熊宇聰

(大連理工大學(xué),遼寧 大連116024)

0 引言

常德卷煙廠2009年投產(chǎn)的6 000 kg/h芙蓉王制絲線,不僅采用了國(guó)際先進(jìn)技術(shù),如PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)、企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、等級(jí)庫物流管理調(diào)度系統(tǒng)(TIMMS)等,而且很多關(guān)鍵工序采用了先進(jìn)的新型設(shè)備,烘絲機(jī)就是其中之一。烘絲機(jī)出口煙絲水分是制絲線一個(gè)非常重要的工藝指標(biāo),烘絲機(jī)筒溫是影響該指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)。

1 系統(tǒng)分析

目前烘絲機(jī)筒溫以檢測(cè)烘絲機(jī)筒璧蒸汽和煙絲熱交換后的回水溫度為準(zhǔn)。而眾所周知,回水檢測(cè)處的壓力根據(jù)疏水情況在實(shí)時(shí)變化。大多數(shù)時(shí)候,疏水情況很正常,回水檢測(cè)處的壓力會(huì)基本一致,此時(shí)檢測(cè)出來的回水溫度數(shù)據(jù)能真實(shí)地反映筒體溫度及其熱交換能力。但是,當(dāng)季節(jié)變化或日溫差較大時(shí),主蒸汽管路的含水率升高,疏水情況會(huì)有很大變化,從而影響回水檢測(cè)處的壓力。不同的回水壓力下檢測(cè)的回水溫度數(shù)據(jù)并不能真實(shí)地反映筒體溫度及其熱交換能力,這樣就會(huì)使筒溫采集失真,導(dǎo)致烘絲機(jī)出口煙絲時(shí)干時(shí)濕,對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)造成了一定的隱患。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有烘絲機(jī)在回水處壓力變化時(shí)易出現(xiàn)筒溫采集失真的問題,本設(shè)計(jì)提供了一種可保持回水處壓力恒定,有效提高回水溫度數(shù)據(jù)反映筒體溫度及其熱交換能力的真實(shí)度的煙草制絲線烘絲機(jī)的筒溫檢測(cè)穩(wěn)定系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 煙草烘絲機(jī)筒溫檢測(cè)穩(wěn)定系統(tǒng)示意圖

在圖1中,蒸汽通過氣動(dòng)薄膜閥1進(jìn)入烘絲筒3對(duì)煙絲進(jìn)行烘制后,經(jīng)兩條排水回路排出。相比于傳統(tǒng)煙草烘絲機(jī)筒溫檢測(cè)系統(tǒng)(圖2),系統(tǒng)內(nèi)增加了蒸汽流量計(jì)、壓力傳感器、氣動(dòng)薄膜閥、排水回路,通過控制系統(tǒng)的檢測(cè)與控制,實(shí)現(xiàn)桶內(nèi)溫度的穩(wěn)定控制,避免煙絲出現(xiàn)“夏天烘不濕、冬天烘不干”的現(xiàn)象。

圖2 傳統(tǒng)煙草烘絲機(jī)筒溫檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 電氣設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)在工廠車間全部采用Siemens系統(tǒng)與ProfiNet工業(yè)總線結(jié)構(gòu),為了便于維護(hù)和系統(tǒng)融合,控制系統(tǒng)選用Siemens S7 300系列可編程邏輯控制器。

控制器集成PN/PG接口,處理速度快,效率高,蒸汽流量計(jì)、溫度傳感器、和壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集選用S7 SM 331模擬量輸入模塊,采集精度達(dá)到12bit;選用SM332模塊作為入口和出口氣動(dòng)薄膜閥的控制模塊。電氣系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 電氣系統(tǒng)框圖

3 控制算法設(shè)計(jì)

3.1 自適應(yīng)控制分析

本系統(tǒng)共有入口蒸汽流量Q1、出口蒸汽流量Q2兩個(gè)控制參數(shù),通過調(diào)整Q1的值控制整個(gè)系統(tǒng)的蒸汽用量及出口溫度T,可以盡可能降低能耗;綜合調(diào)整Q1、Q2的值可以控制出口壓力P。根據(jù)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)維持P與T的值穩(wěn)定,即可達(dá)到烘絲機(jī)筒溫T筒恒定的目的。

基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況分析,入口蒸汽流量Q1主要根據(jù)產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)整,因此系統(tǒng)主要可控制參數(shù)為出口蒸汽流量Q2。實(shí)踐證明,實(shí)時(shí)調(diào)整Q2可維持出口壓力P穩(wěn)定,實(shí)時(shí)調(diào)整Q1可控制出口溫度T,從而保證烘絲機(jī)筒溫恒定,避免“夏天烘不濕,冬天烘不干”現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 出口蒸汽流量控制模糊系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)出口蒸汽流量Q2的自適應(yīng)調(diào)整具有非線性、時(shí)變性強(qiáng)的特點(diǎn),很難建立精確的數(shù)學(xué)模型,所以PID控制無法滿足其控制要求。而模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用條件語句構(gòu)成控制規(guī)則來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,不需要建立數(shù)學(xué)模型,便于模擬人工控制。出口蒸汽流量Q2模糊控制系統(tǒng)控制器框圖如圖4所示。

圖4 出口流量Q2(氣動(dòng)薄膜閥)模糊控制系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖

選擇出口壓力P的偏差e及偏差率ec為模糊控制器的輸入變量,出口氣動(dòng)薄膜閥控制量的變化量u為輸出變量,相應(yīng)的模糊集為E、EC及U。該系統(tǒng)是典型的雙輸入單輸出二維模糊控制器。對(duì)E、EC及U模糊集及論域定義如下:

誤差e的基本論域?yàn)閇－100,100],選定E的論域?yàn)閄＝{－6,－5,－4,－3,－2,－1,－0,＋0,＋1,＋2,＋3,＋4,＋5,＋6}。為誤差e的語言變量E選擇8個(gè)語言值:NL、NM、NS、N0、P0、PS、PM、PL,據(jù)此建立語言變量 E 的對(duì)應(yīng)隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 模糊集E的隸屬度函數(shù)

偏差變化率EC和控制決策U的論域、語言值定義與偏差相關(guān)參數(shù)定義相似,其隸屬度函數(shù)如圖6、圖7所示。

圖6 模糊集EC的隸屬度函數(shù)

圖7 模糊集U的隸屬度函數(shù)

3.3 推理規(guī)則設(shè)計(jì)

試驗(yàn)表明,出口實(shí)時(shí)壓力受蒸汽入口流量影響較大,為節(jié)省蒸汽量,在出口實(shí)時(shí)壓力低于設(shè)定出口壓力較多時(shí),出口氣動(dòng)薄膜閥應(yīng)快速調(diào)整,以避免入口氣動(dòng)薄膜閥迅速加大。因此當(dāng)偏差E為NL時(shí),即實(shí)時(shí)出口壓力低于設(shè)定出口壓力時(shí),輸出U應(yīng)適當(dāng)增大;當(dāng)偏差E為PL時(shí),即實(shí)時(shí)出口壓力高于設(shè)定出口壓力時(shí),輸出U應(yīng)適當(dāng)減小。綜合理論與實(shí)際生產(chǎn)情況,對(duì)煙草烘絲機(jī)筒溫穩(wěn)定系統(tǒng)出口氣動(dòng)薄膜閥控制進(jìn)行如下推理規(guī)則的建立:

1)If E＝NL and EC＝NL then U＝PL;

...............

56)If E＝PL and EC＝PL then U＝NL;

總結(jié)以上語言推理規(guī)則,構(gòu)成模糊控制狀態(tài)表,如表1所示。

表1 模糊狀態(tài)控制表

為方便算法在PLC內(nèi)設(shè)計(jì),經(jīng)過大量計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可將上述規(guī)則合成為表2所示的總控制表,并將該表存入PLC的CPU模塊中,應(yīng)用時(shí)只需查詢此表即可馬上得出所需要的控制量u。

表2 模糊集U?隸屬函數(shù)賦值——模糊控制表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本模糊控制系統(tǒng)在常德卷煙廠制絲線烘絲機(jī)生產(chǎn)中試驗(yàn),結(jié)果表明烘絲機(jī)筒溫更加穩(wěn)定,避免了“夏天烘不濕,冬天烘不干”現(xiàn)象,試驗(yàn)得煙絲平均含水率曲線如圖8所示。

5 結(jié)論

圖8 傳統(tǒng)(虛線)及新型筒溫穩(wěn)定系統(tǒng)煙絲平均含水率對(duì)比曲線

模糊控制系統(tǒng)利用其靈活的推理機(jī)構(gòu),結(jié)合新型的煙草制絲線烘絲機(jī)筒溫控制硬件,在常德卷煙廠制絲車間得到了很好的驗(yàn)證與利用。該系統(tǒng)即節(jié)省了系統(tǒng)蒸汽用量,并大大提高了烘絲機(jī)筒溫的控制精度,保證了煙絲生產(chǎn)的品質(zhì)。

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