一、系统核心目标

1. 质量稳定：精准控制成品纸的定量（单位面积重量）、水分、厚度、白度、强度等关键指标，减少波动；
2. 效率提升：实现各环节设备联动同步，减少断纸、停机等异常，提升生产线运行率（通常目标≥95%）；
3. 成本优化：通过能耗（蒸汽、电力、水资源）精准控制及原料（纸浆、化学品）定量投放，降低单位产品消耗；
4. 安全保障：实时监测设备工况（温度、压力、转速）及生产风险（断纸、超压），触发紧急保护动作，避免事故。

二、造纸线生产流程与对应控制模块

1. 原料制备环节控制

• 控制对象：木片 / 废纸等原料的输送、蒸煮（化学制浆）或碎解（废纸制浆）；
• 核心控制参数：
  • 原料输送：木片仓料位（避免空仓 / 满仓，通过料位传感器 + 皮带输送机变频调节）；
  • 蒸煮 / 碎解：蒸煮锅温度（150-180℃，通过蒸汽调节阀控制）、压力（0.5-1.2MPa）、保温时间（影响成浆纤维质量），废纸碎解浓度（3%-5%，通过加水阀调节）；
• 控制目标：保证原料均匀供应，成浆纤维长度、纯度达标。

2. 制浆环节控制

• 控制对象：打浆（磨浆）、净化、筛选、漂白（按需）；
• 核心控制参数：
  • 打浆度（叩解度）：衡量纤维细化程度（如文化纸需 30-45°SR），通过磨浆机间隙 / 转速变频调节；
  • 浆浓度：筛选前需 1.0%-1.5%，通过浓度传感器 + 稀释水阀闭环控制；
  • 漂白剂添加量：根据白度需求（如白卡纸≥85% ISO），通过流量传感器 + 计量泵精准投放；
• 控制目标：浆纤维性能、纯度、白度匹配成品纸需求。

3. 抄纸环节控制（核心环节）

• 网部控制：
  • 核心参数：上浆量（决定定量）、脱水速度（避免湿纸幅断裂）；
  • 控制逻辑：在线定量仪实时检测湿纸幅定量，反馈至控制系统，通过上浆泵变频调节流量；同时通过真空脱水辊负压调节（真空度 - 0.04~-0.06MPa）控制脱水速度；
• 压榨部控制：
  • 核心参数：压榨压力（如 150-300kN/m）、压榨辊转速（与网部同步）；
  • 控制逻辑：通过液压系统调节压榨压力，提高湿纸幅干度（从网部 15%-20% 提升至 35%-45%），减少后续干燥能耗；同时通过编码器实现压榨辊与网部速度同步（误差≤0.1%），避免纸幅拉伸。

4. 干燥环节控制

• 控制对象：多段烘缸（通常 10-30 个）、热风系统；
• 核心控制参数：
  • 烘缸温度梯度：从入口 50-70℃逐步升至 100-120℃（避免纸张起皱 / 开裂），通过蒸汽调节阀分段控制；
  • 纸幅张力：干燥过程中需保持稳定张力（如 20-50N/m），通过张力传感器 + 烘缸转速微调闭环控制；
  • 出口水分：成品纸水分需 6%-8%（文化纸），通过红外水分仪检测，反馈调节末段烘缸温度或干燥部速度；
• 控制目标：纸幅均匀干燥，水分达标且无变形。

5. 卷取与后加工控制

• 卷取部：
  • 核心参数：卷取速度（与干燥部同步）、卷纸松紧度（避免内松外紧）；
  • 控制逻辑：通过速度编码器实现同步控制，通过卷取辊压力传感器调节松紧度，保证卷纸平整（端面跳动≤1mm）；
• 后加工（如分切）：
  • 核心参数：分切宽度（如 A4 纸 210mm）、分切速度；
  • 控制逻辑：通过伺服电机精准控制分切刀位置，变频调节分切速度，与卷取速度匹配。

三、控制系统核心组成

1. 硬件层：控制核心与网络

2. 检测执行层：感知与动作

• 检测端（传感器 / 仪表）：
  • 工艺参数检测：浓度传感器（浆浓度）、流量传感器（上浆 / 蒸汽）、温度传感器（烘缸）、压力传感器（压榨 / 蒸汽）；
  • 质量检测：在线定量仪（β 射线 / 红外）、水分仪（红外）、厚度仪（激光）、白度仪（光谱）；
  • 设备状态检测：编码器（转速 / 位置）、张力传感器（纸幅张力）、振动传感器（磨浆机 / 烘缸）；
• 执行端（执行器）：
  • 流量 / 压力调节：电动调节阀（蒸汽 / 水）、气动调节阀（浆流量）；
  • 速度 / 转速控制：变频器（上浆泵、风机、辊子）；
  • 压力 / 位置控制：液压系统（压榨压力）、伺服电机（分切刀）。

3. 软件层：监控与优化

• SCADA 系统（监控层）：
  • 功能：实时显示工艺流程画面、关键参数曲线（如定量 / 水分趋势）、设备运行状态（运行 / 故障）、报警信息（超温 / 断纸）；支持操作员通过 HMI（人机界面）手动调节参数或启停设备；
  • 典型软件：WinCC、Intouch、iFix；
• 先进控制算法（控制层）：
  • 基础控制：PID 控制（稳定单一参数，如浆浓度）；
  • 复杂控制：模型预测控制（MPC，用于多变量耦合系统，如干燥部温度 - 张力协同）；
  • 智能优化：机器学习算法（如基于历史数据预测断纸风险、优化漂白剂添加量）；
• MES 系统（管理层）：
  • 功能：与控制系统集成，实现生产计划下达、质量数据追溯（每卷纸的定量 / 水分记录）、能耗统计（单位产品电 / 蒸汽消耗）、设备维护计划管理；
  • 价值：打通 “控制 - 管理” 数据链，支撑工厂数字化运营。

四、关键控制功能与价值

1. 质量闭环控制（核心价值）

1. 在线定量仪检测纸幅定量（如目标 70g/㎡，实测 72g/㎡）；
2. 检测数据传输至 DCS/PLC；
3. 控制算法计算偏差（+2g/㎡），输出调节指令；
4. 变频器降低上浆泵转速，减少上浆量；
5. 再次检测定量，直至回归目标值（误差≤±1g/㎡）；

• 价值：成品纸定量波动从 ±5% 降至 ±1%，满足高端纸（如铜版纸）质量要求。

2. 设备联动与同步控制

• 控制逻辑：通过编码器采集各环节辊子转速，DCS 统一协调变频器，保证各环节速度差≤0.1%；
• 价值：断纸次数从每日 5-8 次降至 1-2 次，生产线运行率提升 5%-10%。

3. 能耗优化控制

• 蒸汽优化：根据干燥出口水分需求，动态调节烘缸蒸汽压力（而非全程满负荷），减少蒸汽浪费；
• 电力优化：根据生产负荷（如纸幅宽度、速度），变频调节风机、水泵转速（如风机负荷从 100% 降至 70%，耗电减少 50%）；
• 价值：单位产品能耗降低 8%-15%，年节约成本数百万元（按万吨纸产能计算）。

4. 安全与故障保护

• 紧急停机：当检测到烘缸超温（＞130℃）、压榨超压（＞350kN/m）或断纸时，系统立即触发急停，切断蒸汽 / 电源，避免设备损坏或火灾；
• 故障预警：振动传感器监测磨浆机轴承振动（正常≤0.1mm/s，预警≥0.2mm/s），提前提醒维护，避免轴承卡死导致停机（单次停机损失＞10 万元）；
• 价值：重大设备事故发生率降低 90%，非计划停机时间减少 60%。

五、发展趋势：智能化与数字化

1. 数字孪生：建立造纸线虚拟模型，实时映射实际生产状态，可模拟 “调整压榨压力对干度的影响”，提前优化参数，减少试错成本；
2. AI 全流程优化：基于海量生产数据（3-5 年）训练 AI 模型，实现 “原料 - 工艺 - 质量” 端到端优化（如根据木片湿度自动调整蒸煮时间）；
3. 边缘计算：将部分控制算法（如振动分析、断纸预测）部署在边缘节点（如磨浆机本地工控机），减少数据传输延迟（从 100ms 降至 10ms），提升实时性；
4. 绿色控制：通过精准控制减少水资源消耗（如抄纸网部冲洗水回收利用率从 60% 提升至 90%）、降低废水 COD 排放（通过化学品定量投放），符合环保要求。

总结