利用LabVIEW 數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊對(duì)大型造紙廠的紙漿生產(chǎn)進(jìn)行仿真與控制

The Challenge:

　　創(chuàng)建一個(gè)用來(lái)監(jiān)測(cè)大型造紙廠紙漿的生產(chǎn)過(guò)程，以節(jié)約能源和降低成本。

　　The SoluTIon:

　　為了增加吞吐量，節(jié)約能源，以及優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，我們利用NI LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控（DSC）模塊來(lái)處理復(fù)雜的，非線性的建模過(guò)程。

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

　　位于英國(guó)Workington的Iggesund紙板公司，其生產(chǎn)線上主要有五個(gè)造紙機(jī)，運(yùn)行每個(gè)造紙機(jī)至少需要消耗 15兆瓦的能量。節(jié)約能源對(duì)于降低我們的運(yùn)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(jī)能夠生產(chǎn)出最終紙板成品所需要的紙漿。

　　模型設(shè)計(jì)

　　為了預(yù)測(cè)紙張的剛度，我們實(shí)施了基于前饋單層感知（FFSLP）結(jié)構(gòu)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性回歸（MLR）模型之上，是因?yàn)樵摻＿^(guò)程的需求是非線性的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更能準(zhǔn)確地對(duì)大量紙張材料作出預(yù)測(cè)。此外，對(duì)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，使造紙廠操作員更易于使用該系統(tǒng)。

　　對(duì)于在線監(jiān)測(cè)功能，我們將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多元數(shù)據(jù)分析（MVDA）方法結(jié)合起來(lái)，因?yàn)樵摲椒ǜm應(yīng)于操作環(huán)境的改變，如紙張材料的變化。由此建立的非線性模型更能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)橫向（CD）抗彎剛度的機(jī)器方向（MD）偏差。

　　我們利用 LabVIEW軟件，并結(jié)合了閉環(huán)自適應(yīng)造紙機(jī)控制系統(tǒng)所采用的高級(jí)自適應(yīng)控制算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了該預(yù)測(cè)模型。該解決方案包含了一個(gè)脫機(jī)工具，該工具可以對(duì)不同紙漿類(lèi)型的造紙機(jī)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(jī)會(huì),可以嘗試不同精煉配置及比較預(yù)測(cè)最終紙板質(zhì)量測(cè)量。通過(guò)利用LabVIEW軟件對(duì)改變參數(shù)后的效果進(jìn)行仿真，使我們避免了昂貴的全面試驗(yàn)，從而節(jié)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(yùn)行多個(gè)模型，并且提供了直接在線性能監(jiān)控功能。利用LabVIEW DSC模塊，我們將模型限定在造紙廠可以正常運(yùn)行的狀態(tài)范圍內(nèi)。當(dāng)變量移動(dòng)到正常運(yùn)行狀態(tài)范圍之外后，報(bào)警器就會(huì)被激活，向操作員發(fā)出系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題的提示信息，同時(shí)系統(tǒng)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。

　　在線監(jiān)測(cè)

　　Iggesund紙板公司在其在線操作上成功地使用了這種新模型。采用分值圖的方法，當(dāng)變量偏離紙漿設(shè)置點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向機(jī)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?jǐn)?shù)作為橫縱坐標(biāo)繪制而成的一個(gè)二維監(jiān)測(cè)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(yùn)行區(qū)域。這樣使得操作員很容易地識(shí)別異常值。

　　所有相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)都聚集在這個(gè)二維分值圖上，各組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點(diǎn)，或代表多個(gè)工作點(diǎn)的多組數(shù)據(jù)點(diǎn)。如果數(shù)據(jù)點(diǎn)保持在Hotelling橢圓范圍內(nèi)，這就表明，工作點(diǎn)在正常運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。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(jié)論

　　我們利用LabVIEW DSC模塊所建立的模型向紙板機(jī)操作員提供了實(shí)時(shí)處理信息，當(dāng)變量偏離所要求的紙漿質(zhì)量設(shè)置點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)清晰地向操作員發(fā)出提示信息。紙漿廠操作員可以選擇所需的設(shè)定點(diǎn)和精煉能量值，以達(dá)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，工廠的吞吐量將會(huì)增長(zhǎng)1個(gè)百分點(diǎn)，這對(duì)大型工廠來(lái)說(shuō)，可以節(jié)省大量的能源。事實(shí)上，能源消耗降低所導(dǎo)致的節(jié)約成本估計(jì)為每年720.000英鎊。

　　工廠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(dǎo)致的生產(chǎn)損失為每小時(shí)12.000英鎊。據(jù)我們估計(jì)，該模型的實(shí)施將使造紙機(jī)的正常運(yùn)行時(shí)間每年提高30小時(shí)，這樣每年節(jié)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(yīng)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。