高定量紙板定量及厚度在線精確測量技術研究.pdf

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

2、定量及厚度精確測量涉及量程自動識別、掃描架機械間隙補償和斷紙預警等問題，需要將多個傳感器測量數據或單個傳感器多次輸出數據進行綜合分析處理。數據融合技術可以充分發(fā)揮多傳感器或多數據協同作用，在提高某些參數測量精度及或對某些目標預警具有獨特優(yōu)勢。造紙工業(yè)的DCS和QCS具備數據融合技術的硬件基礎，研究造紙工業(yè)的數據融合技術，可以充分發(fā)揮造紙工業(yè)DCS、QCS系統(tǒng)中多傳感器數據的作用，擴展DCS、QCS的功能，提高DCS、QCS的應用價值。<

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)保型中高速板紙機抄紙質量綜合監(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以及相關的掃描架頭箱精確定位和斷紙預警技術進行研究，研究內容是該項目的重要子課題。本文的主要成果可總結為如下幾個方面：
　　（1）工業(yè)數據融合模型和數據融合算法研究
　　對國內外數據融合技術進行了研究后，將過程工業(yè)數據融合模型和融合算法作為重點進行了研究。針對工業(yè)

4、數據融合提出了一種改進型 Dasarathy融合模型，在Dasarathy融合模型的基礎上引入優(yōu)化器和優(yōu)化規(guī)則，將融合決策經過優(yōu)化器產生優(yōu)化規(guī)則后，反饋至數據融合過程對其優(yōu)化。
　　通過分析造紙工業(yè)數據融合需求，結合造紙工業(yè)DCS/FCS結構，在改進型Dasarathy融合模型的基礎上，提出了一種根據數據融合產生位置分級的數據融合模型，并探討了如何將數據融合結果指導回路控制。
　　為了探尋適合工業(yè)現場級和操作級的數據融合算法

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

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

7、別決策?，F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確。
　　橫向定量、水分以及厚度等參數控制中，橫向檢測點與橫向控制點之間精確對應是橫向控制的關鍵，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，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，以提高其紙張質量。對300μm以下的

8、紙張厚度檢測技術國內已經完全成熟，但對于可以測量300μm-1500μm高定量紙板厚度精確測量技術鮮有報道。本文結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補償措施；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)試驗分析掃描架機械因素對厚度測量的影響，確定了設計的3種測量方案中的最優(yōu)方案；采取掃描架空態(tài)間隙補償，初步

9、將掃描架機械因素干擾所導致的誤差縮小至±40μm。
　　為進一步減小誤差，采用本文提出的基于數據密度的數據融合算法，對多次掃描架空態(tài)間隙數據進行數據融合，得到掃描架機械間隙融合曲線，與求取平均值方法對比，本文提出的數據融合算法所得曲線更為集中在數據密集中心點。之后采用融合后的掃描架間隙曲線進行差值補償，驗證了本文所提出的算法補償曲線振幅峰值更小，可以將誤差縮小至±20μm，與平均方法相比標準差減小了12.8%。
　　為了能達

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行了去噪研究。針對單次掃描橫向曲線采取改進EMD算法進行分析其包含的頻率分量，之后采用7種算法進行去噪研究，綜合對比去噪后的單次橫幅曲線、差值補償曲線和標準差，優(yōu)選出差值補償后誤差在±5μm范圍內的卡爾曼濾波和滑動濾波作為厚度測量去噪算法。經過實際測量驗證了在掃描架整個橫幅范圍內，誤差在±40μm范圍內，在300μm-1500μm范圍測量相對誤差為±4%，達到了企業(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。
　　（4）斷紙預警技術研究
　　在抄紙生產過程中由于斷紙造成的非計劃停機，不僅降低了生產效率，而且造成能源的浪費和直接的經濟損失，同時對斷紙如果能夠及時預警可以保護QCS設備和傳感器。通過分析國內外斷紙預警技術研究現狀，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，提出了一種基于數據融合技術的斷紙預警閾值可以自動優(yōu)化

12、的斷紙預警方法。采用本文提出的數據融合模型設計了斷紙預警數據融合框架，對現場級0級融合和1級融合、操作級2級融合過程和方法進行了詳細描述，給出了根據斷紙檢測信號和融合決策進行斷紙預警閾值系數優(yōu)化的優(yōu)化規(guī)則，并將0-2級融合簡化為二進制運算，減少了斷紙預警過程中的計算量。通過構建實驗模擬系統(tǒng)驗證了本文所提出的斷紙預警方法有效、閾值可以自動優(yōu)化調整。
　　研究結果表明，通過采用數據融合技術，提高了QCS系統(tǒng)的智能性和高定量紙板定量及厚