目前，我國只有少數(shù)大型紙廠引進了進口壓力篩及其自動控制系統(tǒng)，大多數(shù)紙廠由于資金等各方面的問題，壓力篩的控制仍然采用手動控制，手動控制會頻繁堵網，停機沖洗或更換篩網而導致生產中斷，大大降低產量;手動控制的另一缺點是良漿質量不穩(wěn)定，直接導致產品質量下降，使產品竟爭力降低。本課題對壓力篩的運行原理和影響堵網的因素進行了分析，在傳統(tǒng)壓力篩控制的基礎上，設計出了能有效克服壓力篩堵網、能自動排堵、可以進行流量調整和在線連續(xù)的控制系統(tǒng)，使壓力篩能夠高效、優(yōu)質、穩(wěn)定地生產，保證了整個制漿流程的連續(xù)進行。

1 壓力篩的原理及篩選工藝

壓力篩的基本原理如圖1所示。紙槳自上而下進入壓力篩，旋翼以365～740 r/min的速度旋轉，在流動過程中良漿通過篩板排出，尾漿和粗渣從底部排出，再經振框篩將尾漿和重渣分離。其主要特征是密封管路、壓力進漿。漿料以較高的壓力由切線方向進入篩漿機內，合格纖維依靠篩鼓內外的壓力差及篩孔尺寸的限制通過篩孔。篩內充滿漿料，進出管路均密封，篩內壓力差較大。它有安裝簡單、易于操作、生產維護費用較低、不會產生泡沫，生產能力大、篩板凈化效率高、便于自動控制等優(yōu)點。目前其應用已逐漸擴大到篩選制漿過程中的各種漿料以及廢紙制漿。壓力篩在運行過程中，由于原漿質量惡化、進漿量劇增等原因，往往會出現(xiàn)雜質堵塞篩網的現(xiàn)象，從而影響生產的正常運行。

圖1 壓力篩工作原理

下面介紹某造紙廠篩選部分的DCS控制系統(tǒng)，其簡易流程如圖2所示。蒸煮后的漿液進入噴放槽，由漿泵打入粗篩，粗篩后的尾漿進入跳篩后回到蒸煮器。粗篩良漿與一定量的黑液在混合箱混和后打入一段篩;良漿進入真空洗漿機后進入漂白工段，其尾漿進入除砂器，經除砂后進入二段篩，二段篩的良漿進入一段篩重新篩選。

圖2 壓力篩的控制思路

1.1 壓力篩的控制要點

壓力篩篩選系統(tǒng)是密閉的，篩板堵塞就要停車處理，所以控制的重點就要圍繞穩(wěn)定生產和防止篩板堵塞進行。因粗篩、一段篩、二段篩的控制基本相同，故選取一段壓力篩為例來說明其控制方案，如圖3所示。

圖3 壓力篩控制方案

(1)壓力篩只有在合適的壓力下才能達到最佳工作狀態(tài)。故在紙漿進入壓力篩前安裝壓力變送器，用進口閥實現(xiàn)壓力的常規(guī)PID控制(圖3回路①)。

(2)進入壓力篩的漿濃應該保持相對穩(wěn)定，這樣可以保證在一定流量下，單位時間進入壓力篩的絕干漿量是穩(wěn)定的，同時也防止中間槽內紙漿過濃而導致漿泵無法穩(wěn)定打漿。濃度計安裝在漿泵后，而稀釋黑液在漿泵前進入。稀釋黑液閥和濃度計構成單回路PID(圖3回路②)。

(3)進漿流量的控制需要非常精確，在前端，它直接影響中間槽的液位，它的流量必須和進中間槽的漿址相匹配;在后端，它的流量必須和壓力篩的處理能力相匹配;所以本方案選擇用良漿出口閥來控制進漿量。壓力篩進口和出口的壓力差反映了壓力篩的工作狀態(tài)，進出口壓力差保持在0.01～0.02 MPa時，壓力篩正常工作，壓力過大則很可能導致篩孔堵塞，壓力過小則沒有正向流量，即沒有或者有很少的良漿產出;而良漿出口閥又直接影響壓力篩的進出口壓力差。綜合考慮中問槽液位、進漿流量、壓力篩壓力差，其最佳方案為：中間槽液位與進漿流量串級后輸出，該輸出與處理后的壓力篩壓差進行比較，其較小者輸出控制良漿出口閥若較小者的值大于設定的高限值，系統(tǒng)完全關閉進漿閥和良漿閥，并打開尾漿閥和稀釋水閥;若較小者的值小于設定的低限值，進漿閥和良漿閥開度會增大，通過閥門開度的調節(jié)保證進漿量的穩(wěn)定。這樣在壓差較穩(wěn)定時，自動選擇控制液位和流量，在液位和流量比較穩(wěn)定時，自動選擇控制壓差，達到自動兼顧的控制目的(圖3回路③)。

(4)尾漿的流量非常重要，尾漿率太低會使篩渣濃度過高，造成糊篩甚至擠破篩板;尾漿率太高則降低了壓力篩的下作效率。所以尾漿流量要和進漿量按比例控制，尾漿率一般控制在15%～20%的范圍內(圖3回路④)。

(5)稀釋黑液量必須和尾漿的排出量相匹配，故在控制上選擇稀釋黑液量與尾漿排量按比例控制(圖3間路⑤)。

1.2 壓力篩控制的難點

(1)比值控制繁多

廢紙制漿造紙壓力篩控制系統(tǒng)中，為了保證雜質去除率和降低纖維損失，壓力篩的進漿、出漿和稀釋水流量必須按照設備篩選效率和產量進行嚴格配比和精確控制。系統(tǒng)中大量采用了比值控制。因此只要有一個回路，尤其是前級回路出現(xiàn)波動或信號檢測誤差偏大，后續(xù)回路便會出現(xiàn)較大波動，甚至震蕩。所以系統(tǒng)能否正常運行的關鍵是這些回路能否正常工作。

(2)設備連鎖關系復雜

由于系統(tǒng)是封閉的，如果壓力篩出現(xiàn)漿料堵塞，那么設備或管道將會堵塞，這必將導致嚴重事故，所以系統(tǒng)必須具備很強的自動排堵和故障診斷功能這些是通過閥門、泵、電機及控制回路的連鎖來實現(xiàn)的。一旦出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，DCS會通過連鎖關系使相關設備做出相應的反應，避免發(fā)生嚴重事故。

正常停機后，漿料完全排除，整個系統(tǒng)充滿清水;另外，系統(tǒng)工作是帶壓的，啟動時，壓力篩進口壓力可達0.5 MPa。因此，系統(tǒng)的啟停順序要求嚴格，必須嚴格按照操作規(guī)程，進行設備的啟停。

(3)系統(tǒng)排渣閥門動作時序要求嚴格

系統(tǒng)正常運行時必須實現(xiàn)雜質的有效捕集和及時排空。否則，渣漿堆積成硬塊會堵塞排渣口，不但不能使渣漿沉降到渣捕集器中，反而會卷入到良漿中，造成設備(如篩籃)的磨損，導致嚴重事故。同時，排渣過程中，還要防止空氣進入封閉系統(tǒng)。所以控制系統(tǒng)對渣漿排放要求嚴格，具體表現(xiàn)在排渣閥門的動作時序上。

2 壓力篩的改進控制方案

改進壓力篩控制方案如圖5所示。與常規(guī)控制方案(見圖4)相比，改進控制方案是在原程序基礎上增加了低選環(huán)節(jié)和堵網預處理過程。如圖5所示，當進出口漿的差壓超過正常工作時的HLT(1～4 N/cm2)，但又低于完全堵網時的差壓HHLT，即壓力篩開始出現(xiàn)堵網的趨勢時，如果對其進行一定處理，完全可以扭轉這種趨勢，避免壓力篩堵網情況的出現(xiàn)。本方案就是基于這種理論設計的。其中，HLT為正常工作時的漿料壓力上限。

圖4 改進前的壓力篩控制圖

圖5 改進后的壓力篩控制圖

(1)比值控制

當壓力差低于正常工作的設定值HLT時，進、出口槳的壓差一般很小，通常在1～4 N/c㎡。在這種情況下，壓力篩進槳管道上的流量計與出漿管道上的閥門組成壓力篩進漿流量控制回路，尾漿流量一定的情況下，控制良漿出口管線上的閥門，也就相當于控制了進漿流量。因為正常情況下，壓力篩是不加沖洗水的，進漿=良漿+尾漿。正是利用了這種間接控制，省去了進漿管道上的閥門，節(jié)省了經濟開支，同時達到了很好的控制品質。尾漿管道上的流量計與閥門組成排渣流量控制回路，并與良漿成正比關系。正常情況下，壓力篩就在這種方式下工作。

(2)堵網預處理

考慮到工廠中高壓反沖洗水的難以實現(xiàn)，本方案將反沖洗水改為普通高壓水，做稀釋水之用。此處，將稀釋水加在壓力篩的進漿管道上，要求水壓比進漿的壓力高5 N/c㎡以上即可，大大降低了對反沖洗水壓力的要求。

當檢測到的壓力差大于HLT，但又同時小于堵網設定值HHLT時，DCS系統(tǒng)將作出如下的動作：在良漿管道閥門原有開度值的基礎上，以較大的遞減量關小此閥門，減小良漿產量;同時，以較大的遞增量開大尾槳出口管道上的閥門，提高排渣率，增加尾漿流量;打開稀釋水管道上的閥門，向壓力篩注水，降低漿濃。這樣，在較低的漿濃和較大的排渣率條件下，網孔的堵塞狀況會得到良好的改善，最終很快消除堵塞，進出口漿的壓差隨之降低，然后關閉沖水閥，使系統(tǒng)自動回到比值控制下。

一般情況下，壓力篩的異常堵網都會在這種情況下克服。其動作與堵網順控相比，幅度大大降低，而且漿泵始終處于開狀態(tài)，保證了系統(tǒng)連續(xù)平穩(wěn)運行，避免了停車事件的頻繁發(fā)生，大大改善了控制質量。

(3)堵網處理

壓力篩在正常工作情況下，設在進、出口管道上的差壓變送器檢測到的壓力差在一般情況下是很小的，其數(shù)值在1～4 N/c㎡之間;一旦壓力篩出現(xiàn)堵網，則進、出口差壓變送器槍測到的壓差會急劇攀升。此時若不作適當?shù)奶幚?，壓力篩的篩網將繼續(xù)堵塞，良漿產量驟降，影響正常的工業(yè)生產;同時，壓力篩和高濃除渣器以及管道內的壓力將不斷增加，可能損壞設備甚至產生嚴重的人身傷害。因此，一旦差壓變送器檢測到的壓力差達到某一設定值(如30 N/c㎡)，DCS將認為此時壓力篩已經處于堵網狀態(tài)，將及時做出處理，排除故障，保證正常的工業(yè)生產。其數(shù)學表達式如下所示：

式中，val1，val2，val3，val4分別代表壓力篩進漿管道的調節(jié)閥閥位、良漿出口管道上的調節(jié)閥閥位、尾漿管道上的調節(jié)閥閥位和反沖洗水閥的閥位;C1、 C2、C3、C4分別對應正常工況下的閥位值，范圍在0～100之間。其數(shù)值可根據(jù)壓力篩的排渣率等要求，由工藝人員進行設置。HLT為事先設定的堵網壓力值。P為壓力篩進漿口與良漿出口管道上的壓差檢測值。

堵網順控的控制思路如下：一旦進出漿管道上壓力差過大，超過設定值，即判斷為發(fā)生堵網，此時，DCS及時做出反應，停止進漿泵，保證壓力篩的漿壓不會繼續(xù)攀升，防止篩網堵塞狀況的加劇;關閉良漿管道上的閥門(此時良漿量已經很小)，防止大量的水進入良漿管道，降低后續(xù)漿池中儲存漿料的濃度;同時，防止堵網排除恢復正常生產之后，大量的渣漿進入良漿管道，影響紙漿的質量;將尾漿管道上的閥門全開，壓力篩內余存的漿料從尾漿管道排出，后續(xù)工段還可以對它進行再處理，防止纖維流失;打開高壓沖洗水閥(高壓沖洗水一般加在良漿出口處)，利用高壓反沖篩網，排除堵網。主要是為了防止?jié){流量發(fā)生劇烈變化時，例如紙漿中紙屑、塑料等雜質含量的突然增加導致的堵網，預處理環(huán)節(jié)一時處理不過來，從而使進出日漿壓差劇增導致堵網。

(4)排渣率控制

由排渣率公式(排渣率=粗漿量/進漿量)可知，只要對進漿流量和尾漿流量進行有效控制，就可以保證排渣率的穩(wěn)定。因此，在改進控制方案中分別設置了進漿流量控制單元和尾漿流量控制單元。壓力篩進漿管道上的流量計與出漿管道上的閥門組成壓力篩進漿流量控制回路(見圖6)。尾漿流量一定的情況下，控制良漿出口管線上的閥門，也就相當于控制了其進漿流量。因為正常情況下，進漿流量基木上是良漿流量與尾漿流量之和。尾漿管道上的流量計與閥門組成尾槳流量控制間路。

圖6 排渣率控制策略框圖

其中，Gc1(s)，Gc2(s)分別為壓力篩進漿流量控制器和尾漿流量控制器，一般選用工業(yè)控制中常用的PID控制器;Gp1(s)，Gp2(s)分別代表進漿流量數(shù)學模型和尾漿流量數(shù)學模型，其數(shù)學模型皆可用一階過程加純滯后來描述，即為壓力篩的排渣率。在此控制方案中，控制器參數(shù)根據(jù)經驗確定，因此不需知道準確的對象數(shù)學模型。壓力篩的排渣率就是此處的比值系數(shù)K，具體數(shù)值由工藝人員設置。對于壓力篩漿料進口流量、尾漿出口流量配比是以設定值為基準進行的，這樣有利于增強系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。

(5)重渣時序控制

壓力篩的重渣捕集器有4個閥：進渣閥(V1)，排渣閥(V2)，上沖水閥(V3)和下沖水閥(V4)，閥門連接關系見圖7。根據(jù)工藝要求，V1和V2在正常工作時，決不允許同時處于打開狀態(tài)，以免渣漿連續(xù)排空，造成纖維流失。V1重新開啟之前，應對渣捕集器注滿水，防止壓力篩內漿流快速進人重渣捕集器，使系統(tǒng)壓力產生波動。停機狀態(tài)下，由于控制排渣系統(tǒng)的4個閥門都處于斷電狀態(tài)，故它們均處于關的位置。

圖7 排渣器閥門連接示意圖

正常運行時，V1打開，其他閥關閉，處于裝渣狀態(tài)。裝渣設定時間(T1)到系統(tǒng)開始排渣。各閥門開閉順序為：V1關閉→V2、V3打開→V2關閉、V4打開→V3、V4關閉→V1打開→進入下一輪排渣循環(huán)。T1、T2和T3的設定取決于渣漿量、捕集器的排空速度及對捕集器注滿水的時間。排渣控制時序如表1所示。

表1 排渣控制時序

3 壓力篩控制算法實現(xiàn)

西門子S7-400控制站本身提供了3種形式的PID子程序，本系統(tǒng)采用其提供的位置式輸出PID函數(shù)功能塊FB41，利用該功能塊，只要正確設定FB41的接口參數(shù)，控制效果能達到令人滿意的程度;在比值控制時，使進漿和尾漿的流量設定值保持一定的比例，在預處理時，先轉化為手動狀態(tài)，使尾漿調節(jié)閥開度按5%遞增，而良漿閥按5%遞減，然后再轉化為自動，周而復始，直到滿足條件為止。如果堵網，則停止進漿，全開尾漿閥，全關良漿閥。對壓力篩的控制算法如圖8所示。

圖8 壓力篩控制算法

4 結 語

本方案的技術關鍵在于壓力篩在正常工況下，必須保證其適度的排渣率。在系統(tǒng)有發(fā)生堵網的趨勢時，及時發(fā)現(xiàn)這種趨勢，并使系統(tǒng)作出適當?shù)膭幼鳎瑥亩杆倥まD這種趨勢，使壓力篩回到正常的工作條件下;一旦壓力篩出現(xiàn)了堵網現(xiàn)象，能及時發(fā)現(xiàn)并消除，保證系統(tǒng)的正常運行。對于正常工況下的排渣率控制，擬將采用進漿流量控制和尾漿流量控制組成比值控制系統(tǒng)，通過設定進漿和尾漿流量的設定值，使這兩者都工作在設定值附近，從而保證適度的排渣率。對于發(fā)現(xiàn)并消除堵網趨勢，擬將采用堵網預處理環(huán)節(jié)：監(jiān)控壓力篩進漿與良漿之間的壓差，一旦發(fā)現(xiàn)壓差值偏離設定值達到一定的幅度，系統(tǒng)自動關小進漿流量，同時增大尾漿流量，并打開稀釋水閥，這樣篩體內的紙漿濃度適當下降，從而改善工況，使壓差值逐步恢復到正常值;在這個環(huán)節(jié)，閥門開度會隨壓差自動改變，步進量要通過實驗得出適合值。堵網環(huán)節(jié)的處理也采用監(jiān)控進漿與良漿之間的壓差，若其值大于設定的高限值，系統(tǒng)完全關閉進漿閥和良漿閥，并打開尾漿閥和稀釋水閥，使篩體內充滿清水，在旋翼的作用下，逐步消除堵網，使壓差恢復到正常值。壓力篩體內的漿濃也是影響壓力篩處理能力的重要因素，漿濃的穩(wěn)定有利于壓力篩保持一個穩(wěn)定的工作狀況。傳統(tǒng)的壓力篩堵網時，一般停機進行處理。這樣就會影響進漿的速度和數(shù)量，而現(xiàn)在的處理措施就是在壓力篩有堵網趨勢時就開始采取措施，從而使篩子在堵網不嚴重的情況下輕松地消除篩孔(縫)的堵塞物，從而保持了生產的連續(xù)性。進漿流量控制和尾漿流量控制組成比值控制系統(tǒng)，保證了排渣率的恒定，使壓力篩能從根本上在穩(wěn)定的下況下運行。

該壓力篩控制系統(tǒng)增加了堵網預處理環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性比原來有了大幅度提高，減少了為防堵而額外添加的機械設備，節(jié)約了資金，降低了安全隱患。此外，對制漿過程篩選工段的成功控制，除了能提高紙張質量之外，還有以下兒方面的經濟價值：①減少設備磨損，延長設備使用壽命。從高濃除渣器出來的紙漿中，夾雜著大量的砂石、鐵釘?shù)?，它們對洗漿機的洗網損傷很大，每節(jié)約一張網，便能減少直接經濟損失近2萬元;②節(jié)能降耗。實踐表明，對此工段實行自動調節(jié)，可以明顯地減少清水或白水的消耗，從而減輕漿料濃縮和堿回收工段的負擔;③對后續(xù)的漂白工段可減少氯氣的消耗量。氯氣是劇毒、強腐蝕性氣體，對操作工人的身體健康和紙漿漂白設備的使用壽命影響極大，減少氯氣的消耗對保護環(huán)境的意義也相當重大。因此，對篩選工段實施自動控制，具有較好的經濟效益和社會效益。