尉澤民，吳波，張朋，張建超，呂龍

（山東中煙工業(yè)有限責任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250114）

煙絲生產(chǎn)過程中的本地風選器可以將絲團打開，長絲打短，煙沫分離，有效地柔性分離出葉絲中的結(jié)團物（絲團、水洗球等）、焦片及大部分梗簽，能夠提高葉絲的純凈度和混絲均勻性，為提高煙支的卷制質(zhì)量創(chuàng)造條件。本地柔性風選器在煙草行業(yè)多個工藝段得到了廣泛的應(yīng)用,但在制絲過程烘絲后的實際使用效果上褒貶不一。本地風選器安裝好后，廠家技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗對設(shè)備進行簡單調(diào)試，設(shè)備的狀態(tài)一般就固定下來。在日常生產(chǎn)中，操作工為了控制梗簽及其它雜物的剔除量，需要通過調(diào)整風管上的風門開度來控制風選風量。由于風門開度每批次都可能不一樣，無法對風門開度大小制定統(tǒng)一的標準，調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)有一定難度。針對本地風選器風管風門開度調(diào)節(jié)存在的問題，郭永等提出了一種葉絲多級風選系統(tǒng)，在一級風選器后增加二級風選器對來料葉絲進行精選，有效的將葉絲中的梗簽等雜物分離出來，提高剔梗簽的效率，但受設(shè)備安裝場地限制我廠還無法使用二級風選器。針對上述存在的現(xiàn)狀，提出了一種本地風選器風量自適應(yīng)控制的改進思路。通過研究煙絲流量、煙絲水分、除塵布袋通風能力等因素和風筒風量與變頻器頻率等各要素之間的關(guān)系，設(shè)計了本地風選器風量自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

1 存在的問題

濟南卷煙廠6000kg/h生產(chǎn)線生產(chǎn)的煙絲品牌有10余種，多個品牌之間工藝參數(shù)如煙絲流量、煙絲水分差別很大，生產(chǎn)過程中本地風選器風管上的風門開度需要根據(jù)煙絲流量、煙絲水分和除塵布袋通風能力等因素的變化按批次頻繁調(diào)節(jié)來保證梗簽和其它雜物的剔除量。操作工通常會將風門開度調(diào)節(jié)的盡可能大一些，以防止煙絲在此堵塞而造成更大的麻煩。這往往會導致梗簽及其它雜物的剔除量往往不盡人意，風選器的性能得不到最大限度的發(fā)揮，在細支煙卷制過程中出現(xiàn)了梗簽穿透卷煙紙等問題，因此設(shè)計一套本地風選器風量自適應(yīng)控制系統(tǒng)迫在眉睫。

2 改進方法

為了解決存在的問題，針對本地風選器的主要問題進行分析討論，設(shè)定了以下兩點設(shè)計目標：（1）本地風選器能夠根據(jù)煙絲流量、煙絲水分、除塵布袋通風能力等因素變化自動調(diào)節(jié)風機風量，穩(wěn)定地剔除梗簽及其他雜物，實現(xiàn)就地風選設(shè)備自動化、精細化控制功能；（2）能夠?qū)︼L管風壓、風機設(shè)定頻率和風機運行頻率等設(shè)備參數(shù)實現(xiàn)在線實時監(jiān)控。

2.1 系統(tǒng)組成

采用基于自適應(yīng)機制的風量調(diào)節(jié)控制算法對風選器的控制系統(tǒng)進行改進。改進后的本地風選器控制系統(tǒng)由以下五部分組成：控制部分、網(wǎng)絡(luò)通信部分、過程監(jiān)控部分、測量部分、執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求，該控制系統(tǒng)的控制模型如圖1所示。

圖1 本地風選器自適應(yīng)風量調(diào)節(jié)控制算法框圖

該控制系統(tǒng)中煙絲水分值及煙絲流量值經(jīng)水分儀及電子皮帶秤采集后，上傳到PLC中，數(shù)據(jù)在PLC中經(jīng)過處理計算，得出運行頻率值，下發(fā)到變頻器中實現(xiàn)變頻調(diào)速，而光電檢測傳感器時刻對物料運行情況進行檢測，反饋至PLC控制器。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 構(gòu)建數(shù)學模型

2.2.1.1 變頻器頻率數(shù)學模型

圖3

在變頻器頻率值計算中，需要根據(jù)一定的數(shù)學模型來確定計算結(jié)果，因此需要構(gòu)建合適的數(shù)學模型。為了分析煙絲流量、出口溫度、煙絲水分、變頻器頻率對雜物剔除率是否有顯著性影響，設(shè)計了部分因子試驗，進行關(guān)鍵因子篩選，選取了煙絲流量、出口溫度、煙絲水分、變頻器頻率的低水平和高水平如表1所示。

表1 因子水平設(shè)置

依據(jù)上述因子水平設(shè)計了1/2部分試驗，增加3次中心點試驗， 利用MINITAB軟件對試驗結(jié)果進行分析，考慮所有主效應(yīng)和二階交互效應(yīng)，分析結(jié)果如圖2a）、b）。

圖2

根據(jù)模型擬合結(jié)果，煙絲流量★出口溫度、煙絲流量★煙絲水分、煙絲流量★變頻器頻率的交互作用的影響不顯著，煙絲水分★變頻器頻率與煙絲流量★出口溫度混雜，出口溫度★變頻器與煙絲流量★煙絲水分混雜，出口溫度★煙絲水分與煙絲流量★煙絲水分混雜，說明這些交互作用均不顯著，主效應(yīng)出口溫度的影響也不顯著，應(yīng)去除不顯著項后重新擬合。逐步去除煙絲流量★出口溫度、煙絲流量★煙絲水分、煙絲流量★變頻器頻率、出口溫度項后，重新利用MINITAB進行擬合分析，最后結(jié)果如圖3a）、b）所示。

通過分析可以判定煙絲流量、煙絲水分、變頻器頻率對剔除率影響顯著，而出口溫度對剔除率的影響不顯著。通過對得到的實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，分析結(jié)果如圖4所示。

得到剔除率的回歸方程：

圖4 剔除率主效應(yīng)圖

式中，f為剔除率；x為煙絲流量；y為煙絲水分；z為變頻器頻率。

由于在一定范圍內(nèi),落絲量和剔除率成正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)實驗驗證,當落絲量大于5%易造成堵料,此時剔除率為最大值為45，此時變頻器頻率的數(shù)學模型為：

式中，x為煙絲流量；y為煙絲水分；z為變頻器頻率。

在實際生產(chǎn)過程中，煙絲流量是固定值，煙絲水分是微調(diào)值，因此將變頻器頻率解分為基本頻率和調(diào)節(jié)頻率。基本頻率的計算以煙絲流量作為依據(jù)，調(diào)節(jié)頻率由HXD出口水分儀計算出來。通過實驗發(fā)現(xiàn)風機變頻器頻率不能低于32Hz，否則容易造成堵料，由于我國供電標準的限制，最大為50Hz，根據(jù)回歸分析得到的回歸方程，并通過進一步試驗優(yōu)化，確定變頻器頻率的數(shù)學模型為：

式中，z1為基本頻率。

式中，z2為調(diào)節(jié)頻率。

2.2.1.2 負壓補償值數(shù)學模型

通過實時檢測風筒負壓值，負壓值傳送到PLC控制器后需要對傳入的數(shù)據(jù)進行處理，以便于后續(xù)使用，在風筒負壓值的采集過程中，負壓值會發(fā)生突變，因此需要對采集到的負壓值進行均值計算后再進行頻率值計算，在得到穩(wěn)定的負壓數(shù)據(jù)之后根據(jù)負壓補償計算公式：

式中，u為負壓補償值；v為負壓平均值。

2.2.2 監(jiān)控界面設(shè)計

為了能夠?qū)︼L管風壓、風機設(shè)定頻率和風機運行頻率等設(shè)備參數(shù)實現(xiàn)在線實時監(jiān)控，進行了監(jiān)控界面的設(shè)計，由于控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動控制，所以基本無需人工操作，但是為防止意外情況的發(fā)生，在系統(tǒng)中增加兩處人工操作，一是可以對基礎(chǔ)頻率進行修改，二是在緊急情況下可以實現(xiàn)強制50Hz運行。在保存原有水分、流量、堵料檢測等運行監(jiān)控數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加生絲秤及主秤累積量顯示功能。為顯示各部分頻率值的計算過程，增加基礎(chǔ)頻率計算、堵料提速、水分提速等功能，同時屏蔽設(shè)定頻率的輸入功能，只做最后頻率值顯示使用，本地風選器風量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖5。

圖5 本地風選器風量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3 效果驗證

系統(tǒng)設(shè)計完成，經(jīng)過一段時間的運行之后，對整個系統(tǒng)的性能進行了測試，本系統(tǒng)的主要目標是提高六千風選器的運行效率，提高梗簽剔除率。如圖6純凈度的箱線圖所示，可以明顯的看出系統(tǒng)運行之后，梗簽剔除率有明顯的上升，基本穩(wěn)定在0.05%左右，達到了很好的剔除效果。同時通過質(zhì)檢人員對系統(tǒng)投入運行后的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)投入使用之后，煙絲部分質(zhì)量指標又有了一定的提升，特別是煙絲的整絲率、純凈度和碎絲率，都有不同程度的提高或降低，提高了葉絲風選后的質(zhì)量。

圖6 純凈度箱線圖

4 結(jié)語

通過設(shè)計本地風選器風量自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了就地風選設(shè)備自動化、精細化控制功能，能對不同種類和不同流量的煙絲實現(xiàn)風量自動調(diào)節(jié)；實現(xiàn)了風管風壓、風機設(shè)定頻率和風機運行頻率等設(shè)備參數(shù)的在線實時監(jiān)控；最大限度的發(fā)揮就地風選設(shè)備的梗簽和其它雜物的剔除能力，對提高煙絲的純凈度、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、減輕卷接除雜設(shè)備的壓力和增加企業(yè)效益具有積極意義。