高定量纸板定量及厚度在线精确测量技术研究

摘要

造纸工业由于受到新媒体冲击和国家宏观经济调控影响，造纸企业正面临需求下降和生产成本增加的双重压力。因此在造纸生产过程中，依靠技术进步，降低单位产品投入，提高投入产出率，是众多造纸企业的迫切需求。
　　在高定量纸板生产过程中，对于150g/m2-1500g/m2大范围高定量的纸板，目前国内没有成熟定量传感器对其进行测量，对于300μm-1500μm纸板的厚度测量技术鲜有报道，因此亟需对高定量纸板定量及厚度精确测量进行研究。高定量纸板定量及厚度精确测量涉及量程自动识别、扫描架机械间隙补偿和断纸预警等问题，需要将多个传感器测量数据或单个传感器多次输出数据进行综合分析处理。数据融合技术可以充分发挥多传感器或多数据协同作用，在提高某些参数测量精度及或对某些目标预警具有独特优势。造纸工业的DCS和QCS具备数据融合技术的硬件基础，研究造纸工业的数据融合技术，可以充分发挥造纸工业DCS、QCS系统中多传感器数据的作用，扩展DCS、QCS的功能，提高DCS、QCS的应用价值。
　　本文针对“陕西省科技统筹创新工程计划项目——节能环保型中高速板纸机抄纸质量综合监控系统（2012KTCQ01-19）”中的高定量纸板定量和厚度精确测量技术以及相关的扫描架头箱精确定位和断纸预警技术进行研究，研究内容是该项目的重要子课题。本文的主要成果可总结为如下几个方面：
　　（1）工业数据融合模型和数据融合算法研究
　　对国内外数据融合技术进行了研究后，将过程工业数据融合模型和融合算法作为重点进行了研究。针对工业数据融合提出了一种改进型 Dasarathy融合模型，在Dasarathy融合模型的基础上引入优化器和优化规则，将融合决策经过优化器产生优化规则后，反馈至数据融合过程对其优化。
　　通过分析造纸工业数据融合需求，结合造纸工业DCS/FCS结构，在改进型Dasarathy融合模型的基础上，提出了一种根据数据融合产生位置分级的数据融合模型，并探讨了如何将数据融合结果指导回路控制。
　　为了探寻适合工业现场级和操作级的数据融合算法，研究了一般滤波算法、卡尔曼算法、Gram多项式算法和经验模态分解算法，提出了一种基于数据密度的数据融合和特征提取算法。
　　（2）高定量纸板定量精确测量技术研究
　　目前国内外定量传感器对纸板的测量精度为±1.0％，造纸企业则期望能够达到±0.5%。但对于150g/m2-1500g/m2大范围高定量的纸板，国内没有成熟定量传感器对其进行测量，因此需要对高克重纸板定量精确测量技术进行研究。通过采用进口电离室、高精度放大器、Z轴补偿、温度补偿和量程划分等一系列措施，在150g/m2-1500g/m2定量范围内测量相对误差为±0.5%，对高定量纸板定量测量取得了良好的灵敏度和精度，其性能指标到达进口QCS系统定量传感器同等水平。
　　为实现传感器量程自动切换，根据划分量程范围，硬件上采取了射线能量调制和多段在线可调定量信号放大电路。提出了一种基于多传感器的定量观测模型，基于本文设计的数据融合模型提出了一种量程自动识别和切换融合框架，采用模糊理论进行量程识别决策。现场测试证明定量观测模型具有较高的可信度，仿真证明量程自动识别准确。
　　横向定量、水分以及厚度等参数控制中，横向检测点与横向控制点之间精确对应是横向控制的关键，针对这一问题给出了一种以西门子 PLC和编码器为核心的解决方案，定位精度误差在±0.5mm范围内，可以充分满足横向控制的需求。
　　（3）高定量纸板厚度精确测量技术研究
　　目前越来越多的造纸企业注重纸张厚度的检测，以提高其纸张质量。对300μm以下的纸张厚度检测技术国内已经完全成熟，但对于可以测量300μm-1500μm高定量纸板厚度精确测量技术鲜有报道。本文结合研究课题采用激光位移传感器和电涡流传感器对300μm-1500μm纸板厚度测量展开研究。在分析了影响厚度测量精度的因素后给出了相应补偿措施；通过对传感器静态试验分析，得到了纸张种类和颜色干扰测量精度的解决方法；通过动态试验分析扫描架机械因素对厚度测量的影响，确定了设计的3种测量方案中的最优方案；采取扫描架空态间隙补偿，初步将扫描架机械因素干扰所导致的误差缩小至±40μm。
　　为进一步减小误差，采用本文提出的基于数据密度的数据融合算法，对多次扫描架空态间隙数据进行数据融合，得到扫描架机械间隙融合曲线，与求取平均值方法对比，本文提出的数据融合算法所得曲线更为集中在数据密集中心点。之后采用融合后的扫描架间隙曲线进行差值补偿，验证了本文所提出的算法补偿曲线振幅峰值更小，可以将误差缩小至±20μm，与平均方法相比标准差减小了12.8%。
　　为了能达到企业纸板测量精度需求，对扫描架单次横向测量曲线进行了去噪研究。针对单次扫描横向曲线采取改进EMD算法进行分析其包含的频率分量，之后采用7种算法进行去噪研究，综合对比去噪后的单次横幅曲线、差值补偿曲线和标准差，优选出差值补偿后误差在±5μm范围内的卡尔曼滤波和滑动滤波作为厚度测量去噪算法。经过实际测量验证了在扫描架整个横幅范围内，误差在±40μm范围内，在300μm-1500μm范围测量相对误差为±4%，达到了企业纸板厚度测量精度需求。
　　最后，给出了基于激光位移传感器的半接触式纸板厚度测量方法和流程。
　　（4）断纸预警技术研究
　　在抄纸生产过程中由于断纸造成的非计划停机，不仅降低了生产效率，而且造成能源的浪费和直接的经济损失，同时对断纸如果能够及时预警可以保护QCS设备和传感器。通过分析国内外断纸预警技术研究现状，研究了制浆、备浆流送、传动、干燥和QCS各子系统主要功能及其影响断纸的因素后，提出了一种基于数据融合技术的断纸预警阈值可以自动优化的断纸预警方法。采用本文提出的数据融合模型设计了断纸预警数据融合框架，对现场级0级融合和1级融合、操作级2级融合过程和方法进行了详细描述，给出了根据断纸检测信号和融合决策进行断纸预警阈值系数优化的优化规则，并将0-2级融合简化为二进制运算，减少了断纸预警过程中的计算量。通过构建实验模拟系统验证了本文所提出的断纸预警方法有效、阈值可以自动优化调整。
　　研究结果表明，通过采用数据融合技术，提高了QCS系统的智能性和高定量纸板定量及厚度测量精度，对高定量纸板定量和厚度进行精确测量是可行的。造纸工业中仍有许多问题可以通过数据融合技术进行探索，相信在不久的将来，造纸工业数据融合技术研究的热潮将会来临，造纸工业的自动化水平也会因此而得以提高。

目录

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 QCS发展及现状

1.3 数据融合技术国内外研究现状

1.4 主要内容及章节安排

2 造纸工业数据融合模型及数据融合算法研究

2.1 引言

2.2 造纸工业数据融合模型研究

2.3 造纸工业数据融合算法研究

2.4 小结

3 高定量纸板定量精确测量技术研究

3.1 高定量纸板定量精确测量主要研究内容

3.2 高定量纸板定量测量研究路线

3.3 高定量纸板定量测量难点及措施

3.4 高定量纸板定量传感器设计

3.5 影响定量测量精度的因素及补偿方法

3.6 传感器工作特性测试

3.7 基于数据融合技术的高定量纸板定量传感器量程自动识别技术研究

3.8 纸张横向定量对准—扫描架头箱精确定位研究

3.9 小结

4 高定量纸板厚度精确测量技术研究

4.1 高定量纸板厚度精确测量主要研究内容及难点

4.2 高定量纸板厚度精确测量研究

4.3 纸张厚度测量实验与分析

4.4 基于数据融合技术的厚度横向数据处理

4.5 纸板厚度传感器工作流程

4.6 小结

5 断纸预警技术研究

5.1 基于数据融合技术的断纸预警研究

5.2 基于数据融合技术的断纸预警模拟

5.3 小结

6 总结与展望

6.1 主要研究成果

6.2 论文的创新之处

6.3 未来工作展望

致谢

参考文献

附录A：扫描架头箱精确定位Step7程序

附录B：断纸预警模拟Step7程序

攻读学位期间发表的学术论文目录

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