造纸过程控制与维护管理—中芬合著：造纸及其装备科学技术丛书第十八卷/“十三五”国家重点出版
作者： 沈文浩
出版社：中国轻工业出版社 2017年09月
简介：
本书是芬兰造纸工程师协会组织编写的20本造纸书中的一本。自动化系统是造纸厂的资金投入中必不可少的部分，并且随着科技的发展其重要性也日益突出。自动化技术可以帮助操作者在困难的环境下完成任务，并且可以为工厂相关人员提供及时准确的信息，以便于在原料采购、机械装备、生产工艺、产品质量等方面做出正确的决策，这些决策均关乎到造纸厂的未来发展及对环境的影响。
过程管理是一个使工厂正常运行和自动生产的庞大技术领域，它包括工厂操作人员的具体操作和各种维系工厂运行的自动化系统。
自动化包含多个学科，除了需要电子学、信息技术、通讯、数学、工程等方面的知识，具有良好的工艺知识也是至关重要的。编写一本关于过程自动化的书时，不可能涉及所有这些领域。因此在内容设置上，本书主要介绍整个造纸系统的自动化部分，特别是过程控制系统和管理系统，而对现场的基础自动化系统则着墨不多。
【目录】
第 1 章简 介 1
1.1 引言 1
1.2 自动化系统的前景 1
1.2.1 自动化系统的重要性 1
1.3 自动化程度的概念 2
1.3.1 自动化系统的收益 2
1.3.2自动化系统的优点 2
1.4 层级化的描述 3
1.4.1过程控制和管理层监控 3
1.4.2自动化管理的必要性 4
1.5维护管理 4
1.6小结 5
第2章技 术 问 题 6
2.1 过程自动化的发展 6
2.2 系统架构 7
2.2.1 系统网络 7
2.2.2 DCS和PLC的结合 7
2.2.3基于PC的自动化 8
2.2.4现场总线技术 9
2.2.5网络化控制 9
2.2.6无线技术 11
2.2.7软件架构 12
2.2.8系统安全 13
2.2.9“即插即用”组件 14
参考文献 15
第 3 章方 法 17
3.1 开环控制与闭环控制 17
3.2 数字控制算法 17
3.3 自整定和PID控制回路的性能监测 19
3.3.1 自整定的作用 19
3.3.2测试功能 20
3.3.3 相关性分析 22
3.3.4 实时性能监测 24
3.3.5 ?str?m自整定器 26
3.4 自适应控制 26
3.4.1增益控制 27
3.4.2模型参考自适应控制 27
3.4.3 自校正控制 28
3.5 多变量控制 29
3.5.1 基本概念 29
3.5.2 解耦控制 30
3.5.3 *控制器 30
3.6 模型预测控制 31
3.7 专家系统 33
3.7.1 工作原理 33
3.7.2 过程控制中的专家系统 34
3.7.3 其他领域的应用 35
3.7.4 专家系统的优势 36
3.7.5 问题 36
3.8 模糊逻辑控制 37
3.8.1 什么是模糊性？ 37
3.8.2 模糊逻辑控制器 38
3.9 神经网络 40
3.9.1 基本定义 40
3.9.2 神经网络如何学习？ 40
3.9.3 网络结构 41
3.10 遗传算法 43
3.11 统计过程控制 45
3.11.1 质量数据的表达 45
3.11.2 因果分析 46
3.11.3 帕累托分析法 46
3.11.4 控制图 47
3.11.5 累积和控制图 48
3.11.6 过程能力指数 49
3.11.7 主成分分析 49
3.12 全厂优化办法 51
3.12.1 制浆厂生产调度 51
3.12.2 能耗优化 53
参考文献 55
第 4 章制 浆 造 纸 过程 中 的 特 殊测 量 参 数 60
4.1 引言 60
4.2 特殊参数测量 60
4.2.1 纸浆浓度 60
4.2.2 蒸煮过程测量 65
4.2.3 漂白过程传感器 67
4.2.4 纸浆质量分析仪 68
4.2.5 湿部测量 72
4.3 纸张质量在线测定 75
4.3.1 纸张定量 75
4.3.2 纸张水分 76
4.3.3 纸张填料（灰分）含量 78
4.3.4 纸页成型 78
4.3.5 纤维排列 78
4.3.6纸张厚度 79
4.3.7 纸张平滑度（粗糙度） 79
4.3.8 光泽度 80
4.3.9 纸张不透明度、色度和亮度 81
4.3.10纸张透气度 82
4.3.11 涂布量 83
4.3.12 孔洞和污点 83
参考文献 84
第 5 章制 浆 生 产 线的 过 程 控 制 85
5.1 引言 85
5.2连续蒸煮器控制 90
5.2.1控制要求 90
5.2.2基本控制功能 91
5.2.3质量控制 95
5.2.4木材种类变化管理 97
5.2.5自动控制的优点 98
5.3 间歇式蒸煮器控制 99
5.3.1控制要求 99
5.3.2基本控制功能 99
5.3.3蒸煮车间调度和蒸汽控制 101
5.3.4卡伯值控制 101
5.3.5罐区控制 104
5.3.6优点 105
5.4粗浆洗涤控制 106
5.4.1控制要求 106
5.4.2控制功能 106
5.5漂白车间控制 109
5.5.1控制要求 109
5.5.2氧脱木素的控制 109
5.5.3氯化阶段控制 110
5.5.4 二氧化氯漂白控制 113
5.5.5机械浆漂白控制 113
5.5.6负荷分配 114
参考文献 115
第 6 章碱 回 收 过 程控 制 121
6.1 引言 121
6.2 蒸发工段控制 123
6.2.1 控制要求 123
6.2.2 控制功能 123
6.3 碱回收炉控制 125
6.3.1 控制要求 125
6.3.2 基本控制功能 125
6.3.3 吹灰装置优化 129
6.3.4炉膛成相、图像分析及专家系统 131
6.3.5 溶解槽控制 134
6.3.6 优点 135
6.4 苛化控制 136
6.4.1 控制要求 136
6.4.2 控制功能 137
6.4.3 优点 139
6.5 白泥过滤器控制 140
6.5.1 控制要求 140
6.5.2 控制功能 141
6.5.3 优点 143
6.6 石灰窑控制 143
6.6.1控制要求 143
6.6.2 控制功能 144
6.6.3 高级石灰窑控制系统 147
6.6.4 优点 148
参考文献 148
第 7 章机 械 法 制 浆过 程 控 制 153
7.1 磨浆机控制 153
7.1.1控制要求 153
7.1.2 控制功能 154
7.1.3 质量控制 158
7.1.4 质量控制的应用 160
7.1.5 讨论 163
7.2 磨木过程控制 163
7.2.1 控制目标 163
7.2.2 磨木过程控制的特点 164
7.2.3 磨木过程 164
7.2.4 控制功能 165
7.2.5 磨木控制策略 168
参考文献 172
第 8 章纸 机 操 作 管理 175
8.1 纸机操作的目标 175
8.2 备浆、配浆和湿部控制 180
8.2.1 流量和浓度的测定 181
8.2.2 浆池液位控制 182
8.2.3 浓度变化控制 183
8.2.4 损纸浆和脱墨浆的干扰 187
8.2.5 通过备浆主动操作实现灵活生产的方法 189
8.3 纸幅质量波动和缺陷以及测量系统 190
8.3.1 波动组成 190
8.3.2 扫描测量方法 191
8.3.3 照相机和其它幅宽测量系统 196
8.3.4 离线测量和质量管理 197
8.4 纸机纵向控制 197
8.4.1 定量、填料量、留着率和水分含量等纸张质量的多变量模型预测控制 197
8.4.2 纸张等级改变的自动化方法：定量和填料含量的改变 201
8.4.3 MD质量控制的其它方面 201
8.5 纸机横向控制 202
8.5.1 静态CD执行器*化 203
8.5.2 CD控制的动态特性 208
8.5.3 CD控制中的一些交互影响效应 210
参考文献 213
附录 217
第 9 章运 行 和 维 护管 理 219
9.1 商业需求 219
9.2 工厂级运行和维修管理及其挑战 222
9.3 全局设备效率（OEE） 223
9.3.1 可用性（A） 224
9.3.2 设备性能（P） 225
9.3.3 质量效益（Q） 225
9.4 关于运行和维修管理挑战的调查 228
9.5 维修对生产功能的影响 229
参考文献 230
第 10 章术 语 232
10.1 简介 232
10.2 标准 233
10.2.1 EN 13306：2001 维修术语 234
10.2.2 主要术语 235
10.3 常用缩写 241
10.3.1 与时间相关术语的缩写 241
10.3.2 可靠性分析 241
10.3.3 其他常用缩写 242
参考文献 243
第 11 章维 修 管 理 基础 244
11.1 寿命周期与资产管理 244
11.1.1 什么是工厂工程资产管理 244
11.1.2 商业需求模型 246
11.1.3 产能、投资和维修 252
11.1.4 方法和工具 254
11.1.5 寿命周期法与短期方法 256
11.2 维修目标 258
11.2.1 为什么需要维修：目标的层级系统 258
11.2.2 一些重要的定义：可用性 259
11.3 维修策略 261
11.3.1定义和术语 261
11.3.2 维修策略的选择 262
11.3.3 维修计划 264
11.4 关键绩效指标 268
11.4.1 介绍 268
11.4.2绩效指标系统 268
11.4.3对关键绩效指标的看法 270
11.4.4 目标和外生变量之间的经验关系 271
11.4.5 标杆管理 274
11.4.6 基于网络的标杆管理工具 276
11.5 EHSQ方法（环保、健康、安全和质量） 279
参考文献 282
第12 章与 维 修 相 关的 概 念 284
12.1 工厂级的维修管理 284
12.1.1前言 284
12.1.2计划外维修（被动维修） 285
12.1.3预防维修 285
12.1.4 预测维修 286
12.1.5改进维修 288
12.1.6 全面生产维修 289
12.1.7 计算机化维修管理系统 289
12.2 工厂级维修计划 291
12.2.1 以可靠性为中心的维修介绍 291
12.2.2 应该如何完成RCM? 292
12.2.3 RCM分析的基本思想 293
12.2.4 RCM分析实例 297
12.3 组织 299
12.3.1 组织类型 299
12.3.2 组织维修的模型[6] 302
12.3.3 发展趋势 304
12.4 状态检修 305
12.4.1 介绍 305
12.4.2 过程和组件的评估 306
12.4.3 状态监控方法 306
12.4.4 系统实施 311
12.4.5 诊断和预测 312
12.4.6 数据阐释 316
12.5 备用零件 317
12.5.1 制浆造纸设备备用零件的特征 317
12.5.2 制浆造纸设备零件 318
12.5.3 零件资料 322
12.5.4 为新装置购买零件 323
12.5.5 零件存储和资产管理 324
参考文献 324
第 13 章服 务 供 应 链管 理 328
13.1寿命周期服务和服务供应链 328
13.1.1介绍 328
13.1.2抓住转变的潜力 331
13.1.3工业资产管理和服务供应链的一致性 333
13.1.4核对清单 334
13.2维修外包 335
13.2.1介绍 335
13.2.2工业服务类型 336
13.2.3寿命周期成本优化 338
13.2.4总结 340
参考文献 340
第 14 章造 纸 污 水 处理 过 程 的 仿真 及 控 制 342
14.1 造纸污水活性污泥法处理仿真模型的建立 342
14.1.1 造纸厂污水处理系统简介 342
14.1.2 生物反应过程模型建立 344
14.1.3 沉淀过程模型建立 349
14.2 造纸污水活性污泥法处理仿真模型参数的测定及污水组份划分 350
14.2.1 仿真模型参数测定 350
14.2.2 污水组份划分 352
14.3 造纸污水处理过程中溶解氧浓度控制策略及性能评价体系 352
14.3.1 控制策略 353
14.3.2 控制性能评价 358
参考文献 362
第15章造纸污水处理过程故障检测及诊断 364
15.1 引言 364
15.2 基于造纸污水处理小试系统的故障检测及诊断 365
15.2.1 过程故障检测及诊断方法 366
15.2.2 基于主元分析方法（PCA）的故障诊断 367
15.2.3小试系统应用PCA方法的故障诊断过程 371
15.2.4 基于批次展开的多向主元分析方法（MPCA）的故障诊断 375
15.2.5 基于改进的MPCA方法的故障诊断 383
15.3 基于造纸厂污水处理系统的故障检测及诊断 390
15.3.1 多时段划分的sub-PCA方法 390
15.3.2 基于sub-PCA方法的故障诊断 391
参考文献 400
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第 1 章简 介
1.1 引言
造纸过程管理范围很广，涵盖了整间工厂控制生产运作的各类活动，包括造纸厂操作人员的各种操作指令和与之相关联的各类自动化系统。本书主要介绍整个造纸体系中的自动化部分，特别是过程控制管理系统，而对现场的基础自动化系统则着墨不多。
1.2 自动化系统的前景
自动化系统占整个造纸厂投入的比例从百分之几到30%-40%不等。一般来说，产量恒定、纸种单一或品种较少的造纸厂所需的自动化系统投入较低；而较高的自动化系统投入通常适合于具有以下特点的造纸厂：原材料变化频繁、纸种繁多、间歇工艺与连续工艺兼有。多年来，市场对稳定的高质量纸品的不断追求促使企业大力投资于质量分析仪、质量控制器和各种监测系统。
1.2.1 自动化系统的重要性
那么，在实际生产中哪些操作和功能需要自动化？监控和控制工作在人工操作和自动化系统之间如何分配？这些问题很难回答，也不可能总结出通用的建议或准则。对操作者来说，因身体反应不够快，所以那些在生产过程中很难控制的快速变化的变量需要自动化；同时重体力和危险的操作过程也需要自动化。另外，虽然操作人员可以在较短时间内非常好地控制某个复杂过程，但是无法长时间保持这种*工作状态；而且操作者的差异也会引起产品质量和生产过程的波动。
生产中要管理好整条生产线是非常困难的，因为它们不会一直保持稳定，而是在不断地变化，且可能伴随着一些复杂而又难以测量的化学变化。因此，管理主要是监控并获取准确及时的信息，利用优化工具来确定*生产方案或资源分配方案。
对于那些已使用很久的、操作复杂、且长期未做设计和计划的操作流程，因为操作人员很难回想起已有的*解决方案，所以特别需要计算机决策工具的支持。
1.3 自动化程度的概念
“自动化程度”是指操作任务在操作人员和自动化系统之间的分配程度。有些操作可以手动实现，有些操作可以自动实现，而有些操作通过手动和自动均可实现。这里需要注意的是，“自动化程度”不是一个量化的值，而是一种定性的说法。
1.3.1 自动化系统的收益
是否投资上自动化系统考虑的主因并不是操作和安全，而是上自动化系统的投入成本和预期的成本节约。自动化系统的投入成本很容易计算，但预估成本节约却需要用到生产工艺知识和经验。
通常，使用自动化系统所带来的益处包括以下几个方面：
（一）更加稳定和更好的质量
（二）更高的产量
（三）更低的原材料消耗和能耗
（四）更优的转产管理
（五）更加有效地利用劳动力
（六）获取更优质和丰富的信息
1.3.2自动化系统的优点
（一）减少生产的波动
自动化系统一个重要的优点是能提高产品质量。对于连续生产的造纸厂，自动化系统可以减少不同操作者和工作班次之间的差异。使车间运作更加稳定，使产品质量显著提高。自动化生产可以稳定质量参数，减少劣等次品，降低因产品质量造成的损失，从而提高产量或提高单位产率，进一步实现原材料与能耗的节约。
例如，在硫酸盐法制浆过程中，通过提高目标纸浆卡伯值的方法，不仅可以减少纸浆卡伯值的波动，而且可以提高纸浆的产量和得率。也即是说，在相同的木材用量，甚至更低的能耗下，可以生产出更多的纸浆。像这样的伴随着产品质量提高的同时带来其他益处的案例在制浆厂和造纸厂的质量控制系统中随处可见。
（二）提高产量
提高纸浆或纸张产量的途径如下：其一，如前所述，通过高效的自动控制系统来提高生产效率或产品质量；其二，有效利用原材料（提高得率）；其三，改进生产计划（原材料种类和品质变化）的管理方式，降低干扰的影响。例如，有效的浆池管理可以阻断生产扰动从一个工序传递到另一个工序；通过改善瓶颈工序的运行状况可以提高整条生产线的产量。
（三）节约资源和能源
同样地，使用类似上述方法也可以节省原材料和化学药品。典型方法包括：更精确的剂量控制、更高的得率、稳定的质量和更规范的流程操作。
通过高度自动化系统实现节能的途径有三条：降低单位能耗（蒸汽或电能）；使用高能效的设备并加强管理；协调好生产过程与发电厂之间的供需矛盾。例如，加强对间歇蒸煮器（耗汽设备）的管理就是上述*后一条节能途径的典型例子。
（四）减少人身伤害
随着自动化程度的日益提高，那些常规操作、高强度的和危险的操作均由自动化系统来完成，使人们可以有更多的时间来实现更高级的监控功能。高质量的信息同样也能带来经济上的节约，但是这很难用准确的数字去量化。
1.4 层级化的描述
人们常用层级化的方式来描述一个系统的功能，这种表达方式特别适用于全厂自动化系统。图1-1是一种层级表达方式。
图1-1 控制层次
1.4.1过程控制和管理层监控
根据操作时间的长短，过程控制通常分为两个层级：直接控制层和监控层。根据操作者或监控层确定的设定值，直接控制层主要控制工艺过程中的单变量参数。
1.4.1.1直接控制层
这一层级中的过程控制通常分为两类：
（一）不论是否存在干扰，将过程变量（温度、压力、流量等）控制在规定的稳定值（设定值），通常把这种控制称之为“定值控制”或“监管控制”。它们在流程工业中随处可见。
（二）设定值是变化的，控制过程变量跟随其变化，称为“伺服控制”或者“过渡控制”。例如，根据已设置的设定值变化曲线来控制间歇反应器的温度。在制浆造纸过程中，对纸机或制浆线的产率和质量变化进行控制则更为困难，为此需要对多个变量根据已设置的变化规律来调节。
1.4.1.2监控层
监控层用于计算设定值，输出到直接控制层，将单个被控对象或多个对象控制在*工作状态。具体包括：根据产品质量要求或设定的产量来确定过程变量的*值，也就是稳定的或受控的设定值。*化包括静态优化和动态优化。
1.4.2自动化管理的必要性
制浆造纸企业实现全厂自动化管理是非常重要的，它主要用于协调和控制各车间、工厂和整个企业的生产、能耗和产品质量，这将带来很多益处；而且现代数据传输技术的发展为全厂自动化的实现提供了更高的可行性。
车间计划的制订和协调用于各车间的控制和监控，例如制浆厂的制浆车间和回收车间的监控。全厂计划的制订和协调与车间级的作用类似，该级需要确定全厂各个工序的产品质量要求，使全厂的总目标得以实现。
层级化的表示方法通常用于表示单层级的运行操作，但是用这种常规的表达方法不容易把各层级的硬件设备及之间的相互关系表达清楚。图1-1是一个全厂监控系统的层级简图，更多的信息可以查阅标准ANSI/ISA 95和ISO/IEC 62264。
1.5维护管理
维护管理是本书的另一个主题，它与过程管理的功能或多或少有些类似，即哪怕是在工艺设备损坏或磨损的情况下，也能确保生产过程的正常运行。从机器设备的可靠性和适用性的角度来说，维护管理可以在产量和质量方面优化工厂的生产能力。
信息技术的进步对维护管理产生了很大的推动作用，许多维护管理的应用均基于现代信息技术和数据通讯技术，且主要基于离线系统。此外，还需用到高精度的过程维护传感器或特殊的维护传感器，以及大量的数学运算。
1.6小结
本书的后续章节将逐一介绍制浆造纸企业在过程控制和维护管理方面的*进展和未来发展趋势。第二、三章讲述自动化系统和控制方法的发展，第四章讨论制浆造纸过程中特殊参数的测量，第五、六章介绍化学制浆（硫酸盐法制浆）的自动化系统，第七章是机械制浆的过程控制，第八章讨论造纸的控制系统，第九章阐述工厂的维护管理，第十章介绍一些维护管理常用的专业术语，第十一章讲述维护管理的基础知识，第十二章介绍如何实现全厂的维护管理，第十三章简介现代维护管理中的服务供应链管理，第十四章和第十五章介绍造纸污水处理过程中的计算机仿真、控制及故障诊断的*研究成果。
