計測自動制御学会産業論文集
Vol.8, No.19, 141/144 (2009)

特集 ｢プロセス制御応用｣

製紙会社での計測制御に関する取組み
森

芳 立 *

Activity of the Measurement and Control Engineer in a Paper CompanyYoshitatsu Mori
Abstract− The process control is recognized as one of the important technical fields in the pulp and paperindustry. In this field, the following elements have been greatly expected as important themes: the automatedplant operations, the improvements of production efficiency, the production cost reductions, the quality improvements on the static operation periods, and so on. This paper exhibits several intelligent production control
trials in the pulp and paper mill. The topics consist of the themes from the most upstream of the production
scheduling problems on the mill management, through the midstream of the process control problems, to themost downstream of the logistics problems along the flow of the pulp and paper production processes.
Key Words: Process Control, Scheduling, Pulp and Paper Industry, Measurement and Control Engineer.

１ はじめに
紙パルプ産業においても｢計測制御｣は重要な技術分野の一つである．製紙工場の操業では，生産コストの低Plan for demandand supply

Management
Level
Supervisory Level（Process computer）

discontinuityModify

Production Schedule

Process Control Level(DCS，BM sensor … )Modify減，生産効率の向上，製品の品質向上，プラント運転のChange
Change自動化などが重要な課題となってくるが，これらの実現にContinuous Process

Upstream

Pulp Process

は多くの計測制御技術が使われている．

ChangeChange

Paper Process

また，このプラント運転において，定常操業時だけでは

FBcontrol

ModifyPower Plant

FBcontrol

DemandFBcontrol

ChangeChangeなく，製品変更や生産量変更などに伴って操業状態が不Down
stream安定となる操業切替え時の非定常操業時にも高い生産効率や即応性を維持していくことが求められており，ここFinishing Process

ModifyFBcontrol

Discontinuous Process

Production

では，製紙工場で取組んだインテリジェント生産技術の事
例について紹介する．

TimeFig.1: Flow of a pulp and paper production
を基に，｢生産計画｣が作られる．そして上流の「パルプ工２ 製紙会社の生産プロセス

程」から，次の「抄紙工程」へ，そして，下流の「仕上げ工

紙パルプの製造プロセスでは，固体状の原料である木材チップが，「パルプ工程」で薬液（苛性ソーダ）により蒸解されてパルプ懸濁液状の連続流体に形を変え，さらに水によって稀釈されたこの流体原料が次の「抄紙工程」で程」へと生産が進んでいく．
工場では｢生産計画｣に従って製品を切り替えて作っていくが，常に全体のバランスを取りながらスムーズに物が流れるよう各工程内での切り替え操作が行なわれてい抄紙機により抄上げられ乾燥されて，連続した固体状のく．また，工程間では必要に応じてフィードバックでの修正

薄い紙シートの巻取りに姿を変えていく．

操作も加えられていく．紙パルプ製造ではこの生産のル

この上流の「パルプ工程」，「抄紙工程」は連続プロセープを回しながら，さらに，このループを時間軸に沿ってスであるのに対して，一番下流にある「仕上げ工程」では，進転させて毎日の生産活動が続けられていく．

その前の「抄紙工程」で作られた大きな紙の巻取りロー
ルを小巻取りに分割したり，平判と呼ばれるシート状に断３ 切り替え操作について裁し，個別に包装して最終製品に仕上げていく．そのた

紙パルプ工場の生産設備の運転は，ＤＣＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕ-め最下流の「仕上げ工程」の物の流れは，組立産業のよｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ），そして，ＢＭ計と呼ばれる抄紙機

うに離散的で非連続な工程となり，上流の連続工程と取に特有な制御装置を使って行なわれていく．

扱い形態が大きく異なってくる特徴を持つ．

紙パルプ産業も他産業と同じく製品数は多く，必要なFig.1 に製紙会社の紙パルプ工場の生産に係わる大ま製品を必要な時に製造していくジャストインタイム的な生かな流れを示す．一番上の｢需給計画｣によって，紙の販産形態が志向されている．その場合，供給原料や複数の売動向（需要と供給）から翌月の生産量が決められ，それ運転条件をタイミング良く切り替えて，限られた生産設備* 王子製紙(株) 製紙技術研究所
Pulp and Paper Research Laboratory, Oji Paper Co., Ltd.
( Received March 25, 2009 )141

の中で効率良く多品種の製品を製造していくことができる， ートシステム機能も用いて，納期制約などを加味しながら，より良質な切り替え操作の機能が必要になってくる．

２００個程の抄造製品を１０台の抄紙機からなる日程計画

本報では，最上流の｢工場統括レベル｣に位置付けら表の中に配置，その後，パルプ生産量制約を満たすようれ，工場の管理部門で作成されていく「生産計画」の作成

製品の置き替え操作を行って生産計画を作成していく．

システム，そして，その下の｢部門管理レベル｣において，４．２ パルプ工程の運転計画作成「生産計画」に基づいて各工程の｢運転計画｣を作成する

これは前節の「生産計画システム」で作られた抄造計システム，そして，一番下の｢プロセス制御レベル｣におい画に基づいて，工場の自家発電電力（火力，水力），及び，て，各工程の「切り替え操作」を実際に実行していくシス

安価な夜間の購入電力と，既存の大容量のパルプ貯蔵テムでの取り組み事例について紹介する（Fig.1）．

槽をより効果的に運用していくことにより，総製造コストを最小とする効率的なパルプ製造設備の運転計画を作成

４ 生産計画を作成する問題する機能の開発である．

製紙工場の管理部門は本社の営業部門とも相談しな計画問題の最適化計算手法として，一般的に良く使わがら，毎月，毎週の「生産計画」を立てていく．「生産計れる「線形計画法（ＬＰ）」と，「ネットワーク計画法（ＮＷ）」

画」のコントロール対象は工場そのもので，目標は効率の「最小費用流問題」を使ってモデル化し，Fig.3 に示すよ的な操業，品質が安定する良質な計画の作成であり，同うな大規模スケジュールの最適化計算を試みた 2)．その時に工程間の連携も図って工場全体の生産効率を向上

結果，作成された運転スケジュールは，人間系の判断にさせ，収益性を最大にしていく計画作成が期待される．

よる操業に対し，総運転電力費の２〜３％程度のコスト削

そして，この「生産計画」に基づいて，「パルプ工程」，「抄減が見込めることが判った．僅かな比率低減ではあるが，紙工程」，「仕上げ工程」で実際の生産が行なわれていく

大規模プラントでのスケールメリットは大きい．尚，「ＮＷ」

が，間接部門である「動力工程」は生産に必要な電力，蒸による計画作成は「ＬＰ」と比較して，問題の定式化に若気などを過不足なく供給していかなければならない．

干の制限を受けるが，大規模な問題に対しても計算処理

４．１ 抄紙機の生産計画作成

速度が速く，同時に，コンピュータの小さなハード構成でこれは工場運営で最も重要な，抄紙機の生産切り替え実行可能という利点があることが判った．のタイミングを決めて指示していく｢月次生産計画｣と，「週Optimum
OptimumProduction
ProductionSchedule
Schedulecalculated
calculatedby
byNetwork
NetworkProgramming
Programming( (44DaysDays) )間計画（抄造実行計画）」を作成していく生産計画作成のたＰめの支援システムである．本システムでは，エキスパート

ＯＰＮ①：Thermal①：Thermalturbine
turbineElectricElectric②：Hydraulic②：Hydraulicturbine
turbineElectricElectric Optimum
Optimumoperation.
operation.
③：Purchased③：PurchasedElectricElectricTotal

システムとＣＡＤ機能を用いて，計画作成担当者の作業負荷を低減しながら，より良質の生産計画作成を Fig.2 に①（N, OP, P Band）（N, OP, P Band）③②・Pulp and Paper Industry is Energy intensive industry

示すような形で，半自動的に行なっていく 1)．製品間の抄⇒ About 2-3 % total Electric cost can reduce.
Electric power schedule

造順序に係わる制約条件をルールとして抽出，エキスパ

ＰＮ

Ｐ

ＯＰ

Ｎ

ＯＰ

Ｐ4(TMP)
Ｐ5(B-TMP)

Ｐ３(DIP)

Production
ProductionScheduling
SchedulingProcess
Process（Monthly,（Monthly,Weekly）
Weekly）
Ｐ2(GP)①：Shut Down period②：Product Group Scheduling③：Individual Scheduling

Ｐ１(KP)

Pulp production schedule

・Production demand．
・Combination of product．
・Delivery period．

・Delivery period.
・Production demand．
・Combination of product．

Cushion chest stock schedule

Fig.3: Operation scheduling for a pulp-mill・ Calculation check for Pulp Balance.

５ パルプ工程でのプロセス制御
これ以降の章では，作成された生産計画の指示に従っ④：Balancing Schedulingて，各工程において実際の切り替え操作を実行していく

・Pulp balance．
・Energy balance．
・Delivery period．
・Production demand．
・Combination of product．

ためのシステム開発の取組み事例について述べる．
尚，これらの機能はＤＣＳに上位計算機（プロセスコンピ

Fig.2: Monthly production schedulingューター，または，ＰＣ）を接続して実現している．
142

５．１ パルプ蒸解釜での制御

さらに，漂白反応は流入してくるパルプの白色度，漂白薬品の添加率，ｐＨ，原料温度，原料濃度，生産レートに伴パルプ工程において，連続蒸解釜の「蒸解度制御」と「材種の自動切り替え制御システム」の開発に取組んだ 3)． う原料の滞留時間の変化など，複数の変数が相互に複「蒸解度制御」は，高さが６０ｍ程あり，高温高圧下，６〜雑に影響し合う多入力多出力制御系である．そのためこ

８時間の長い滞留時間を持つクラフトパルプの連続蒸解

こでは，パルプ白色度をコントロールしていく｢白色度制釜に対して，Ｈファクター（蒸解温度と蒸解時間から計算され御｣機能にモデル予測制御（ＭＰＣ）の適用を試みた 4)．そる反応速度指標値）と蒸解薬液濃度（特殊センサーで測定）をの結果，主要漂白薬品の添加率の削減（約１０％），そし変数とする重回帰式形式の予測式を用いてパルプ原料て，最終パルプ白色度の安定化が確認できた．の蒸解状態を先行制御する機能の開発である．
KP ECF multi-stage Bleaching Process

また，この蒸解釜では生産品の必要性から，パルプ原料となる広葉樹と針葉樹のチップ材種を，日に２回程のＮａＯＨ高頻度で切り替えていく難易度の高い操業を行っている．

ＣlＯ２ＣlＯ２Ｈ２Ｏ２

その場合，時間と共に連続蒸解釜の多くの操作端を適切Brightness Sensor

pH meterに切り替えていく操作が必要になるが，「材種の自動変更制御システム」において，この非定常時の操作を自動・Total Retention time： 8〜6 Hr.
・Temp.：65〜70℃，Pulp Conc.：10 ％化する制御システムの開発に取組んだ（Fig.4）．

Fig.5: Pulp brightness control for bleaching process

Kraft Pulp Digester ( estimated inner state )６ 抄紙工程でのプロセス制御

Hard Wood

続く抄紙工程では，製品品種の「自動抄替え制御システム」，非干渉制御を用いた抄紙機ワイヤーパートでの「リテンション制御」の取組み事例について述べる．

６．１ 抄紙機の自動抄替え制御システム
Soft Wood｢自動抄替え制御システム｣は，製品切り替え（抄替え）の多い抄紙機において効率良く抄替えを実行する制御機

Fig.4: Kraft-pulp digester s cooking control能である 5)．この「抄替え制御機能」は紙の坪量制御（単位重さ），水分制御，含有灰分制御，そして抄速変更制御

５．２ 晒工程での白色度制御などの複合システムからなり，１０分間程度の短時間にクラフトパルプの連続蒸解釜からブローされるパルプは濃い茶褐色をしている．そのため，後ろに続く晒工程で，高白色度のパルプになるように漂白していくが，この晒工複数の操作端の変更操作を同期を取って行なっていく．
ここでは，抄紙機の運転制御を行なっているＢＭ計に外付けのＰＣシステムを接続して，より高効率で抄替えを実程においてパルプの「白色度制御」に取組んだ．

施できるシステムの開発に取組んだ．「抄替えシステム」

晒工程では Fig.5 の写真のような多段構成の漂白塔に二酸化塩素，苛性ソーダ，過酸化水素などの漂白薬品を順番に添加し，常圧下，７０℃程の高温条件下の反応で，Steam Temp.
air

パルプの漂白を行なっていく．晒工程には，パルプの白steam

steam
Free
rundryerdrum

Dryer Temp.

airsteamsteam

web movedirection

Canvas Temp.

色度をオンラインで計測していく光学式の特殊センサー，air

Air Temp.(Dry)

Web Temp.

Single canvas dryer

Air Temp.(Wet)

その他にｐＨ計などを設置している．また，漂白塔の容量

air

Dowble canvas dryer:paper web:canvas

Web Moistureは大きく，原料滞留時間は各塔約２時間，漂白工程全体:dryer drum

airsteamsteam

web movedirectionsteam

Steam Pressure

で合計８時間程の長時間となる．そのため，各漂白塔のdryerdrum

air:water removalfrom paperbLDrum

入口で漂白薬液を増添してから，白色度計でパルプ白色

air:paper web:canvas:dryer drum

L Free̲run

Paper machine : Iron Model for Dryer part

度の上昇効果が計測されるまでに長い時間遅れが伴う．

Fig.6: Dryer prediction control for the grade change

143

の中でも非線形な応答になるため特に難しいとされる｢紙した．多数の大径巻取りが発生する仕上げ工程の搬送の水分制御｣において，「アイロンモデル」と呼ぶ Fig.6 に設備において，複数台数のＡＧＶ（自動搬送台車）が使わ示すような伝熱乾燥モデルを考案し，湿紙の乾燥状態をれる仕上げ工程の搬送路を対象に，Fig.8 に示すようなペ高速で精度良くシミュレーションすることを可能にした．

トリネット手法を用いたシミュレーション 7) により複数の発また，これらの機能を利用して，乾燥ドライヤー設備の生地点から複数の目的地点に巻取りを運搬するＡＧＶ同抄替え時における蒸気圧力の予測制御，そして，原料流士の正面衝突や追突を回避しながら効率良く巻取りを搬量予測がより高精度で行なえるようになり，従来のＢＭ計送していくＡＧＶ搬送の知的な運行ルールを見出した．そ単独による機能と比較して約１９％の抄替え時間短縮をの結果，運行法の工夫により，従来の運行法と比べて搬実現するシステムが開発できた．

送能力で約３０％の向上が見込めること，そして，この搬６．２ 抄紙機でのリテンション制御

送路内を走行する適切なＡＧＶ台数も見出した．

最初に抄紙機ウェットパート（濾過工程）のワイヤー装置から濾過されていく，ごく低濃度の白水中に含まれるパTransportation Diagram for AGVs

Paper Roll Generation

ルプ濃度（約０.３％）と灰分濃度（約０.２％）を分離してオン

waiting TimeTime

ラインで測定する光学式の特殊センサーを導入した．

Branch Line

次に，この特殊センサー（低濃度センサー）を有効に活用

Circulation Line

Summarywaiting Timeするため，パルプ原料に，ごく僅かに加えられる歩留向上剤の添加率をコントロールすることによって抄紙機ウェAGV (Automated Guided Vehicle)
for Paper Roll transportation

ットパートの原料歩留り（リテンション）を安定化させ，製品
Fig.8: AGV transportation diagram

品質を向上させる｢リテンション制御｣に取組んだ．

of the finishing process

抄紙機ウェットパートの操作変数の中には，相互干渉により互いに強く影響しあう変数が多く，この取組みでは原８ まとめ料歩留りが低い抄造製品において，ＢＭ計の制御機能と紙パルプ生産工程の最上流に位置付けられている「生の相互干渉による激しいハンチング現象を引き起こしコ産計画」の作成問題から，製造工程の流れに沿って，「パントロールが不能となった．この対策として，Fig.7 に示す

ルプ工程」，「抄紙工程」，そして，最下流に位置する「仕ように非干渉制御を適用することにより，プロセスの状態上げ工程」までの紙パルプ生産工程全体に渡る操業切りを不安定にすることなく，ワイヤー濾過白水の濃度を安替えに対応するインテリジェント生産技術の取組み事例

定化する｢リテンション制御｣が実行できるようになった 6)．

について紹介した．

Operator

参考文献

Web Ash content
SV-value

Controller

WW conc.
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Quantity

Quality
Control+C2
Polymerdosage ratio

C1++-+

Decoupling
Controller
PIControl-+Ash control
Conc. sensor

Polymerdosage control
Conc sensor

Bentonite
StockpulpRetention Aid(polymer)

WW total conc.

Paper machine

Quality sensorAsh(filler)

Fig.7: Retention control systemutilized decoupling control

７ 仕上げ工程の物流問題
工場の最下流，仕上げ工程の非連続な物流搬送において発生した「ＡＧＶ巻取り搬送能力」問題について解析

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