如何在造纸高速生产中，利用非接触技术实现1000m/min纸网速度和0.05%长度的高精度监测与控制？【自动化测控】

1. 基于纸张原纸（纸网）的基本结构与技术要求

在造纸行业中，我们通常将生产线上连续高速运行的纸张称作“纸网”或“纸幅”。它的基本结构是薄而宽的连续平面材料，由植物纤维交织而成。纸网的运行速度非常快，可能达到每分钟数百甚至上千米。

对于纸网的生产过程控制，有几个关键技术要求：

• 速度稳定性与精确控制： 纸网在不同生产阶段（如成形、压榨、干燥、施胶、压光、卷取等）的速度需要严格同步和精准控制。任何微小的速度波动都可能导致纸张张力不均、断裂、起皱，甚至影响最终产品的物理性能（如厚度、定量、强度）。想象一下，如果一条生产线上，前面的滚筒跑得太快，后面的滚筒跟不上，纸张就可能被拉断；反之，如果前面的慢了，后面快了，纸张就会堆积起皱。

• 长度精确计量： 在纸张分切、卷取等环节，需要对纸张的长度进行极其精确的测量和控制。例如，生产销售用的纸卷，其长度必须符合标准，误差越小越好。精准的长度控制可以减少废品率，提高材料利用率，确保产品质量。

• 非接触式测量： 由于纸网高速且脆弱，任何与纸张表面直接接触的测量方式都可能导致纸张损伤、污染，或者在高速摩擦下产生磨损和测量误差（例如接触式编码器会因打滑而产生误差）。因此，非接触式测量是首选，它不会对纸张造成任何干扰。

• 环境适应性： 造纸车间通常存在高温、高湿、粉尘等恶劣环境。传感器需要具备高防护等级和良好的环境适应性，以确保长期稳定可靠运行。

2. 针对纸张原纸的相关技术标准简介

在造纸行业中，为了确保纸张的质量和生产过程的控制精度，行业内通常会关注一系列与速度、长度、张力等相关的参数。以下是这些监测参数的定义和评价方法：

• 网速（Web Speed）：指纸幅在生产线上单位时间内移动的距离。它的评价方法通常是通过非接触式传感器实时监测纸幅表面的移动速度，并以米/分钟（m/min）或英尺/分钟（ft/min）等单位显示。速度的波动性（或稳定性）也是一个重要指标，通常通过统计学方法（如标准差）来评估在一定时间段内的速度变化幅度。

• 长度精度（Length Accuracy）：指实际测量到的纸幅长度与真实长度之间的差异。在卷取或分切环节尤其重要。其评价方法通常是与高精度标准尺或参考长度进行比较，以百分比误差或绝对误差（如毫米）来表示。高精度要求通常意味着长度误差要控制在总长度的0.05%甚至更低。

• 重复性（Repeatability）：指在相同测量条件下，对同一纸幅或同一长度段进行多次测量时，测量结果之间的一致性。评价方法是通过多次重复测量得到一组数据，计算其标准偏差或最大偏差，以评估测量的稳定性和可靠性。高重复性是保证生产批次一致性的基础。

• 响应时间（Response Time）：指传感器从检测到速度或长度变化到输出相应测量结果所需的时间。对于高速运行的纸网，短响应时间对于实时控制和快速调整至关重要，能有效避免因延迟导致的控制滞后。

• 张力控制（Tension Control）：虽然不是直接由速度测长传感器测量，但网速的精确测量是实现纸幅张力稳定控制的关键输入。张力不稳会导致纸张变形、断裂或卷取不齐。通过精确的速度差控制（速度差是张力变化的直接体现），可以间接实现对张力的有效管理。

3. 实时监测/检测技术方法

对于造纸行业中的网速检测和精准长度控制，传统的接触式测量方式（比如接触式编码器）会因纸网打滑、磨损等问题，导致误差较大且维护成本高。而简单的光电开关，虽然能检测有无，但无法提供高精度的连续速度和长度信息。因此，行业内普遍采用更先进的非接触式光学或激光测量技术。

（1）、市面上各种相关技术方案

市面上主流的非接触式速度和长度测量技术主要有以下几种，它们各有特点，适用于不同的应用场景：

a. 激光多普勒测速原理（Laser Doppler Velocimetry, LDV）

想象一下，你站在火车轨道旁，当火车鸣笛驶过时，你会听到笛声的音调从高变低，这就是多普勒效应。激光多普勒测速原理与此类似，它利用的是光的多普勒效应。

工作原理与物理基础： 激光多普勒测速传感器通常会发射两束相干（频率和相位稳定）的激光束，让它们在被测材料（如纸网）表面聚焦并交汇。在两束激光交汇的区域，会形成一系列明暗相间的干涉条纹，就像一把“光尺”。当纸网表面上的微小颗粒（即使是光滑的纸张表面也存在微观结构）穿过这些干涉条纹时，这些颗粒会散射激光。由于颗粒在运动，散射光的频率会发生变化，产生多普勒频移。传感器接收这些散射光，并对其频率进行分析。

具体来说，当一个散射粒子以速度V穿过干涉条纹时，它散射的两束激光会产生不同的多普勒频移，这两个频移的差值就是差频信号f_d。这个差频信号f_d与粒子的速度V成正比。

其核心关系可以简化为：f_d = (2 * V * sin(θ/2)) / λ其中：* f_d 是多普勒频移（差频），传感器通过检测散射光的拍频信号来获得。* V 是被测物体表面的速度。* θ 是两束激光束之间的夹角。* λ 是激光的波长。

通过测量f_d，传感器就能精确计算出V。一旦获得实时速度V，通过对速度进行时间积分，就可以精确计算出材料的移动长度L = ∫V dt。这种方法直接测量的是表面速度，不受打滑影响。

核心性能参数典型范围： 速度测量范围通常从接近静止到高达10000 m/min；长度测量精度通常可优于0.05%，部分高端系统重复性可达0.02%或更高；测量速率可以达到每秒数万次，响应时间极短。

技术方案优缺点：* 优点： 真正非接触式测量，无磨损，不损伤材料；测量精度极高，不受打滑、振动影响；响应速度快，适用于高速运动；某些型号可实现零速测量和方向识别；适用材料范围广，对表面纹理、颜色不敏感；维护成本低，通常无需频繁校准。* 局限性： 相比传统接触式编码器，初始投资成本相对较高；对安装位置和环境有一定要求，如避免强烈外部光源干扰。* 成本考量： 属于高端测量技术，投资成本相对较高，但长期运行效益（减少废品、提高生产效率、降低维护）回报显著。

b. 光学表面编码器原理

这种技术类似于我们日常使用的光学鼠标，它不是通过接触滚轮来移动光标，而是通过光学方式“看”地面纹理来判断鼠标移动了多少。

工作原理与物理基础： 传感器向被测材料表面投射一个特定的光斑或图案，并利用内置的高速摄像头或接收器捕捉从表面反射回来的连续图像序列。通过内部的高速图像处理器和复杂的算法，传感器会分析这些图像序列中表面纹理或特征点的微小移动。通过光学相关性算法，它可以计算出这些纹理在图像帧之间的位移，从而精确推算出材料的速度和方向。最后，将速度进行时间积分，即可得到移动的长度。

核心性能参数典型范围： 测量速度范围最高可达500 m/min；长度精度通常优于0.1%；工作距离相对较近，一般在50 mm到100 mm之间；重复性可达±0.05%。

技术方案优缺点：* 优点： 真正非接触式测量，避免磨损和打滑误差；对材料表面特征不敏感，即使表面光滑或纹理不明显也能可靠测量；结构坚固，适用于恶劣工业环境；集成相对简单。* 局限性： 测量速度范围相对激光多普勒技术略低；对传感器与材料表面的相对振动可能敏感；可能对非常透明或反射率极高的材料效果不佳。* 成本考量： 介于传统编码器和高端激光多普勒传感器之间。

c. 机器视觉图像处理原理

这种方法就像给生产线装上了一双“慧眼”，通过拍照和智能分析来测量。

工作原理与物理基础： 系统通过高分辨率的线阵相机或面阵相机，连续捕捉纸网表面的图像。然后，利用强大的机器视觉软件平台，应用先进的图像处理算法（如边缘检测、模式匹配、特征跟踪和测量工具），在这些图像中识别并跟踪纸网的起点、终点或其表面上的特定标记点（可以是自然纹理或印刷标记）。结合相机本身的像素分辨率和视野信息，以及精确的校准，系统可以将图像中的像素位移转换为实际的物理长度。对于连续的长度测量，通常需要结合精确的时间信息或与外部编码器（提供横向移动信息）配合使用。深度学习技术还能进一步提高在复杂、多变表面条件下的测量鲁棒性。

核心性能参数典型范围： 相机分辨率可达数百万像素；检测速度取决于相机帧率和算法复杂程度，可达每秒数千帧；测量精度可达到亚像素级别，具体取决于视野大小和校准精度；通信接口多样，方便集成。

技术方案优缺点：* 优点： 极高的灵活性，除了长度测量，还可以同时进行缺陷检测、定位、对齐和质量检查等多项任务；非接触式测量，对材料无损伤；利用深度学习技术，对复杂或变化的材料表面适应性强，鲁棒性高；强大的软件工具支持定制化解决方案。* 局限性： 计算量大，需要高性能的图像处理硬件和软件；对光照条件要求较高，需要稳定的光源；初始投资成本较高，系统集成相对复杂；测量速度可能受限于图像采集和处理速度。* 成本考量： 属于高端集成解决方案，总成本通常较高，但功能集成度最高。

d. 激光三角测量原理

想象一下，你用手电筒照墙壁，从侧面看光点投射的角度，就能大概知道墙壁离你有多远。激光三角测量就是利用这个原理来测量距离。

工作原理与物理基础： 传感器向被测材料表面发射一个激光点或激光线。当激光照射到表面时，会形成一个反射光斑。传感器内部的接收器（如CCD或CMOS阵列）会从一个特定的角度接收这个反射光斑。由于几何三角关系，材料表面距离传感器的远近，会使得反射光斑在接收器上的位置发生变化。通过精确计算光斑在接收器上的位置，就可以利用三角测量原理，精确地计算出材料表面相对于传感器的距离。对于长度测量，该传感器通常通过连续监控纸网边缘或特定点的距离变化，结合时间信息和/或外部速度输入，来推算长度。

核心性能参数典型范围： 测量范围（工作距离）通常在数十毫米到数米之间，例如300 mm至1000 mm；长度精度通常为±1 mm，重复精度±0.3 mm；测量频率最高可达250 Hz。

技术方案优缺点：* 优点： 结构紧凑，安装便捷，适用于空间受限的环境；非接触式测量，对材料无磨损；适用于不同材料表面和颜色，但对反射率差异大的表面可能精度有影响；性价比相对较高。* 局限性： 主要用于距离测量，速度和长度是间接推导，精度通常不如激光多普勒直接测速方法；对被测物体的表面倾斜或振动可能较为敏感；测量频率相对较低。* 成本考量： 属于中等成本的非接触式测量方案，在对精度要求不是极高但需要非接触距离测量的场景有优势。

（2）、市场主流品牌/产品对比

这里我们选取几个国际知名品牌，对比它们在造纸行业网速检测和长度控制方面的解决方案：

• 德国聚体 德国聚体的产品在激光多普勒测速领域享有盛誉。他们的LSV-2000系列传感器，采用先进的激光多普勒原理，能够实现极高的测量精度和稳定性。其测量速度范围宽广，最高可达3000 m/min，长度精度通常优于0.05%，速度分辨率可达0.001 m/min，工作距离灵活可调。这些特点使得德国聚体的方案非常适合造纸行业的高速生产线，能够有效应对纸网打滑、振动等复杂工况，提供可靠的在线实时测量数据，确保产品质量。

• 英国真尚有 英国真尚有的AJS10X系列激光测速测长传感器，采用激光多普勒测量原理，专为工业应用中的非接触式速度和长度测量设计。该系列传感器速度测量范围可达10,000 m/min，工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%，内部测量速率高达200kHz。其R系列产品(AJS100R/101R/102R/103R)支持0速度测量与方向识别功能。AJS10X系列提供针对平面材料的适配方案（AJS100系列），适用于纸张、薄膜等材料的测量。该系列传感器采用全固态设计，无活动部件，拥有IP67防护等级。

• 日本基恩士 日本基恩士的LS-9000系列主要是一款扫描式激光测微仪。虽然其核心优势在于高精度的尺寸测量（如宽度、厚度），能够实现±0.5 µm的重复精度，扫描速度最高达1600扫描/秒，但对于连续的纸网长度检测，它通常需要结合内部时钟或外部速度信息进行系统集成，通过连续测量薄膜的经过距离来计算总长度。因此，它在精准长度控制方面，更多是作为尺寸监测的辅助工具，直接的长度测量可能需要额外集成。其优势在于极高的微米级尺寸测量精度，适用于对纸张厚度或边缘检测有严苛要求的场景。

• 瑞士宝盟 瑞士宝盟的OMN系列光学表面编码器，通过向纸网表面投射光斑并捕捉反射图像来计算速度和长度。它能够实现最高500 m/min的测量速度，长度精度优于0.1%，重复性达到±0.05%。这种方案的特点是真正的非接触式，消除了接触式编码器可能出现的磨损和滑差误差。它对纸网表面特征不敏感，即使在表面光滑或纹理不明显的纸张上也能提供可靠的测量。对于需要替代传统接触式编码器，且对速度要求在其中等范围的应用，瑞士宝盟的方案是一个坚固耐用且易于集成的选择。

• 美国康耐视 美国康耐视的In-Sight D900系列智能相机结合VisionPro软件平台，提供基于机器视觉的解决方案。它通过高分辨率相机捕捉纸网图像，利用先进的图像处理和深度学习算法，识别并跟踪纸网表面的特征或标记，从而计算长度。其优势在于高灵活性，除了长度测量，还可以同时进行缺陷检测、定位和质量检查。测量精度可达亚像素级，但具体精度取决于像素分辨率和视野。虽然投资较高，但它为造纸厂提供了一个多功能、高鲁棒性的综合质量控制平台，尤其适用于对纸张表面质量和尺寸控制有综合需求的场景。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为造纸行业选择合适的测速测长设备时，您需要仔细审视以下几个关键指标：

1. 测量精度和重复性：

   • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度，重复性代表多次测量结果的一致性。它们是产品质量控制的基石。

   • 选型建议： 对于高附加值产品或对长度、速度控制要求极高的生产线，应优先选择精度优于0.05%甚至更高的激光多普勒测速传感器。对于一般纸种，0.1%-0.2%的精度可能也能接受，但通常高精度总是更好的选择。

2. 速度测量范围：

   • 实际意义： 传感器能测量的最低和最高速度。造纸生产线速度变化大，从启动时的低速到正常运行的高速。

   • 选型建议： 确保传感器能覆盖您生产线的全部运行速度，特别是最高运行速度。如果生产线涉及0速或正反方向运行（如某些分切或复卷机），则需要选择支持零速测量和方向识别功能的传感器。

3. 工作距离和景深：

   • 实际意义： 工作距离是传感器与被测纸网之间的最佳距离范围。景深是指在这个工作距离范围内，传感器能保持测量精度的允许距离变化范围。

   • 选型建议： 考虑到造纸机庞大且通常有振动，选择工作距离长且景深大的传感器能提供更大的安装灵活性和对纸网波动的容忍度，减少因纸网抖动引起的测量误差。

4. 响应时间：

   • 实际意义： 传感器从检测到变化到输出结果的速度。在高速生产线中，如果响应时间过长，控制系统会滞后，无法及时调整速度，可能导致生产事故或废品。

   • 选型建议： 对于高速、高动态的生产线，选择响应时间快的传感器至关重要，以确保控制系统能实时进行精确调整。

5. 环境适应性（防护等级、温度范围）：

   • 实际意义： 造纸车间环境通常恶劣，存在水汽、粉尘、高温等。传感器的防护等级和宽温度范围能保证其在这些环境下长期稳定运行，减少故障率。

   • 选型建议： 优先选择具有高防护等级（至少IP65，最好IP67）和宽工作温度范围的传感器，必要时可考虑配备冷却或加热附件。

6. 通信接口和集成能力：

   • 实际意义： 传感器如何与您现有的PLC、DCS或其他控制系统进行数据交换。灵活的通信接口能简化系统集成，减少开发难度。

   • 选型建议： 确认传感器支持您工厂常用的工业通信协议（如以太网、PROFIBUS、PROFINET、CANbus等），并提供丰富的输出信号（如脉冲输出、模拟输出）以便与现有系统无缝对接。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能让您的系统运行更加顺畅。

1. 问题：纸网表面特性变化

   • 原因： 纸张类型、颜色、光泽度、水分含量、表面粗糙度等变化，可能影响激光或光学的反射/散射特性。某些非常光滑或非常透明的纸张，或者颜色过深/过浅的纸张，可能导致测量信号微弱或不稳定。

   • 影响： 导致测量精度下降，甚至无法获取有效数据。

   • 解决建议：

     • 选择对表面特性不敏感的传感器，例如激光多普勒传感器通常对此类变化有较好的鲁棒性。

     • 对于机器视觉方案，可能需要调整光源和相机参数，或利用深度学习算法增强对不同表面特征的适应性。

     • 进行现场测试，验证传感器在您所有常用纸张类型上的表现。

2. 问题：环境干扰

   • 原因： 造纸车间可能存在大量粉尘、水汽、高温或强烈的环境光（如日光直射或高亮照明），这些都可能干扰传感器的光学路径或导致内部过热。

   • 影响： 测量信号减弱、失真，传感器性能下降，寿命缩短。

   • 解决建议：

     • 为传感器安装保护罩或冷却/加热外壳，确保其工作在适宜的环境。

     • 定期清洁传感器光学窗口，防止灰尘和水汽积累。

     • 避免传感器直接暴露在强烈的外部光源下，必要时可加装遮光罩。

     • 确保传感器防护等级符合现场环境要求。

3. 问题：安装与对齐偏差

   • 原因： 传感器安装时与纸网的距离、角度或轴线未完全对齐，或者在运行过程中因振动导致位置偏移。

   • 影响： 测量误差增大，甚至无法正常工作。例如，如果激光束没有垂直于纸网表面，可能会引入余弦误差。

   • 解决建议：

     • 严格按照厂家说明书进行安装，使用坚固的支架和精密的调节机构。

     • 定期检查传感器的安装位置和角度，确保其始终保持最佳对齐状态。

     • 对于有激光指示功能的传感器，利用其指示光斑辅助对齐。

     • 选择景深较大的传感器，能更好地容忍轻微的安装或运行偏差。

4. 问题：系统集成与数据通讯

   • 原因： 传感器数据输出格式与PLC/DCS系统不匹配，或者通信协议不兼容，导致数据无法正常传输或解析。

   • 影响： 无法实现闭环控制，数据无法用于生产管理和分析。

   • 解决建议：

     • 在选型阶段，详细了解传感器支持的通信接口和协议，确保与现有控制系统兼容。

     • 利用传感器提供的配置软件进行参数设置和数据格式调整。

     • 与供应商紧密合作，获取详细的通讯协议文档和示例代码，简化集成工作。

4. 应用案例分享

• 纸张分切与卷取： 在纸张分切成小卷或指定长度的过程中，激光测速测长传感器能实时监测纸张速度和累计长度，确保每卷纸的长度精准无误，大大减少了废品率，提高了产品一致性。例如，英国真尚有的AJS10X系列激光测速测长传感器，可以应用于纸张等平面材料的精确速度和长度控制。

• 印刷对准与张力控制： 在多色印刷机上，通过精确测量纸网速度，可以实现不同印刷单元之间的速度同步和精准对准，同时为张力控制系统提供准确的反馈，避免套印不准和纸张断裂。

• 涂布与施胶过程： 在纸张涂布或施胶生产线，精准的网速控制能够保证涂层厚度的均匀性，提高产品质量稳定性，同时优化原料使用。

• 造纸机传动链同步： 激光测速测长传感器可用于监测造纸机各传动辊之间的速度差，及时发现和纠正同步误差，优化整条生产线的运行效率和稳定性。英国真尚有的AJS10X系列具有多种通信接口，方便与现有控制系统集成，实现生产线速度的同步控制。