劉俊峰

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉制造中心，鄭州450016）

滾筒式葉片松散回潮機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)

劉俊峰

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉制造中心，鄭州450016）

WQ3318Y406型滾筒式葉片松散回潮機(jī)在使用過(guò)程中，回潮后葉片含水率及滾筒后室循環(huán)風(fēng)的風(fēng)溫大幅波動(dòng)，滾筒內(nèi)蒸汽從出料口大量溢出。改進(jìn)松散回潮控制系統(tǒng)，調(diào)整電氣元件位置，優(yōu)化PID參數(shù)，改進(jìn)效果良好。

卷煙制造；滾筒式葉片松散回潮機(jī)；循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫；增濕；PID控制；改進(jìn)

0 前言

滾筒式葉片松散回潮機(jī)用于卷煙廠制絲線(xiàn)的葉片預(yù)處理段，主要用來(lái)增加片煙的含水率和溫度，提高片煙的耐加工性等。昆船公司生產(chǎn)的WQ3318Y406型滾筒式葉片松散回潮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)WQ3318Y406），控制系統(tǒng)是采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的西門(mén)子S7-400 PLC。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，回潮后葉片含水率及循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫波動(dòng)大，穩(wěn)定性差，滾筒內(nèi)蒸汽從滾筒出料口大量溢出。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，增加新的PID［1］控制，對(duì)其系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)和出口水分控制模式進(jìn)行了改進(jìn)，旨在提高設(shè)備的在線(xiàn)加工精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 存在問(wèn)題

1.1 WQ3318Y406循環(huán)熱風(fēng)系統(tǒng)

系統(tǒng)工藝流程：外部新鮮空氣在風(fēng)機(jī)作用下，經(jīng)冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)進(jìn)入熱風(fēng)循環(huán)管道，由滾筒進(jìn)料端口被送入滾筒內(nèi)部；與此同時(shí)，高溫高壓的飽和蒸汽通過(guò)氣動(dòng)薄膜閥，也從滾筒進(jìn)料端口進(jìn)入滾筒內(nèi)部，二者混合，形成濕熱空氣，對(duì)物料進(jìn)行增溫增濕；熱交換后的空氣，經(jīng)旋轉(zhuǎn)式篩網(wǎng)過(guò)濾，通過(guò)熱風(fēng)管道進(jìn)入空氣加熱器重新加熱，進(jìn)行循環(huán)利用。熱風(fēng)系統(tǒng)的控制是通過(guò)調(diào)用SIMATIC STEP 7軟件中的PID模塊FB41來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中后室熱風(fēng)管道上溫度變送器的檢測(cè)風(fēng)溫，做為PID模塊PV接口的輸入值，生產(chǎn)需要的工藝風(fēng)溫做為SP接口的輸入值，PID模塊的輸出值做為冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)開(kāi)度的設(shè)定值，風(fēng)門(mén)由其電動(dòng)角執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)通過(guò)改變冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，調(diào)整進(jìn)入循環(huán)熱風(fēng)管道的冷風(fēng)風(fēng)量，達(dá)到溫度變送器的檢測(cè)風(fēng)溫穩(wěn)定的目的。

圖1 改進(jìn)前循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫控制原理

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，上述控制模式存在一些問(wèn)題：①循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，抗干擾能力弱。在原設(shè)計(jì)控制模式下，循環(huán)熱風(fēng)回路中、帶電氣定位器的氣動(dòng)薄膜閥1的開(kāi)度為經(jīng)驗(yàn)值，且固定不變，生產(chǎn)過(guò)程中，外界蒸汽壓力的變化，引起循環(huán)熱風(fēng)風(fēng)溫頻繁大幅波動(dòng)；②PID閉環(huán)控制的反饋信號(hào)選取不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)滯后。原控制模式下，選取后室熱風(fēng)管道上的溫度變送器檢測(cè)到的熱風(fēng)風(fēng)溫，作為PID閉環(huán)控制的反饋輸入信號(hào)。生產(chǎn)過(guò)程中，由于空氣加熱器位于反饋信號(hào)采集點(diǎn)的后方，其作用不大，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制；③PID閉環(huán)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選取不當(dāng)，即以角執(zhí)行器調(diào)節(jié)為主、氣動(dòng)薄膜閥調(diào)節(jié)為輔的方法不利熱風(fēng)溫度的穩(wěn)定。在原控制方式（圖1）中，選取后室熱風(fēng)管道上的溫度變送器的檢測(cè)風(fēng)溫作為PV值，以PID閉環(huán)控制模塊的輸出，控制冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)的實(shí)時(shí)開(kāi)、關(guān)，達(dá)到穩(wěn)定循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫的目的。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于風(fēng)門(mén)角執(zhí)行器具有一定的機(jī)械反應(yīng)滯后，風(fēng)門(mén)開(kāi)度無(wú)法快速達(dá)到設(shè)定值，最終導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)整滯后，在線(xiàn)控制精度較低?；爻睓C(jī)溫度歷史趨勢(shì)圖如圖2所示。1.2WQ3318Y406增濕系統(tǒng)

圖2 改進(jìn)前批次間曲線(xiàn)趨勢(shì)

圖3 改進(jìn)前批次內(nèi)回潮后葉片水分趨勢(shì)圖

葉片增濕系統(tǒng)包含兩套相同的增濕裝置，分別位于滾筒內(nèi)前室和后室。增濕裝置包括增濕水電磁流量計(jì)，增濕水、增濕汽氣動(dòng)薄膜閥，汽水混合噴嘴等，其中增濕水氣動(dòng)薄膜閥具備電氣定位功能，與增濕水電磁流量計(jì)相同，都具有PA網(wǎng)絡(luò)通訊接口。增濕過(guò)程：高溫高壓的蒸汽和滿(mǎn)足一定壓力的軟化水在汽水混合噴嘴里混合后呈霧狀噴出，對(duì)葉片進(jìn)行增濕。葉片的增濕控制同樣是通過(guò)調(diào)用SIMATIC STEP 7軟件中的PID模塊FB41來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制原理：一定質(zhì)量的葉片，其在增濕前后，固有質(zhì)量保持不變。系統(tǒng)利用來(lái)料葉片的水分值、電子皮帶秤的瞬時(shí)流量和回潮后葉片水分的設(shè)定值，計(jì)算出回潮后葉片達(dá)到設(shè)定水分值需增加的瞬時(shí)水量（單位是kg/h），并做為PID模塊SP接口的輸入值；增濕水電磁流量計(jì)檢測(cè)到的實(shí)際值做為PID模塊PV接口的輸入值；PID模塊的輸出值做為前室增濕水氣動(dòng)薄膜閥的瞬時(shí)開(kāi)度，通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)薄膜閥的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)整增濕水的瞬時(shí)流量，實(shí)現(xiàn)葉片增濕的精確控制。

這種增濕控制存在以下不足：增濕水全部經(jīng)由前室增濕管路加入的模式不利于葉片水分的精確控制。在原控制模式下，后室增濕水管路沒(méi)有啟用，后室補(bǔ)充的水量與前室需加入的水量疊加在一起，全部經(jīng)前室增濕水管路同時(shí)加入到滾筒內(nèi)。當(dāng)來(lái)料葉片的水分出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，需瞬時(shí)補(bǔ)充的增濕水水量同時(shí)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的增濕水補(bǔ)給，致使回潮后的葉片水分不能滿(mǎn)足工藝要求，在線(xiàn)控制精度低?；爻焙笕~片水分趨勢(shì)如圖3所示，PV值振幅波動(dòng)大，呈不規(guī)則波浪形。

2 改進(jìn)方法

2.1 循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫控制的改進(jìn)［2］

（1）增強(qiáng)熱風(fēng)溫度檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。改取前室熱風(fēng)管道上的溫度傳感器的檢測(cè)風(fēng)溫度作為熱風(fēng)溫度PID模塊的反饋輸入，參與熱風(fēng)溫度PID閉環(huán)控制。

（2）對(duì)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件進(jìn)行升級(jí)換代。采用性能更加優(yōu)異的SAMSON 3730-4型電氣定位器替代原來(lái)的SAMSON 3785型電氣定位器，以提高系統(tǒng)指令執(zhí)行的速度及精度。

（3）如圖4所示，增濕控制以氣動(dòng)薄膜閥調(diào)節(jié)為主，冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)為輔。PID模塊的輸出驅(qū)動(dòng)元件，更改為帶電氣定位功能的氣動(dòng)薄膜閥；生產(chǎn)過(guò)程中，冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)的開(kāi)度賦以經(jīng)驗(yàn)值，固定不變。

圖4 改進(jìn)后循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫控制原理圖

（4）依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，重新優(yōu)化熱風(fēng)控制的P、I、D參數(shù)，保證系統(tǒng)響應(yīng)更加快速、穩(wěn)定和準(zhǔn)確，PID參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖5。

圖5 PID參數(shù)設(shè)置

（5）優(yōu)化冷熱風(fēng)混合風(fēng)門(mén)開(kāi)度的設(shè)定值及前室熱風(fēng)溫度設(shè)定值SP。修改操作畫(huà)面，方便上位中控系統(tǒng)操作（圖6）。

2.2 增濕控制的改進(jìn)

（1）通過(guò)改進(jìn)電子皮帶秤入口處、喂料提升帶的邏輯控制，穩(wěn)定物料流量。原控制方案：根據(jù)松散滾筒入口電子皮帶秤的瞬時(shí)流量決定喂料提升帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電子皮帶秤上的來(lái)料瞬時(shí)流量增大時(shí)，提高喂料提升帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速；反之，降低喂料提升帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速。改進(jìn)后的控制方案：首先，若喂料機(jī)定量管的低料位光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物料，則變頻器以40 Hz頻率驅(qū)動(dòng)喂料提升帶電機(jī)，使之快速運(yùn)轉(zhuǎn)；反之，變頻器輸出50 Hz頻率，驅(qū)動(dòng)喂料提升電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)一定時(shí)間確認(rèn)，若仍無(wú)來(lái)料信號(hào)，則喂料提升電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；其次，若喂料機(jī)定量管的高、中、低料位光電開(kāi)關(guān)全部檢測(cè)到物料，則經(jīng)5 s延時(shí)后，變頻器停止輸出，喂料提升電機(jī)停止運(yùn)行，防止喂料機(jī)定量管發(fā)生堵料。

圖6 參數(shù)設(shè)置

（2）改進(jìn)增濕模式。啟用后室增濕裝置，以前室增濕為主、后室增濕為輔的模式進(jìn)行增濕控制。工作原理：以回潮后葉片水分的實(shí)際值做為后室增濕PID模塊的PV接口輸入值，回潮后葉片水分的工藝值做為后室增濕水PID模塊的SP接口輸入值，后室增濕PID模塊的輸出做為后室增濕水氣動(dòng)薄膜閥的開(kāi)度控制值，若某一階段的回潮后葉片水分偏大，PID模塊輸出值降低，后室增濕水氣動(dòng)薄膜閥開(kāi)度快速減小；相反，若某一階段的回潮后葉片水分偏小，PID模塊輸出值增大，后室增濕水氣動(dòng)薄膜閥開(kāi)度快速增大。

（3）為保持回潮后葉片水分的過(guò)程穩(wěn)定性，提高在線(xiàn)加工精度，減小出口水分頻繁波動(dòng)對(duì)控制造成的影響，對(duì)PID模塊PV端口輸入值進(jìn)行優(yōu)化。方法是將回潮后煙葉水分的實(shí)際值依次壓入堆棧［3］，根據(jù)先進(jìn)先出的原則，取出棧后若干個(gè)水分值的平均值作為PV端口的輸入。

（4）根據(jù)回潮后葉片水分的在線(xiàn)控制狀況，對(duì)后室增濕PID模塊的P、I、D參數(shù)重新調(diào)整。

3 改進(jìn)效果

WQ3318Y406型滾筒式葉片松散回潮機(jī)增濕控制改進(jìn)后，效果明顯。中央控制室電腦記錄顯示（圖7）：回潮后葉片水分穩(wěn)定性和在線(xiàn)加工精度均得到提高，改進(jìn)前過(guò)程控制能力指數(shù)CPK≤1.0，改進(jìn)后CPK≥1.33，月度范圍內(nèi)，CPK≥1.33的批次數(shù)占總生產(chǎn)批次數(shù)的百分比由30%提高到80%。

通過(guò)循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫控制改進(jìn)，消除了由執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在機(jī)械滯后而帶來(lái)的影響，降低了蒸汽壓力波動(dòng)對(duì)溫度穩(wěn)定性的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，避免了滾筒出料口大量蒸汽外溢，使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)更加和諧、美觀，減少了能量消耗，熱風(fēng)溫度的過(guò)程控制能力指數(shù)CPK由1.34提高到2.0，月度范圍內(nèi)，CPK≥1.33的批次數(shù)占總生產(chǎn)批次數(shù)的百分比由70%提高到90%以上（圖8）。

圖7 改進(jìn)后批次內(nèi)滾筒出口葉片水分曲線(xiàn)趨勢(shì)

圖8 改進(jìn)后批次間循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫度曲線(xiàn)趨勢(shì)

［1］王偉等.PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26（3）.

［2］孫紹波.制絲線(xiàn)潤(rùn)葉機(jī)熱風(fēng)溫度控制方式的改進(jìn)［J］.煙草科技，2008，（1）：19-22.

［3］廖常初.S7-300/400應(yīng)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.24