自动化控制系统才能实现节能、高效的生产。为解决这一难题，本课题针对中高速卫生纸机生产线打浆、定量控制、干燥部能耗、传动控制及系统的集成优化这5个方面展开应用技术研究工作。
1 中高速卫生纸机控制策略
1.1 打浆度在线软测量及恒打浆度控制
因生活用纸不同于其他纸张的质量指标要求（如松厚度等的特殊要求），打浆非常关键。目前针对打浆度控制采用的方法主要为比能量控制[4]，该方案将盘磨机主电机工作功率作为控制量，磨盘间隙作为操作量，浆料的流量、浓度、压力等因素作为扰动量，通过调节动、定磨盘之间的间隙，将功率控制在设定值附近。这种简单的开环控制方式仅能控制功率恒定，在流量、浓度、压力等其他过程变量均保持稳定的情况下，才能够保证成浆质量稳定。在实际应用中，以上过程变量均会发生波动，导致成浆质量的不稳定，从而影响卫生纸品的质量。由于磨盘是封闭结构，工作区的实际状态难以直接观测，所以目前只能对打浆过程进行简单的定性描述，难以做到精确测量。而打浆过程中各参数之间（如流量、浓度、磨盘间隙、压力等因素）相互耦合，共同影响着打浆质量、打浆产量以及能耗。
支持向量机（Support Vector Machine，SVM），在解决非线性、高维度以及小样本问题上有着很多优势。以浆种、浓度、流量和功率等参数为二次变量，建立基于SVM算法的打浆度在线软测量数学模型如图2所示[5-6]。根据磨浆机的特性，提出了以磨浆机主电机功率控制为副环、打浆度控制为主环的恒打浆度控制方案[7-8]，由软测量模型计算出打浆所需要的功率值，并通过调节盘磨机的进退刀实现磨浆机的恒功率控制，控制流图如图3所示。
采用该控制策略后，打浆度控制的实时曲线如图4所示，其中图4（a）为传统的比能量打浆度控制，图4（b）为打浆度在线软测量及恒打浆度控制。由图4（a）可见，采用传统的比能量控制策略，当磨浆过程发生投入浆板量不均、流量变化或将废纸投料时，打浆度会出现波动，波动幅度可达±1.5°SR，而且难以快速达到设定值。由图4（b）可见，当在水力碎浆阶段，人工操作发生投料不均或者将损纸加入到水力碎浆机中，导致碎浆阶段产生浆料浓度波动之类干扰因素出现时，采用本课题提出的打浆度在线软测量及恒打浆度控制策略，能够使打浆度快速稳定到设定值，误差也能控制在±0.5°SR以内，达到了控制成浆质量的目的。而且由于打浆度稳定，生产过程中的废浆率也随之降低。据统计，与传统比能量打浆度控制相比，打浆度在线软测量及恒打浆度控制抄纸工段的成纸一等品率由90%上升至94%，吨纸浆耗由1.12 t降至1.05 t，有效地提升了原料的利用率。
1.2 无QCS条件下定量在线软测量及绝干浆量精确控制
定量（又称绝干浆量）是指纸张单位面积中所含纤维的质量[9-10]，一般来说，评价纸张质量最重要的指标是定量和水分，这两个质量指标是否达标决定着成纸的一等品率。在整个备浆流送系统中，保证纸张定量是一项重要任务，一般卫生纸机生产纸张定量范围在10～20 g/m2。以14 g/m2的生活用紙为例，国家标准规定定量误差低于±1.0 g/m2[11]。中高速卫生纸机的定量控制不同于传统的长网纸机，它不仅车速高，而且定量低，需要采用钷（Pm147）放射源才能满足低定量纸张的检测要求，然而此元素的半衰期仅为2.62年，由于半衰期较短，定量传感器的耐久性不佳，需要频繁地定期标定或更换，使用成本较高。采用扫描架循环扫描纸张定量时，纸机运行车速高、纸张定量低，纸张的颤动容易造成探头划破纸张，损坏定量传感器或造成断纸，从而影响纸机连续生产。采用定点扫描时无法保证横幅定量的均匀稳定，具有较大局限性，无法得到较好的运行效果。在中高速卫生纸机生产线中，不便于配置在线质量控制系统（Quality Control System，QCS），因此定量在线软测量及绝干浆量精确控制策略是解决这一问题的合适方案[12]。
定量在线软测量技术是基于纸张定量与浆浓和上浆流量的关系，具体关系如公式（1）所示。
式中，D为纸张定量;K为修正系数;C为上浆浓度;F为上浆流量;L为抄造幅宽;V为纸机车速。
在中高速卫生纸机生产线中，纸张抄造幅宽一般是固定值，车速保持稳定，通过测量上浆浓度及流量，再乘以修正系数，实现在无QCS条件下，应用在线软测量技术测得卫生纸定量。
纸张定量控制工艺中控制变量为上浆浓度及流量，两者存在耦合关系，在控制逻辑中需要进行解耦运算;而浓度调节是一个纯滞后过程，常规PID控制对较大纯滞后对象的控制始终存在不足，无法取得较好的控制效果，基于模糊PID控制的定量控制方案可以改善浓度控制的滞后现象[13]，具体控制方案如图5所示。
注 FSV（s）、CSV（s）分别为流量和浓度设定值;FPV（s）、CPV（s）分别为流量和浓度检测值;GF（s）、GC（s）分别为流量和浓度控制对象;CF（s）为流量控制器;CC（s）为浓度控制器，其中浓度控制采用模糊PID控制。
该控制策略在四川某纸企车速为1000 m/min的中高速卫生纸机生产线上得到了应用，现场测量数据表明，定量控制误差的最大波动量均小于±0.4 g/m2，满足国家标准规定的±1.0 g/m2的误差许可范围，实现了无在线QCS条件下纸张定量及水分指标长期达标稳定运行的目的。
1.3 干燥部蒸汽冷凝水与通风气罩能耗协同优化控制
卫生纸机干燥部主要设备包括扬克烘缸、扬克气罩、闪蒸罐等。湿纸幅进入干燥部紧贴扬克烘缸表面，在烘缸内蒸汽热传导及扬克气罩高速热风的共同作用下，完成纸张的干燥。蒸汽冷凝水系统主要能耗影响因素来源于以下两部分：①供汽方式不同将导致新鲜蒸汽的消耗量不同，目前大多数造纸企业采用热泵供汽;②烘缸一旦积水将导致传热效率降低、烘缸运转负荷加重，电耗、汽耗均大幅增加。因此，干燥部的供汽方式及防止烘缸积水是节约卫生纸机干燥部能耗的关键因素[14-15]。 多段供汽和热泵供汽相结合的供汽方式以及烘缸蒸汽冷凝水子系统与通风气罩子系统能耗协同控制方案能够有效地利用干燥部热能[16-17]，具体控制工艺流程图如图6所示。在工艺设计阶段要将通风气罩供热系统与蒸汽冷凝水热力系统结合起来，统一进行能量恒算，烘缸蒸汽冷凝水热力系统供应商在进行热力平衡计算时，要充分考虑通风气罩的热风能耗，使蒸汽冷凝水系统不便循环使用的余热余能全部进入通风气罩，用来预热新风，实现能量的综合利用。
为了实现本系统的总体设计思想，在节能和响应速度两方面都尽可能地趋于最优，借助于非线性PID的控制算法及模糊PID算法，分别针对热泵组的压力分段控制、热泵开度的低端选择控制、通风气罩二次蒸汽回收压力回路的分程控制及烘缸差压控制[17-20]，能够充分利用蒸汽的热能，降低干燥部能耗。该控制策略在保定某生活用纸生产线得到了应用，连续12个月的吨纸汽耗统计数据如图7所示。从图7可以看出，该生产线2017年度汽耗均值为2.03 t汽/t纸，与国外同类产品能达到的吨纸汽耗指标（2.0～2.1 t汽/t纸）基本持平。这表明在装备具有价格优势的国产中高速卫生纸机中，采用合理的能耗协同控制策略，能够达到与国外同类产品相近的能耗指标，从而有助于厂家降低设备的投资成本。
1.4 中高速卫生纸机同步传动控制
中高速卫生纸机的扬克烘缸直径一般为3660～4877 mm，质量高达80～100 t，属于大惯量设备，烘缸启动和制动的时间都比较长。负载的大转动惯量也会影响系统运行定位的快速性和精度，比较难以实现系统的快速跟踪定位。成形辊、烘缸、卷纸辊构成了中高速卫生纸机的3点联合驱动，由于生活用纸纸张薄、车速高，相对于长网纸机对同步传动的要求极高，通常要求速度误差要小于±0.5%，一旦超过误差范围会造成断纸、褶皱增多、粘缸等问题影响生产。
在纸机传动过程中，需要使相邻传动点之间的速度保持一定的比例，并且在纸机调节车速的过程中，随着各传动点上负载转矩的变化，通过变频器自动调节驱动电机的输出和转矩，实现同步运动的精确控制。负荷分配要兼顾速度与转矩的合理设定，优先保证主从传动单元速度同步，精确控制转矩差的3点联动同步传动方案（见图8），能够解决中高速卫生纸机的同步传动精确控制问题。具体控制方法如下：选取扬克烘缸作为主传动点，维持速度稳定，成形辊作为从传动点，根据可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）从变频器读取的扬克烘缸转矩信号与负荷分配比例相乘的结果得到从传动点的转矩设定值，达到负荷分配控制的目的。
基于负荷分配的同步传动控制策略，在保定某纸企的中高速卫生纸机生产线运行结果表明，稳定生 产车速达1300 m/min，杜绝了意外停机现象的发生，减少了生产废品率，提高了生产效率，降低了生产成本。
2 中高速卫生纸机生产线全集成优化控制系统工程实现
中高速卫生纸机生产线十分紧凑，对仪表、阀门等自控设备的集成度要求高，而且打浆度在线软测量及恒打浆度控制、无QCS条件下定量在线软测量及绝干浆量精确控制、蒸汽冷凝水与通风气罩能耗协同优化控制、中高速卫生纸机同步传动控制均需要采用复杂的數学工具进行解算和优化，在PLC控制器内难以实现复杂算法。因此，针对生产线全过程的集成优化控制，采用分布式PLC ET200M站分别对制浆、流送、干燥、传动各工段进行现场过程参数的采集、处理和控制运算;操作员站实现上位机监控和人机交互操作;优化站实现全过程复杂数学算法的优化;工程师站实现对生产线的调试、参数设定工作。优化站内运行优化软件，通过OPC（OLE for Process Control）通信协议与操作员站和工程师站通信获得在线数据，经高级算法解算后将优化值传递给控制器，实现生产过程的优化运行，全集成优化控制系统结构如图9所示[21]。
3 技术推广应用情况
陕西科技大学工业自动化研究所及陕西西微测控工程有限公司30多年来深耕于制浆造纸过程自动化控制技术的研发及工程实施，近十多年借国内中高速卫生纸更新换代的时机，围绕中高速卫生纸机生产线的国产化和产业化展开应用技术研究，提出了打浆度在线软测量及恒打浆度控制、无QCS条件下的定量在线软测量及绝干浆量精确控制、蒸汽冷凝水与通风气罩能耗协同优化控制、中高速卫生纸机同步传动控制等控制策略，进而开发出了中高速卫生纸机全集成优化控制系统，取得了技术创新和突破。研究成果已经与国内外多家造纸企业达成合作。
国内生活用纸企业的中高速卫生纸机，采用本课题所述的先进控制技术及控制策略，车速、能耗指标与国外进口纸机基本持平，生产车速稳定在1300 m/min。
4 结 语
本课题提出的中高速卫生纸机集成优化控制技术及控制策略，贯穿从制浆到成纸的全过程，可有效地解决目前我国生活用纸生产企业自动化水平低、能耗大、产能低、利润薄的问题，更好地服务于造纸机械装备制造业和造纸企业。对我国生活用纸结构调整、生态环境保护、节能降耗、产品质量和产能提高以及生活用纸行业的平稳健康发展等提供理论及技术参考。
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（责任编辑：黄 举）