CC BY
1УДК 676.017.55
Andrey V. Bakhtin, Marina O. Slyuta
QUALITY RESEARCH OF PAPER COLOR MANAGEMENT SYSTEMS
Higher School of Technology and Energy. Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, St Petersburg, Russia marina_slyuta@mail.ru
Paper color is one of the most important indicators of paper quality. Currently there is no information on functional color management systems. The study contains an analysis of information on the quality of color management on various paper machines for the production of printed papers. The research methodology consisted in the formation of a sample of numerical values of color coordinates in the CIE system from the archives of the APCS servers and laboratories of quality departments at factories. The analysis of the quality of operational control systems was carried out on the basis of the calculated histograms of the color coordinates of finished paper. The article presents the results of statistical processing of data about changes in the color coordinates L, a, b of the finished paper. Based on those results, the correlation of the dosage of chemical reagents and the color of the paper web is visible.
Key words: paper quality, paper color regulation, paper color management system, color coordinates, mathematical model, optical whitener, dyes
DOI 10.36807/1998-9849-2022-63-89-100-103
Введение
В настоящее время в России отсутствуют системы автоматического регулирования цвета бумаги на бумагоделательных машинах (БДМ). Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению этим процессом, оказались неработоспособны. Например, система регулирования цветом бумаги, поставленная фирмой GretagMacbeth на БДМ4 Светогорского целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК), проработала в автоматическом режиме только несколько месяцев.
Чтобы оценить целесообразность дальнейших разработок, была поставлена задача провести исследование качества систем управления цветом бумаги в наиболее распространенных АСУТП фирм Honеywell (США) и Valmet (Финляндия) [1, 2].
Особенности и условия экспериментальных исследований
Основные характеристики исследуемых бумагоделательных машин представлены в таблице 1. На всех БДМ выпускают белую бумагу. Для формирования цвета готовой бумаги применяют красители и оптические отбеливатели [3].
Для получения информации о технологическом процессе использовались как измерители цвета бумаги, установленные на сканирующих устройствах, так и лабораторные приборы. Информация о координатах цвета бумаги бралась из баз данных серверов АСУТП, снятых с дискретностью 0.5 мин и из журналов цеховых лабораторий, где фиксировались результаты лабораторных анализов образцов с готовых тамбуров (дискретность съема данных примерно 40 мин).
Бахтин А.В., Слюта М.О.
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОМ БУМАГИ
Высшая школа технологии и энергетики. Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна Санкт-Петербург, Россия marina_slyuta@mail.ru
Цвет бумаги является одним из важнейших показателей качества бумаги. В настоящее время отсутствует информация по работоспособным системам управления цветом. Данное исследование содержит анализ информации по качеству управления цветом на различных бумагоделательных машинах по выпуску печатных видов бумаг. Методика исследований заключалась в формировании выборки числовых значений координат цвета в системе С1Е из архивов серверов АСУТП и лабораторий отделов качества на производстве. Анализ качества систем оперативного управления осуществлялся на основе рассчитанных гистограмм цветовых координат готовой бумаги. В статье приведены результаты статистической обработки данных об изменениях цветовых координат LJ а, Ь готовой бумаги, на основе которых видна корреляция дозировки химических реагентов на цвет бумажного полотна.
Ключевые слова: качество бумаги, регулирование цвета бумаги, система управления цветом бумаги, цветовые координаты, математическая модель, оптический отбеливатель, красители
Дата поступления - 15 сентября 2022 года Дата принятия - 14 ноября 2022 года
Таблица 1. Характеристики исследуемых бумагоделательных
машин
№№ Комбинат, № машины Скорость, ширина полотна, химикаты АСУТП, фирма, страна Измеритель цветности
11 ОАО Свето-горск, БДМ 4 900 м/мин; 8.4 м; красители: Levanyl Violet BBN, Blue BR-LF; отбеливатель Tinopal ABPZFL Domatic, Valmet, Финляндия GretagMacbeth
22 ОАО Котлас, БДМ 6 500 м/мин; 4,2 м; красители: Levanyl Violet BBN, Blue BR-LF; отбеливатель Belophor OBA TotalPlan, Honeywell, США Спектрофотометр ColorTouch
33 ОАО Сыктывкар, БДМ 5 800 ^900 м/мин; 8,4 м; краситель: Violet BBN Domatic XDi, Metso, Финляндия Система QMS Источник света CIE D65
44 АО Кондо-пога, БДМ 5 800^900 м/мин; 8.4 м; краситель: Blue BR-LF TotalPlan, Honeywell, США Спектрофотометр El
Регулирование цвета бумаги осуществлялось оперативным персоналом путем воздействия на расходы кра-
сителей и отбеливателей. Типичные тренды изменений координат цвета бумаги на рассматриваемых БДМ изображены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Отклонения цветовых координат бумаги на БДМ4 Светогорского ЦБК (длительность реализации 8 ч)
Анализ качества систем оперативного управления осуществлялся на основе рассчитанных гистограмм цветовых координат готовой бумаги. Методика исследований заключалась в следующем:
- из архивов серверов АСУТП и лабораторий формировались выборки числовых значений координат цвета в системе С1Е;
- для каждой выборки рассчитывались гистограммы по формуле:
f ^) = П-100
Л ' N
где Y - одна из рассматриваемых координат цвета; - частота попадания параметра цвета в 1-тый диапазон, %; п. - количество точек, попадающих в заданный 1 -тый диапазон; N - общее количество точек в выборке;
- для каждой координаты цвета определялись % выхода за нижнюю и верхнюю границы технологического регламента.
Рис. 2. Отклонения цветовых координат газетной бумаги на БДМ5 Кондопожского ЦБК (длительность реализации 39 ч)
Анализ результатов экспериментов
Результаты статистической обработки данных об изменениях цветовых координат готовой бумаги представлены в таблице 2. Анализ гистограмм и трендов показывает:
• требования технологических регламентов на разных БДМ, выпускающих один и тот же вид бумаги, различаются;
• разброс отклонений координат цвета готовой бумаги за границы регламентов на разных БДМ довольно значителен (до 49%);
каких-либо общих тенденций в оперативном
Таблица 2. Характеристики качества системы управления
цветом бумаги
№ п/п
Гистограммы цветовых координат готовой бумаги
Максимальное и минимальное отклонение от регламента, %
ОАО Светогорск, БДМ 4, бумага для офисной техники
% 50 - щ
40-
30-
20 - 13,1
10 _ щ
0.
3 3,2 3,4 3.6 3,8 а
L ^49,4%
а^ 13,1%
Ь ^ 29,8%
L ^1,3%
Ь ^ 1,8%
ОАО Котлас, БДМ 6, бумага для офисной техники
Ь ^ 7,8%
L ^8,3%
Ь ^ 3,8%
управлении цветом готовой бумаги не обнаруживается; например, на БДМ4 Светогорского ЦБК операторы предпочитают сдвиг цвета в сторону голубого (уменьшение
1
2
ОАО Сыктывкар, БДМ 5, газетная бумага
L ^11,9% L ^2,4%
5,5%
Ь ^ 4,2%
1,2%
Ь ^ 10,7%
АО Кондопога, БДМ 5, газетная бумага
L ^5,7%
5,2%
Ь ^ 2,1%
2,5%
Ь ^ 1,4%
полотна; время восстановления режима нормальной эксплуатации зависит от длительности обрыва и происходит не менее чем через 30 мин.
Причина отклонений цвета бумаги после обрыва в наличии оборотного брака, возвращаемого в массный бассейн. Брак содержит красители, которые увеличивают координату Ь (сдвигают в сторону голубого цвета) и вследствие этого уменьшается координата I (падает светлота).
Рассмотрим качественную картину влияния на белизну бумажного полотна химических реагентов, используемых в производстве бумаги.
Древесина содержит до 30% лигнина и других неволокнистых материалов, имеющих желтоватый оттенок. В процессе химической обработки древесины часть из них удаляется. Однако коэффициент отражения даже беленой целлюлозы в диапазоне коротких волн (400^500 нм) остается меньше,
чем в диапазоне длинных волн (500^700 нм). Поэтому готовая бумага выглядит желтой.
Восприятие человеком белизны характеризуется следующей особенностью, если два белых образца бумаги отличаются по голубизне, то более голубой смотрится белее, если они различаются по светлоте, то более белым выглядит тот, кто светлее.
Поэтому одним из способов повышения белизны бумаги является тонирование бумажной массы синими красителями.
Добавление красителя приводит к тому, что коэффициент отражения уменьшается, особенно в области, где красители поглощают свет.
Например, область поглощения фиолетово-синего красителя соответствует спектру 400^430 нм, а голубого красителя - 430^470 нм. В то же время красители снижают светлоту бумаги, т.е. уменьшают координату Ь.
Другой способ повышения белизны - обработка массы флуоресцентными оптическими отбеливателями. Эти бесцветные вещества поглощают энергию в ультрафиолетовой области спектра (320^400 нм) и испускают её в видимой фиолетово-синей области (450^500 нм) в виде флуоресцентного излучения. За счет этого происходит снижение желтизны и увеличение голубизны, т.е. уменьшается значение координаты Ь.
Рис. 3 иллюстрирует характер изменения коэф-
координаты (Ь) и уменьшение светлоты (Ь); на БДМ6 Котласского ЦБК наоборот - имеют место отклонения в сторону увеличения светлоты;
• изменения цветовых координат носят в основном нестационарный характер, причем диапазон высокочастотных отклонений значительно меньше низкочастотных;
• наиболее существенные изменения координат цвета бумаги наблюдаются после ликвидации обрывов
Рис. 3. Зависимости коэффициента отражения беленой целлюлозы от длины падающего света: 1 - естественное отражение, 2 - после тонирования красителем, 3 - после обработки флуоресцентным оптическим отбеливателем
3
4
фициента отражения беленой целлюлозы без подсветки, после тонирования красителем и после обработки флуоресцентным оптическим отбеливателем.
При производстве бумаги применяется большой класс разнообразных красителей и флуоресцентных оптических отбеливателей. Например, на бумагоделательной машине 4 «Светогорского ЦБК» в разное время использовались следующие виды флуоресцентных оптических отбеливателей:
Tinopal ABPZFL, Tinopal SPPZFN, Tinopal NP, Tinopal ASP фирмы Ciba;
Leukophor AS, Leukophor N, Leukophor SAC, фирмы Clariant.
Выводы
Естественно предположить, что параметры моделей влияния химических реагентов на цветовые координаты бумаги будут зависеть не только от вида химиката, но и от фирмы производителя. Таким образом, существуют большие проблемы в разработке универсальной математической модели для управления цветом. По-видимому, она должна создаваться для каждого конкретного объекта управления либо должна иметь возможность свойства адаптации к объекту.
Литература
1 Фирма Honeywell. 2019. [Электронный ресурс] https://vskd.ru/brands/honeywell/ (Дата обращения: 15.07.2022)
2. Valmet Automation Inc. DamaticXD, Paper quality: Paper machine controls, vol. 2. Tampere, Finland, 2019., 460 p.
3. Технология целлюлозно-бумажного производства. В 3 т. Т. II. Производство бумаги и картона. Ч. 1. Технология производства и обработки бумаги и картона. СПб.: Политехника, 2005. 423 с.
References
1. Honeywell Firm. 2019. [Electronic Resource] https:// vskd.ru/brands/honeywell/ (Accessed Date: 15.07.2022)
2. Valmet Automation Inc. DamaticXD, Paper quality: Paper machine controls, vol. 2. Tampere, Finland, 2019. 460 p.
3. Pulp and Paper Technology. In 3 t. T. II. Production of paper and cardboard. PART 1. Paper and paperboard manufacturing and processing technology. St. Petersburg: Polytechnic, 2005. 423 p.
Сведения об авторах
Бахтин Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент; Andrey V. Bakhtin, Ph.D. (Eng.), Associate Professor Слюта Марина Олеговна, аспирант, ассистент; Marina O. Slyuta, PhD student, assistant, marina_slyuta@mail.ru
