利用LabVIEW 數據記錄對造紙廠(chǎng)紙漿生產(chǎn)進(jìn)行仿真與控制

多元模型開(kāi)發(fā)結構

作者:

Matt Taylor - Iggesund Paperboard Workington Mill

行業(yè):

Manufacturing, 管道/紙業(yè)

產(chǎn)品:

數據采集, 數據記錄與監控模塊, LabVIEW

挑戰:

創(chuàng )建一個(gè)用來(lái)監測大型造紙廠(chǎng)紙漿的生產(chǎn)過(guò)程，以節約能源和降低成本。

解決方案:

為了增加吞吐量，節約能源，以及優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，我們利用NI LabVIEW數據記錄和監控(DSC)模塊來(lái)處理復雜的，非線(xiàn)性的建模過(guò)程。

LabVIEW工具包使同時(shí)運行多個(gè)模型變得更加容易，這意味著(zhù)在線(xiàn)性能監控功能可以變得簡(jiǎn)單直接。

位 于英國Workington的Iggesund紙板公司，其生產(chǎn)線(xiàn)上主要有五個(gè)造紙機，運行每個(gè)造紙機至少需要消耗15兆瓦的能量。節約能源對于降低我們 的運營(yíng)成本至關(guān)重要，因此，我們需要一個(gè)解決方案，以?xún)?yōu)化我們能源的使用效率，同時(shí)確保造紙機能夠生產(chǎn)出最終紙板成品所需要的紙漿。

模型設計

為了預測紙張的剛度，我們實(shí)施了基于前饋單層感知(FFSLP)結構的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(ANN)模型。之所以我們會(huì )選擇該模型，并將該模型建立于多元 線(xiàn)性回歸(MLR)模型之上，是因為該建模過(guò)程的需求是非線(xiàn)性的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )更能準確地對大量紙張材料作出預測。此外，對于所有紙張材料來(lái)說(shuō)，只使用一 個(gè)模型也是很方便的，使造紙廠(chǎng)操作員更易于使用該系統。

對于在線(xiàn)監測功能，我們將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與多元數據分析(MVDA)方法結合起來(lái)，因為該方法更適應于操作環(huán)境的改變，如紙張材料的變化。由此建立的非線(xiàn)性模型更能準確地預測橫向(CD)抗彎剛度的機器方向(MD)偏差。

我們利用 LabVIEW軟 件，并結合了閉環(huán)自適應造紙機控制系統所采用的高級自適應控制算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，設計了該預測模型。該解決方案包含了一個(gè)脫機工具，該工具可以對不 同紙漿類(lèi)型的造紙機載荷進(jìn)行仿真。這無(wú)疑給操作員和開(kāi)發(fā)工程師帶來(lái)了機會(huì ),可以嘗試不同精煉配置及比較預測最終紙板質(zhì)量測量。通過(guò)利用LabVIEW軟件 對改變參數后的效果進(jìn)行仿真，使我們避免了昂貴的全面試驗，從而節省了我們的時(shí)間和成本。

此外，LabVIEW DSC 模塊可 以方便的并行運行多個(gè)模型，并且提供了直接在線(xiàn)性能監控功能。利用LabVIEW DSC模塊，我們將模型限定在造紙廠(chǎng)可以正常運行的狀態(tài)范圍內。當變量移動(dòng)到正常運行狀態(tài)范圍之外后，報警器就會(huì )被激活，向操作員發(fā)出系統發(fā)生問(wèn)題的提示 信息，同時(shí)系統向操作員指示哪個(gè)變量發(fā)生故障以及告知解決該故障的最佳方法。

在線(xiàn)監測

Iggesund紙板公司在其在線(xiàn)操作上成功地使用了這種新模型。采用分值圖的方法，當變量偏離紙漿設置點(diǎn)時(shí)，系統會(huì )向機器操作員發(fā)出提示信息。分值圖表示每個(gè)變量主要成分分析的得分，并以一分鐘的時(shí)間間隔進(jìn)行更新。

圖1顯示了兩個(gè)本征向量的分數作為橫縱坐標繪制而成的一個(gè)二維監測分值圖。二維分值圖用于顯示兩個(gè)本征向量間的關(guān)系，可以用一個(gè)95%到99% 的Hotelling橢圓來(lái)表示，其定義了生產(chǎn)過(guò)程中的正常運行區域。這樣使得操作員很容易地識別異常值。

所有相似的數據點(diǎn)都聚集在這個(gè)二維分值圖上，各組數據點(diǎn)代表了生產(chǎn)過(guò)程中的工作點(diǎn)。這些圖可以用來(lái)顯示代表單個(gè)工作點(diǎn)的一組數據點(diǎn)，或代表多個(gè)工作 點(diǎn)的多組數據點(diǎn)。如果數據點(diǎn)保持在Hotelling橢圓范圍內，這就表明，工作點(diǎn)在正常運行區域內。無(wú)論變量間的基本相關(guān)性是否有效，過(guò)程變量中的任何 異常變化都可以用這個(gè)二維分值圖來(lái)清晰地顯示。在載荷圖的輔助下，我們可以確定問(wèn)題的根源，并排除故障。

結論

我們利用LabVIEW DSC模塊所建立的模型向紙板機操作員提供了實(shí)時(shí)處理信息，當變量偏離所要求的紙漿質(zhì)量設置點(diǎn)時(shí)，系統會(huì )清晰地向操作員發(fā)出提示信息。紙漿廠(chǎng)操作員可以選擇所需的設定點(diǎn)和精煉能量值，以達到最佳效果。

Iggesund紙板公司從LabVIEW DSC模塊建模解決方案中獲得了巨大利益。一旦該模型被實(shí)施，工廠(chǎng)的吞吐量將會(huì )增長(cháng)1個(gè)百分點(diǎn)，這對大型工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，可以節省大量的能源。事實(shí)上，能源消耗降低所導致的節約成本估計為每年720.000英鎊。

工廠(chǎng)從該解決方案中獲得的另一個(gè)利益是可以獲得更好的質(zhì)量控制，以及減少了不宜出售的板碎漿。碎漿所導致的生產(chǎn)損失為每小時(shí)12.000英鎊。據我們估計，該模型的實(shí)施將使造紙機的正常運行時(shí)間每年提高30小時(shí)，這樣每年節約的成本大約為360.000英鎊。

此外，利用基于模型多元優(yōu)化的LabVIEW軟件，使我們也很容易地將方法和技術(shù)應用于其他生產(chǎn)過(guò)程領(lǐng)域中。這就為未來(lái)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化提供了一條途徑，而無(wú)需使用大量的軟件開(kāi)發(fā)包。