高定量紙板定量及厚度在線精確測量技術(shù)研究.pdf

1、造紙工業(yè)由于受到新媒體沖擊和國家宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控影響，造紙企業(yè)正面臨需求下降和生產(chǎn)成本增加的雙重壓力。因此在造紙生產(chǎn)過程中，依靠技術(shù)進(jìn)步，降低單位產(chǎn)品投入，提高投入產(chǎn)出率，是眾多造紙企業(yè)的迫切需求。
　　在高定量紙板生產(chǎn)過程中，對于150g/m2-1500g/m2大范圍高定量的紙板，目前國內(nèi)沒有成熟定量傳感器對其進(jìn)行測量，對于300μm-1500μm紙板的厚度測量技術(shù)鮮有報道，因此亟需對高定量紙板定量及厚度精確測量進(jìn)行研究。高定量紙板

2、定量及厚度精確測量涉及量程自動識別、掃描架機(jī)械間隙補(bǔ)償和斷紙預(yù)警等問題，需要將多個傳感器測量數(shù)據(jù)或單個傳感器多次輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以充分發(fā)揮多傳感器或多數(shù)據(jù)協(xié)同作用，在提高某些參數(shù)測量精度及或?qū)δ承┠繕?biāo)預(yù)警具有獨特優(yōu)勢。造紙工業(yè)的DCS和QCS具備數(shù)據(jù)融合技術(shù)的硬件基礎(chǔ)，研究造紙工業(yè)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以充分發(fā)揮造紙工業(yè)DCS、QCS系統(tǒng)中多傳感器數(shù)據(jù)的作用，擴(kuò)展DCS、QCS的功能，提高DCS、QCS的應(yīng)用價值。<

3、br>　　本文針對“陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目——節(jié)能環(huán)保型中高速板紙機(jī)抄紙質(zhì)量綜合監(jiān)控系統(tǒng)（2012KTCQ01-19）”中的高定量紙板定量和厚度精確測量技術(shù)以及相關(guān)的掃描架頭箱精確定位和斷紙預(yù)警技術(shù)進(jìn)行研究，研究內(nèi)容是該項目的重要子課題。本文的主要成果可總結(jié)為如下幾個方面：
　?。?）工業(yè)數(shù)據(jù)融合模型和數(shù)據(jù)融合算法研究
　　對國內(nèi)外數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行了研究后，將過程工業(yè)數(shù)據(jù)融合模型和融合算法作為重點進(jìn)行了研究。針對工業(yè)

4、數(shù)據(jù)融合提出了一種改進(jìn)型 Dasarathy融合模型，在Dasarathy融合模型的基礎(chǔ)上引入優(yōu)化器和優(yōu)化規(guī)則，將融合決策經(jīng)過優(yōu)化器產(chǎn)生優(yōu)化規(guī)則后，反饋至數(shù)據(jù)融合過程對其優(yōu)化。
　　通過分析造紙工業(yè)數(shù)據(jù)融合需求，結(jié)合造紙工業(yè)DCS/FCS結(jié)構(gòu)，在改進(jìn)型Dasarathy融合模型的基礎(chǔ)上，提出了一種根據(jù)數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生位置分級的數(shù)據(jù)融合模型，并探討了如何將數(shù)據(jù)融合結(jié)果指導(dǎo)回路控制。
　　為了探尋適合工業(yè)現(xiàn)場級和操作級的數(shù)據(jù)融合算法

5、，研究了一般濾波算法、卡爾曼算法、Gram多項式算法和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法，提出了一種基于數(shù)據(jù)密度的數(shù)據(jù)融合和特征提取算法。
　?。?）高定量紙板定量精確測量技術(shù)研究
　　目前國內(nèi)外定量傳感器對紙板的測量精度為±1.0％，造紙企業(yè)則期望能夠達(dá)到±0.5%。但對于150g/m2-1500g/m2大范圍高定量的紙板，國內(nèi)沒有成熟定量傳感器對其進(jìn)行測量，因此需要對高克重紙板定量精確測量技術(shù)進(jìn)行研究。通過采用進(jìn)口電離室、高精度放大器、Z

6、軸補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償和量程劃分等一系列措施，在150g/m2-1500g/m2定量范圍內(nèi)測量相對誤差為±0.5%，對高定量紙板定量測量取得了良好的靈敏度和精度，其性能指標(biāo)到達(dá)進(jìn)口QCS系統(tǒng)定量傳感器同等水平。
　　為實現(xiàn)傳感器量程自動切換，根據(jù)劃分量程范圍，硬件上采取了射線能量調(diào)制和多段在線可調(diào)定量信號放大電路。提出了一種基于多傳感器的定量觀測模型，基于本文設(shè)計的數(shù)據(jù)融合模型提出了一種量程自動識別和切換融合框架，采用模糊理論進(jìn)行量程識

7、別決策?，F(xiàn)場測試證明定量觀測模型具有較高的可信度，仿真證明量程自動識別準(zhǔn)確。
　　橫向定量、水分以及厚度等參數(shù)控制中，橫向檢測點與橫向控制點之間精確對應(yīng)是橫向控制的關(guān)鍵，針對這一問題給出了一種以西門子 PLC和編碼器為核心的解決方案，定位精度誤差在±0.5mm范圍內(nèi)，可以充分滿足橫向控制的需求。
　　（3）高定量紙板厚度精確測量技術(shù)研究
　　目前越來越多的造紙企業(yè)注重紙張厚度的檢測，以提高其紙張質(zhì)量。對300μm以下的

8、紙張厚度檢測技術(shù)國內(nèi)已經(jīng)完全成熟，但對于可以測量300μm-1500μm高定量紙板厚度精確測量技術(shù)鮮有報道。本文結(jié)合研究課題采用激光位移傳感器和電渦流傳感器對300μm-1500μm紙板厚度測量展開研究。在分析了影響厚度測量精度的因素后給出了相應(yīng)補(bǔ)償措施；通過對傳感器靜態(tài)試驗分析，得到了紙張種類和顏色干擾測量精度的解決方法；通過動態(tài)試驗分析掃描架機(jī)械因素對厚度測量的影響，確定了設(shè)計的3種測量方案中的最優(yōu)方案；采取掃描架空態(tài)間隙補(bǔ)償，初步

9、將掃描架機(jī)械因素干擾所導(dǎo)致的誤差縮小至±40μm。
　　為進(jìn)一步減小誤差，采用本文提出的基于數(shù)據(jù)密度的數(shù)據(jù)融合算法，對多次掃描架空態(tài)間隙數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到掃描架機(jī)械間隙融合曲線，與求取平均值方法對比，本文提出的數(shù)據(jù)融合算法所得曲線更為集中在數(shù)據(jù)密集中心點。之后采用融合后的掃描架間隙曲線進(jìn)行差值補(bǔ)償，驗證了本文所提出的算法補(bǔ)償曲線振幅峰值更小，可以將誤差縮小至±20μm，與平均方法相比標(biāo)準(zhǔn)差減小了12.8%。
　　為了能達(dá)

10、到企業(yè)紙板測量精度需求，對掃描架單次橫向測量曲線進(jìn)行了去噪研究。針對單次掃描橫向曲線采取改進(jìn)EMD算法進(jìn)行分析其包含的頻率分量，之后采用7種算法進(jìn)行去噪研究，綜合對比去噪后的單次橫幅曲線、差值補(bǔ)償曲線和標(biāo)準(zhǔn)差，優(yōu)選出差值補(bǔ)償后誤差在±5μm范圍內(nèi)的卡爾曼濾波和滑動濾波作為厚度測量去噪算法。經(jīng)過實際測量驗證了在掃描架整個橫幅范圍內(nèi)，誤差在±40μm范圍內(nèi)，在300μm-1500μm范圍測量相對誤差為±4%，達(dá)到了企業(yè)紙板厚度測量精度需求。

11、
　　最后，給出了基于激光位移傳感器的半接觸式紙板厚度測量方法和流程。
　?。?）斷紙預(yù)警技術(shù)研究
　　在抄紙生產(chǎn)過程中由于斷紙造成的非計劃停機(jī)，不僅降低了生產(chǎn)效率，而且造成能源的浪費(fèi)和直接的經(jīng)濟(jì)損失，同時對斷紙如果能夠及時預(yù)警可以保護(hù)QCS設(shè)備和傳感器。通過分析國內(nèi)外斷紙預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀，研究了制漿、備漿流送、傳動、干燥和QCS各子系統(tǒng)主要功能及其影響斷紙的因素后，提出了一種基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的斷紙預(yù)警閾值可以自動優(yōu)化

12、的斷紙預(yù)警方法。采用本文提出的數(shù)據(jù)融合模型設(shè)計了斷紙預(yù)警數(shù)據(jù)融合框架，對現(xiàn)場級0級融合和1級融合、操作級2級融合過程和方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，給出了根據(jù)斷紙檢測信號和融合決策進(jìn)行斷紙預(yù)警閾值系數(shù)優(yōu)化的優(yōu)化規(guī)則，并將0-2級融合簡化為二進(jìn)制運(yùn)算，減少了斷紙預(yù)警過程中的計算量。通過構(gòu)建實驗?zāi)M系統(tǒng)驗證了本文所提出的斷紙預(yù)警方法有效、閾值可以自動優(yōu)化調(diào)整。
　　研究結(jié)果表明，通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提高了QCS系統(tǒng)的智能性和高定量紙板定量及厚