曹家升，翟讓，姚慶豐，王海明，吳龍元，朱虹梅

（廣東中煙工業(yè)有限責任公司湛江卷煙廠，廣東 湛江 524033）

烘絲機作為煙草制絲生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要工藝任務(wù)是將切絲后葉絲烘干到符合工藝要求的含水率，其控制精度直接關(guān)系到成品煙絲的含水率、溫度和填充值。滾筒式薄板烘絲機的工作包括預(yù)熱、啟動、生產(chǎn)、倒料、冷卻、停機等六種狀態(tài)，其對煙絲的烘干主要是通過薄板溫度和熱風溫度來實現(xiàn)。在恒定熱風溫度、熱風風速，只通過調(diào)節(jié)薄板溫度來實現(xiàn)出口含水率控制的系統(tǒng)，其影響主要在生產(chǎn)啟動階段和正常生產(chǎn)階段。烘絲機生產(chǎn)啟動階段對煙絲含水率的控制采用入口含水率前饋控制，而正常生產(chǎn)階段則同時采用入口含水率前饋和出口含水率PID閉環(huán)反饋相結(jié)合的控制模式。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單且可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中，但是這種控制方式存在一定的滯后，致使烘絲機出口煙絲的含水率波動較大，控制效果不太理想。為此，一些科研人員對該過程的控制方法進行改進，嘗試采用模糊控制、人工智能控制、MFA控制等先進控制手段以提高出口煙絲含水率穩(wěn)定性，但由于其存在編程方法復(fù)雜，可維護性差，對烘絲機出口煙絲含水率穩(wěn)定性的提高效果不明顯等缺點，PID閉環(huán)控制系統(tǒng)依然是當前烘絲機設(shè)備使用的主要控制方法。為此，通過對現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在不足進行分析，在原有混合控制模式上對一些關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化及改進，旨在解決烘絲機控制系統(tǒng)對出口煙絲含水率控制存在波動較大、出口含水率標準偏差高的問題。

1 存在問題

滾筒式薄板烘絲機工作模式按照工藝氣流的流向分為順流式和逆流式2種，2種類型的烘絲機對煙絲含水率的控制原理基本相同。以順流式烘絲機為例，在生產(chǎn)前首先要對烘絲機進行預(yù)熱，將烘絲機的筒壁和熱風系統(tǒng)加熱到預(yù)設(shè)溫度。生產(chǎn)時，恒定流量的煙絲流入到烘絲機滾筒中，蒸汽經(jīng)管路系統(tǒng)進入到烘絲筒內(nèi)的薄板夾層中，通過熱傳導(dǎo)的方式不斷地給流入的煙絲加熱，同時工藝熱風氣流從前室和后室分別進入滾筒內(nèi)，前室風量占70%，而后室風量占30%，因此定義為順流式。熱風通過對流的方式與煙絲產(chǎn)生熱交換，把煙絲中蒸發(fā)出的水蒸氣從后室排潮帶走。烘絲機在對煙絲烘干過程中，外部變量中的入口煙絲流量可通過恒流型電子皮帶秤控制，以實現(xiàn)流量穩(wěn)定；滾筒轉(zhuǎn)速、熱風溫度、熱風風速等可通過設(shè)置參數(shù)固定；環(huán)境溫濕度在短時間內(nèi)波動不大，對烘絲出口煙絲含水率的影響輕微；只是來料煙絲的含水率難以控制，其過程波動對出口含水率影響較大。在出口含水率只通過薄板溫度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，薄板溫度的調(diào)節(jié)受實時入口煙絲含水率和出口煙絲含水率的共同影響，期間存在較大的滯后性，導(dǎo)致煙絲出口含水率過程控制波動較大，正常生產(chǎn)烘絲出口含水率標準偏差（SD值）基本維持在0.073%～0.101%之間波動，個別批次標準偏差甚至有突破控制指標0.17%的情況。

2 改進方法

滾筒式薄板烘絲機的控制系統(tǒng)是按照煙絲的脫水量與薄板溫度呈線性關(guān)系設(shè)計的，烘絲機系統(tǒng)控制就是通過不斷調(diào)節(jié)內(nèi)部變量來適應(yīng)外部變量的變化，從而實現(xiàn)出口煙絲含水率的控制，為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，烘絲機在工作過程中通常只調(diào)節(jié)一個內(nèi)部變量，其余變量不變。目前在滾筒烘絲機控制系統(tǒng)中，主要通過調(diào)節(jié)滾筒的筒壁壓力來實現(xiàn)對出口煙絲含水率的控制。調(diào)節(jié)滾筒的筒壁壓力即調(diào)節(jié)進入薄板蒸汽的壓力，在以薄板溫度為調(diào)節(jié)變量的系統(tǒng)中，薄板溫度由進薄板蒸汽壓力決定，控制流程見圖1。

圖1 烘絲機薄板溫度控制示意圖

由圖1可知，筒壁壓力會對應(yīng)飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系轉(zhuǎn)換為溫度，這一轉(zhuǎn)換溫度就是薄板的實際溫度。筒壁壓力的控制是一個基礎(chǔ)PID模型，控制實現(xiàn)比較簡單，系統(tǒng)控制中薄板溫度的設(shè)定值是一個由入口含水率、溫度平臺設(shè)置值和出口含水率偏量的PID反饋值三者相加所得的隨動值，薄板溫度作為烘絲機的唯一調(diào)節(jié)變量，其跟隨薄板溫度設(shè)定值的變化而變化，薄板溫度設(shè)定值波動幅度越大穩(wěn)定性越差，因此，研究薄板溫度設(shè)定值變化規(guī)律是保證烘絲出口含水率控制穩(wěn)定的前提。薄板溫度設(shè)定值具體組成計算如下：

式中，T為薄板溫度設(shè)定值，℃；R為脫水量，kg；A為干燥系數(shù)設(shè)定值，常數(shù)；B為溫度平臺設(shè)定值，常數(shù)；D為出口含水率偏量補償溫，℃。

薄板溫度設(shè)定值中R/A與來料含水率有關(guān)，B為根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置的定值，D與出口含水率的實際值跟設(shè)置值的偏差相關(guān)。在滾筒傾角、滾筒轉(zhuǎn)速、熱風風速等恒定的情況下，煙絲在烘絲機內(nèi)滯留時間相對固定，葉絲進入滾筒后，烘絲機進入由“預(yù)熱”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“起動”狀態(tài)，也就是俗稱的“頭料”階段，該階段只由預(yù)熱時的溫度環(huán)境決定，目的在于減少烘絲的干頭量。電子皮帶秤流量經(jīng)過4分20秒的延時，滾筒將從“起動”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“生產(chǎn)”狀態(tài)，薄板溫度控制自動切入，但這時的薄板溫度也只包含入口含水率變量部分和溫度平臺設(shè)置兩部分，只有在烘絲出口含水率≥10%，出口含水率變量才會介入控制。在烘絲生產(chǎn)穩(wěn)態(tài)過程，薄板溫度同時跟隨入口和出口含水率的變化而變化，其波動幅度越小越有利于煙絲脫水穩(wěn)定性的控制。

R/A部分中，干燥系數(shù)A為系統(tǒng)當前設(shè)定值8.8，除人為修正外其過程控制保持不變，R/A變化只來入口煙絲自脫水量的變化，脫水量計算方程為：

式中，R為脫水量，k；WB1為電子皮帶秤物料流量，kg/h；HF1為烘絲機入口水分儀檢測的煙絲含水率，%；HF2為烘絲出口含水率設(shè)定值，%；3為煙絲經(jīng)隧道式HT增溫增濕所增加的含水率。%。

可見，煙絲的脫水量主要是隨入口煙絲含水率的變化而變化。為了直觀體現(xiàn)入口含水率對薄板溫度設(shè)定值的直接影響，可根據(jù)薄板溫度設(shè)定值計算公式，以烘絲機出口含水率設(shè)定值13%為例，結(jié)合實際生產(chǎn)過程入口含水率波動的范圍（19.2%～20.3%之間），得到理論上的薄板溫度設(shè)定值及每變化0.1%的溫度差，見表1。薄板溫度設(shè)定值隨入口含水率的增加做相應(yīng)的線性增加，入口含水率每變化0.1%，相應(yīng)的薄板溫度份量會增加0.68℃左右，如果入口含水率增加0.5%，相當于薄板溫度要增加3.4℃，這顯然不利于薄板溫度的穩(wěn)定性控制。

表1 入口含水率對應(yīng)薄板溫度值及溫度差

出口含水率偏量補償溫度D是根據(jù)出口含水率PID的輸出值CV來計算的，計算公式為：D=CV/10C （3）式（3）中，D為出口含水率偏量溫度，℃；CV為PID調(diào)節(jié)輸出值，%；C為水分系數(shù)（常數(shù)）。

D的大小與出口含水率PID輸出值和“水分系數(shù)”的設(shè)置有關(guān)，其正負根據(jù)PID輸出的正負來決定，正就是在入口含水率偏量和“溫度平臺”兩部分溫度的基礎(chǔ)上再加上出口含水率偏量溫度，負則是減去出口含水率偏量溫度?！八窒禂?shù)”C當前的設(shè)定值為2，如PID輸出為30%，則出口含水率水分偏量的溫度值為6℃，這也不利于薄板溫度的穩(wěn)定性控制。因此，烘絲出口含水率控制優(yōu)化的關(guān)鍵在于優(yōu)化薄板溫度設(shè)定值中入口含水率前饋部分占比和出口含水率反饋部分占比。

2.1 薄板溫度設(shè)定值中出入口含水率占比優(yōu)化

烘絲出口含水率的穩(wěn)定性主要通過薄板溫度的控制來實現(xiàn)，而實際薄板溫度根據(jù)薄板溫度的設(shè)定值變化而變化，設(shè)定值的變化則由出入口含水率的變化決定，理論上薄板溫度設(shè)定值變化越小，薄板溫度控制越穩(wěn)定，即入口含水率和出口含水率所占薄板溫度設(shè)定值的比重越小，薄板溫度的波動幅度相對減少。如何對入口含水率和出口含水率占比進行優(yōu)化，則直接關(guān)聯(lián)到烘絲出口含水率的標準偏差，入口含水率和出口含水率占比分別對應(yīng)的是“干燥系數(shù)”和“水分系數(shù)”，通過雙因素正交試驗可以找出其最佳的作用效果，實驗結(jié)果見表2。

表2 烘絲機出口含水率偏差全因子試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可見，出口含水率標準偏差隨著“干燥系數(shù)”數(shù)值增大和“水分系數(shù)”數(shù)值減少而逐漸減少然后再增大的過程，其最佳匹配點在“干燥系數(shù)”設(shè)定為16、“水分系數(shù)”設(shè)定為1.5。

按照薄板預(yù)設(shè)溫度不變的原則， “干燥系數(shù)”和“水分系數(shù)”的調(diào)整必然導(dǎo)致出入口含水率在薄板溫度設(shè)定值占比的調(diào)整，則“溫度平臺”設(shè)定值應(yīng)相應(yīng)增加。

2.2 溫度平臺參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化

如前面所舉例子，出口含水率設(shè)定值為13%，入口含水率的波動中心在19.5%左右，預(yù)估當前生產(chǎn)牌號所需薄板溫度為131.5℃，在原“干燥系數(shù)”設(shè)定為8.8，“水分系數(shù)”設(shè)定為2的情況下，根據(jù)公式（2）和（1）可得：

生產(chǎn)開始之初，出口含水率偏差為0，薄板溫度設(shè)定值中的D值也為0，則可計算出“溫度平臺”數(shù)值B。

因此溫度平臺設(shè)定值應(yīng)設(shè)置為67。

當“干燥系數(shù)”調(diào)整為16，“水分系數(shù)”調(diào)整為1.5，則計算“溫度平臺”數(shù)值B如下：

優(yōu)化后的溫度平臺設(shè)定值就應(yīng)設(shè)置為96。薄板溫度設(shè)定值的優(yōu)化需在“配方設(shè)置”中將參數(shù)輸入，在“PLC當前值”中修改，點擊保存并載入即可，見圖2。其他牌號生產(chǎn)根據(jù)各自預(yù)設(shè)溫度按此方法即可計算出其“溫度平臺”的設(shè)定值。

圖2 薄板溫度設(shè)定值相關(guān)配方參數(shù)設(shè)置

薄板預(yù)設(shè)溫度不變，薄板溫度設(shè)定值會隨著出入口含水率的變化而變化，從結(jié)果看，兩者占比都相應(yīng)減少，調(diào)整后的各自占比都有了較明顯變化，詳見圖3。由圖可見，入口水分偏量調(diào)整最大，其占比直接調(diào)低了24.47%，其次是溫度平臺提高了22.7%，出口含水率偏量最小，只調(diào)低1.77%，從優(yōu)化結(jié)果可以看出，增加“溫度平臺”設(shè)定值（固定部分）和減少出入口含水率占比（變化部分），其結(jié)果使得過程控制溫度變化幅度減少，出入口含水率變化影響薄板溫度設(shè)定值的幅度在減少，最為明顯的是入口含水率的波動對薄板溫度變化的影響減低，固定部分的“溫度平臺”增加都可有效提高烘絲出口含水率的穩(wěn)定性。

圖3 溫度平臺的設(shè)置及各占比的變化

經(jīng)2.1的測試結(jié)果，“水分系數(shù)”調(diào)整為1.5對出口含水率標準偏差的控制效果較佳，但如仍以PID輸出為30%為例，調(diào)整前后的出口含水率水分偏量變化的溫度值由6℃變?yōu)?.5℃，這一幅度對于薄板溫度的穩(wěn)定性控制還是明顯偏大。根據(jù)PID控制原理，其輸出值只是增加（或減少）調(diào)整幅度，與溫度值并不存一一對應(yīng)的線性關(guān)系，所以才會出現(xiàn)過大或過小超調(diào)量，而PID控制的死區(qū)設(shè)置可以抑制超調(diào)。

2.3 出口含水率PID控制的死區(qū)設(shè)置

終上所述，薄板溫度控制采用了模糊控制與PID控制相結(jié)合分方式，因此其過程控制允許有偏差的出現(xiàn)，0.17%的工藝指標就是其允差范圍。經(jīng)測試煙絲在滾筒內(nèi)的滯留時間約為340s，烘絲出口含水率的溫度變量的調(diào)整存在較大的滯后性，出口含水率PID控制中采用了±50%上下限設(shè)置來規(guī)避過大的超調(diào)量，但在微小偏差方面卻沒有采取任何的控制措施，當出口含水率與設(shè)定值偏差較小時，頻繁的PID調(diào)節(jié)并不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，而PID控制的死區(qū)設(shè)置，則可以屏蔽微小偏差對溫度輸出變量的影響，死區(qū)設(shè)置越大其溫度值控制越穩(wěn)定，但并不能保證其對出口含水率控制的穩(wěn)定。鑒于出口含水率工藝指標的要求，將死區(qū)的設(shè)定寬度定在0.01～0.09之間進行測試，5個批次的測試結(jié)果見表3。

表3 死區(qū)寬度設(shè)置測試結(jié)果

注：①改進前出口含水率數(shù)據(jù)為2020年7～11月；②改進后出口含水率數(shù)據(jù)為2021年1～5月。

結(jié)果表明：死區(qū)寬度在0.00～0.04這一區(qū)間，出口含水率標準偏差調(diào)整的控制最為理想。

3 改進效果

3.1 烘絲出口含水率標準偏差

改進完成后，烘絲煙絲出口含水率波動幅度明顯減少，根據(jù)公司工藝技術(shù)指標月度匯總數(shù)據(jù)，表4。可見改進前烘絲出口含水率標準偏差5個月份平均值為0.0902%，改進后烘絲出口含水率標準偏差5個月份平均值為0.0474%，烘絲出口含水率標準偏差指標改善明顯（見表4）。

3.2 烘絲出口含水率峰值區(qū)間

烘絲出口含水率區(qū)間改進后比改善前也有所收窄，批次分布圖峰值區(qū)間最低為2020年7月，全部生產(chǎn)批次分布圖峰值區(qū)間數(shù)據(jù)占比只有10.54%；批次分布圖峰值區(qū)間最高為2021年5月，全部生產(chǎn)批次分布圖峰值區(qū)間數(shù)據(jù)占比到達了28.09%，見圖4。從改進前后5個月份生產(chǎn)所用批次看，改進前（2020年7～11月）的批次分布圖峰值區(qū)間數(shù)據(jù)占比平均為11.786%，改進后（2021年1～5月）的批次分布圖峰值區(qū)間數(shù)據(jù)占比平均為24.716%，烘絲出口含水率的集中度明顯提升，有效地改善了烘絲工序產(chǎn)品工藝質(zhì)量。

圖4 改進前后烘絲出口含水率峰值區(qū)間示圖

4 結(jié)語

通過分析滾筒式薄板烘絲機工作過程對出口含水率影響的關(guān)鍵因素，對薄板溫度設(shè)定值中出入口含水率占比和溫度平臺參數(shù)設(shè)置進行優(yōu)化，增加出口含水率PID控制的死區(qū)設(shè)置，烘絲出口含水率的穩(wěn)定性控制明顯改善。烘絲出口含水率標準偏差由改善前的月平均0.0902%下降到改善后的平均0.0474%；烘絲出口含水率全部批次峰值區(qū)間數(shù)據(jù)占比也由改善前的月平均11.786%提升到改進后的月平均為24.716%。烘絲機出口含水率控制優(yōu)化后，過程控制更趨穩(wěn)定，烘后煙絲的品質(zhì)得到改善。