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加工纸生产过程中的涂布检测与控制技术 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2012-09-25 , 编辑

关键词：质量检测技术测试设计

摘要：阐述了加工纸涂布过程中涂布量和纸张张力的检测控制技术的研究现状。
关键词：涂布涂布量张力检测控制
    涂布加工是在原纸或纸板表面涂布一层或多层覆盖层，使之具有某种特殊性能的加工过程。对纸进行涂布加工具有各种不同的目的：可以改善原纸表面性质，提高其印刷适应性；可以提高原纸的强度；可以改善原纸的防潮、防油等防护性能；可以增强原纸的美观性；可以增强原纸的感光性。因此，涂布加工的范围相当广泛，涂布加工的设备也各有特点。涂布质量的高低，不但和造纸工艺水平密不可分，也和涂布过程中的检测、控制技术息息相关。其中，对涂布量和纸张张力的检测、控制是涂布过程控制中重要的方面。涂布量的控制，关系到涂料的均匀分布和涂料的节约使用；纸张张力的控制影响到涂布的效率和机器的使用。本文主要就加工纸涂布过程中，涂布量和纸张张力的检测和控制进行介绍。
1  涂布量的检测与控制
    对于涂布加工纸的生产来说，无论是机内涂布，还是机外涂布，都要求涂布均匀，快速。涂布量的测定，对于鉴定产品质量是极其重要的；对涂布量实施正确的控制可以使生产达到最佳状态。因此要选择较好的涂布量的测定及控制方式。
1．1  涂布量的确定
    所用的涂布量测量方法，可以分为离线测定法和在线测定法。离线测定法往往需要人工计算，间接测定，测定周期相对较长，从而影响测量的效率，不利于对涂布量的实时控制。光学在线测定法又可以分为间接在线测定法和直接在线测定法。
(1)涂布量的离线测定法
①灰分法在生产实践中，灰分法是一种较为准确的测定涂布量的方法。测定时可以同时测定原纸和成纸的灰分含量、水分含量和成纸的定量，通过计算得出涂布量的值。当然还需要知道涂料配方中颜料的种类和比例以及胶粘剂的用量等，因为颜料和胶粘剂在高温下可能会被烧掉或失去其结晶水。可通过下式进行计算：

式中：Bt——涂布量，g／m2；
Bc——成纸的定量，g／m2；
Ac——成纸的灰分含量，％；
Ay——原纸的灰分含量，％；
Mc——成纸的水分含量，％；
My——原纸的水分含量，%；
h——涂布量换算系数。
h=hythpf
式中： hy——颜料的换算系数。碳酸钙为1．786，高岭土为1．16。
hpf——涂料配方换算系数。其数值等于配方中总固形物份数除以颜料份数。
    在取样时应当注意，原纸和成纸应尽量同时从纸机上采取。一般来讲，在同一时间，纸机上原纸中的灰分是基本稳定的，误差较小。
②机上横幅定量法在实际生产过程中，一般都需要快速地测定出涂布量的值，以便及时对涂布量进行调整。机上横幅定量法是一个简单快速的近似测定方法，测定时可以利用断纸或引纸时同时分别在纸机上取得整幅的原纸和成纸，并在整幅上根据测定的多个点的定量之差来确定其涂布量。为了尽量减少误差，首先，取原纸和成纸纸样的时间间隔要尽可能的短；其次，也要注意两者的水分应当接近。在裁取定量试样时，最好将原纸和成纸两幅纸样对折，在横幅的相同位置上裁取试样，一般在横幅上所裁取的试样应不少于5个。
③湿涂层膜重量法对一般的接触式涂布头而言，在开始涂布之前都可以通过测定背辊上湿涂层膜的重量来确定涂布量，或者说根据涂布量来确定涂布时所需的计量压力，如刮刀的压力。测定时需要一个已知宽度的刮板，从背辊上将计量后的颜料收集起来，通过测定一定时间内所收集的湿涂料重量来计算出涂布量的大小。一般来说，涂布量并不等于所收集的涂料的重量，而是有一个设备系数，这个系数是由设备厂家提供的。例如，对于预计量转移辊式涂布而言，转移辊上的涂料只有一部分转移到纸面上，这个系数就是转移率。
(2)涂布量的在线测定法
    光学在线测定法根据测定原理的不同，可以分为间接在线测定法和直接在线测定法。
①间接在线测定法这种方法是目前涂布机上最常用的方法，基本原理是根据涂布前后的原纸和成纸对某一波长光线的吸收、反射能力不同来确定原纸和成纸定量水分等参数，并通过计算成纸和原纸的定量之差，以及参考水分、灰分的变化来确定涂布量。它利用一个数据处理的软件包，将所测定的光信号变化转变成涂布量的变化。
②直接在线测定法这种方法采用红外线传感器直接测定，工作原理是根据涂料成分有选择地吸收某些红外线波长，当把传感器放在涂布机前和涂布机后的扫描器上时，传感器可以测出测试涂料中的成分比，就可以确定涂布量。当前已经应用了具有对白土、胶乳、水分、纤维等各自特有的检测红外线波长带段的传感器，用于测定纸的涂布量。这些应用红外线技术的传感器，通常都是单面测定。作为这种传感器的光源，是来源于高温物体的黑体辐射，不同的被测定物具有自己特有的吸收波长带，而检测出的是具有选择性的那个狭窄的波长带。红外线传感器的测定的精度主要受传感器的性能和过程参数的影响，影响涂布量测定的过程参数主要有白土含量、涂料配比控制、涂布干燥和原纸的组成等。
1．2  涂布量的控制
    在涂布过程中，对涂布量的纸运行纵向和纸幅横向进行控制，以减少涂布量的偏差，对实现优化涂布机操作和涂料使用，提高产品质量和降低成本具有重要的意义。
    在控制方面，涂布量纸张运行方向的控制并不困难，且已相当普及。通过对涂料粘度调节或是利用涂料流量变送器改变涂料流量大小，可以实现对纵向涂布量的粗调。若要实现对涂布量较小的调节，可以通过改变涂布头的压力、角度等物理机械参数而实现。
    横向控制由于不确定因素多，输入输出维数高，以及执行机构等硬件条件的限制，一直没能取得满意结果。
2  涂布机张力检测与控制技术
    随着加工纸生产技术的发展和涂布加工纸设备的更新，在涂布生产过程中对运行在各生产设备间的纸张张力进行检测及控制是提高产品质量和产量的一项重要技术措施。所以，在对涂布机的机电性能的控制中，关键是对涂布机系统的张力进行控制，因为张力的大小，直接影响到产品的质量和数量：张力太大，会破坏涂布纸张的物理特性，影响纸张的使用寿命和产品的质量；张力太小，收卷过松，走纸不平稳，又要影响后续工序的产品质量。
    涂布机的整个张力控制系统由四部分组成，即检测部分，控制部分，驱动部分和执行机构。检测部分由张力传感器和张力放大电路等组成；控制部分由相互独立的微机处理单元组成；驱动部分由交流变频器和稳流电源组成；执行机构则由交流电动机和磁粉制动器组成。
2．1  张力检测
    在涂布机张力控制过程中，首先需要进行张力检测，从而将检测值和系统设定的张力值加以比较，确定控制方案。张力检测方法也可分为间接测定法和直接测定法两种。间接测定张力方法，是通过测量卷取装置的转矩来检测张力。从卷取装置电动机轴上的转矩公式来看：

式中：Mp——电动机轴上的转矩，N·m；
Mr——建立张力所必需的有效转矩，N·m；
Mo——空载损耗转矩，N·m；
Ma——加减速时所需的动态转矩和随卷径变化引起角速度变化的动态转矩，N·m；
Md——克服纸张弯曲变形的转矩，N·m；
在恒速卷取(M=0)，并忽略Mo和Mp的情况下，有效转矩Mr与张力T有如下的关系即：

式中：Km——电动机结构常数；
i——传动减速比；
Ie——电动机电枢电流，A；
D——纸卷直径，m；
T——纸张张力，N；
Ф——电动机激磁磁通，Wb。
    张力的直接测定法也主要有两种，第—种方法通常利用纸张自身重量下垂的作用，在张力变化时产生空间位置的变化，将测定纸张位置对给定位置的偏差转换为电信号。第二种方法是测量卷绕拉紧纸张的张力检测辊和轴承座所承受的压力。借助压磁传感器，将压力转变为电信号。本文中，以二只ABB公司生产的AGPT103-A型测力计和一个引纸导辊组成的张力传感器为例，介绍后一种测定张力的方法。
(1)张力测量原理  当纸张包着穿过导辊时，纸的张力T将产生两个分力。一个是沿传感器测量方面的力FR，一个是与测量方向垂直的分力FV。测量力的大小部分地取决于纸的张力T，也部分取决于纸张于导辊的包角度。以下列出传感器水平安装和垂直安装的方程定义：
①水平安装方法：

②垂直安装方法：

式中：T——纸的张力，N；
FR——测量分力，N；
FV——与团星方向垂直的分力，N；
FT——导辊和轴的重量(皮重)，N；
α和β——幅转角(包角)。
(2)传感器结构及工作原理APTl03型测力计的结构如图3所示：是由两块铁板和四片弹性钢片联接组成的。四片弹性钢片用来吸收垂直方向的分力，磁性测量元件安装在中间二片钢片的当中，使测力计只对测量方向上的机械应力敏感。在测量过程中，磁弹性元件由于受机械应力的变化，将产生磁性材料的导磁性能变化。该元件是用一种经过特殊技术处理过的多片金属薄片组成。在元件上绕有两个交叉而互成垂直角度的两个线圈，工作时在初级线圈中接通330Hz交流电，在没有外界机械应力时，因为两个线圈相互垂直，故不会出现磁耦现象，即在次级线圈上不会产生感应电压。当磁性元件在测量方向上受到机械应力时即出现磁耦现象。在次级线圈上产生与机械力成正比的感应交流电压信号，通过信号处理，输出一个与机械力大小成正比的张力信号。

2．2  张力控制
(1)控制系统电气实现在涂布生产过程中，橡胶辊和涂布辊由压缩空气紧压，故整条生产线上的纸张张力被分割成两段，涂布前段和涂布后段。因而要设计两个张力控制环来控制整条线的生产张力，第一个张力控制环是由张力传感器、张力放大器、微机处理单元、稳流电源和磁粉制动器组成。当该段张力太小时，经微机处理单元与系统设定的张力值相比较后，自动增大稳流电源的给定端电压，使稳流电源的输出电流增大，因而加大了磁粉制动器上的制动力矩。在牵引电机和涂布电机的牵引下，就使该段的纸张张力增大。反之，当张力太大时，经该张力控制环调节后，张力就会下降。另一个张力控制环由张力传感器、张力放大器、微机处理单元、交流变频器和收卷电动机组成。当该段的工作张力太小时，经微机处理单元处理后，就会增大输送给交流变频器的电压，相应变频器的输出频率就会增大，电动机的转速也随着提高。因而纸张就被拉紧，工作张力上升；反之亦然。通过这两个张力控制环之后，就可以任意控制两端的工作张力了。但在涂布生产过程中，要求这两个张力是一致的，为此，我们选用一个张力给定旋钮，通过微机处理单元之间的通讯，把给定值提供给两个控制环路；同样，两个控制环中实测的张力值，也通过通讯的方式，反馈给上位机(主机)，并由显示通道进行实时显示。
(2)控制系统的算法设计在张力控制系统的每个闭环都采用增量式PID控制算法进行调节。但在算法设计中，由于张力控制与速度控制之间存在着严重的耦合关系，生产速度的增加或减少会马上影响到当前时刻的张力测量值。速度变化时，会出现因张力失控或张力变化过大而使纸张变形、断裂等现象。考虑到这种情况，涂布机张力控制系统的控制算法如下：
①当速度的给定值保持不变时，按带有防积分截断误差的增量式PID控制算法控制各自的张力和速度。
②当速度的给定值改变，且变化量△V≤△Vmax时，则相应地在张力控制的输出U上，增加一个提前量K△V，即：

式中Ut为当前的输出量，Ut—1为上一次的输出量，△U为PID求得的增量，K为比例系数，△V为速度给定值的变化量，△Vmax为允许最大的速度变化量。
③当速度的给定值变化很大时，由微机分步输出，设△V<M△Vmax (M为正整数)。取△V’=△V／M<△Vmax，则需M步才能把速度从V升到V／△V，故速度的给定值每步增加△V’，其张力的输出量为：

3 结语
在加工纸的涂布过程中，涂布量和纸张张力的检测存在着各种检测方法。每一种方法都有其优点，也有其局限性。在理论研究和实际生产中，可以将这些方法综合使用，已获得最好的检测效果。在对涂布量和纸张张力准确测定的基础上，可以设计、研制出先进的控制机构和控制算法，从而不断的提高涂布过程中的控制水平，提高产品质量和生产效率。