卷煙工藝風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟慶濤，張振華，岑秉聰

(1.河南中煙有限責(zé)任公司漯河卷煙廠 設(shè)備管理部，河南 漯河 4620002 ；2.南華大學(xué)三力公司 技術(shù)部,湖南 衡陽 421001)

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卷煙工藝風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟慶濤1，張振華1，岑秉聰2

(1.河南中煙有限責(zé)任公司漯河卷煙廠 設(shè)備管理部，河南 漯河 4620002 ；2.南華大學(xué)三力公司 技術(shù)部,湖南 衡陽 421001)

結(jié)合卷煙生產(chǎn)工藝，分析了卷煙機(jī)風(fēng)力系統(tǒng)的組成原理、卷煙過程中引起風(fēng)壓波動的原因及對卷煙機(jī)工作的影響。針對在卷煙機(jī)運(yùn)行過程中風(fēng)力的穩(wěn)定性，提出了基于可編程序控制器、風(fēng)力總管補(bǔ)風(fēng)閥、自動風(fēng)壓平衡器、高精度風(fēng)速傳感器等組成的風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)解決方案。介紹了可編程序控制器在控制系統(tǒng)中的硬件組成、軟件的設(shè)計(jì)方法及風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。給出了實(shí)際生產(chǎn)過程中的壓力及相關(guān)數(shù)據(jù)值。結(jié)果表明，卷煙工藝風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)，有效地解決了卷煙機(jī)在生產(chǎn)過程中風(fēng)壓波動的問題。卷煙機(jī)工作過程中的壓力波動值滿足相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)，壓力的穩(wěn)定提高了卷煙機(jī)的有效作業(yè)率及卷煙品質(zhì)。

風(fēng)力平衡；PID調(diào)節(jié)；可編程序控制器；伺服電機(jī)

卷接機(jī)組的工藝風(fēng)力主要應(yīng)用于卷煙過程中的煙絲輸送與除塵，以及在卷煙接嘴過程中，通過風(fēng)力負(fù)壓使煙支吸在各種鼓輪上，實(shí)現(xiàn)煙支與嘴棒的搓接與傳送[1,2]。工藝風(fēng)力參數(shù)是按卷接機(jī)組數(shù)量來設(shè)計(jì)，每臺機(jī)組的支管是以并聯(lián)的方式接入風(fēng)力總管的。由于各卷接機(jī)組的工藝風(fēng)力參數(shù)彼此有差異，因而各機(jī)組的支管壓力應(yīng)視機(jī)組工作狀態(tài)來確定不同的壓力值[3-5]；當(dāng)有機(jī)組出現(xiàn)故障或因生產(chǎn)調(diào)度安排，要求某些機(jī)組關(guān)閉或更換卷煙牌號等原因，造成主觀或客觀上的停機(jī)，使處于正常工作的機(jī)組的風(fēng)壓及風(fēng)量發(fā)生變化，無法實(shí)現(xiàn)自動平衡，經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)力波動，甚至發(fā)生系統(tǒng)“喘振”等問題，影響機(jī)組工作。鑒于對卷煙品質(zhì)要求不斷提高，本文分析了卷煙機(jī)除塵的風(fēng)力供給過程，論證了詳細(xì)的技術(shù)方案，通過采用具有快速響應(yīng)、高可靠性的PLC控制器及工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)、高精度流量及壓力傳感器,在除塵總管及卷煙機(jī)支管上分別加裝總管補(bǔ)風(fēng)閥、帶伺服控制器的自動風(fēng)壓平衡裝置等調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)卷煙機(jī)工藝風(fēng)力的風(fēng)力平衡。

1 系統(tǒng)的硬件組成及設(shè)計(jì)原理

1.1 風(fēng)力平衡系統(tǒng)基本原理

除塵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)該除塵系統(tǒng)總管補(bǔ)風(fēng)閥開度，以保證該除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)正常工作所需最小風(fēng)量從而獲得穩(wěn)定除塵系統(tǒng)風(fēng)壓，避免除塵風(fēng)機(jī)喘震影響系統(tǒng)風(fēng)壓波動。

圖1 風(fēng)力平衡系統(tǒng)原理與組成圖

在每臺卷接機(jī)組卷煙機(jī)除塵支管上安裝自動風(fēng)壓平衡器，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測到該卷煙機(jī)除塵支管實(shí)際風(fēng)壓與設(shè)定風(fēng)壓發(fā)生較大偏差時(shí)，自動調(diào)整卷煙支管除塵工作壓力，維持卷煙機(jī)除塵支管的壓力穩(wěn)定。

1.2 風(fēng)力平衡系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 風(fēng)壓風(fēng)量測量裝置的設(shè)置

在工藝風(fēng)力與除塵系統(tǒng)總管上(風(fēng)機(jī)與除塵器之間)設(shè)置一套風(fēng)量檢測傳感器，測量除塵系統(tǒng)總管風(fēng)量[6-7]，風(fēng)路循環(huán)方向如圖1中箭頭方向所示，110 kW的高壓風(fēng)機(jī)為1～4#卷煙機(jī)提供負(fù)壓工藝風(fēng)力。

風(fēng)量的原理是利用風(fēng)速測片(如圖2)的迎風(fēng)面測試孔測量流動氣體的全壓； 利用測片側(cè)面的測試孔測量流動氣體的靜壓，并分別將“全壓”、“靜壓”從兩個(gè)接口引出。

將所測的全壓與靜壓分別通過連接軟管引入壓差變送器，由壓差傳感器通過壓差(全壓-靜壓=動壓)計(jì)算出管道風(fēng)速。

風(fēng)速計(jì)算原理是利用伯努力方程 ：

圖2 風(fēng)量傳感器測量原理圖

1.2.2 自動風(fēng)量平衡器的設(shè)置

在工藝風(fēng)力與除塵系統(tǒng)總管上(圖1，與除塵器相連的總管路)設(shè)置一旁路支管與大氣相通，使用具有等百分比特性的電動蝶閥控制旁路支管開度，根據(jù)1.1節(jié)所述風(fēng)量傳感器所監(jiān)測的工藝風(fēng)力與除塵系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的總管實(shí)時(shí)風(fēng)量，與理論設(shè)定風(fēng)量比較，通過優(yōu)化的控制算法[8]，控制總管補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)閥門的開度，決定總管補(bǔ)風(fēng)量的大小，實(shí)現(xiàn)總管風(fēng)量的穩(wěn)定、平衡。

1.2.3 自動風(fēng)壓平衡器的設(shè)置

在每臺卷接機(jī)組的卷煙工藝風(fēng)力與除塵支管上安裝自動風(fēng)壓平衡器[9,10-11](圖1，位于1～4#卷煙機(jī)支管上的調(diào)節(jié)裝置)，以控制該卷煙機(jī)除塵支管的風(fēng)壓穩(wěn)定(該支管風(fēng)壓穩(wěn)定與否，直接關(guān)系卷煙的品質(zhì))。

卷煙機(jī)除塵支管的風(fēng)壓控制原理是在該除塵支管上設(shè)置一個(gè)高精度負(fù)壓傳感器，實(shí)時(shí)檢測支管負(fù)壓并與設(shè)定的最優(yōu)工況壓力值相比較。通過帶死區(qū)的PID優(yōu)化控制算法[12]，控制風(fēng)壓平衡器，以調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的支管壓力，實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)定的壓力，使支管風(fēng)壓時(shí)刻逼近設(shè)定的壓力值。

1.2.4 風(fēng)力平衡電氣控制系統(tǒng)的硬件組成

風(fēng)力平衡電氣控制系統(tǒng)的硬件包括S7-300 可編程序控制器、帶現(xiàn)場總線功能的變頻器、ET200S分布式遠(yuǎn)程I/O子站、DI/DO、AI/AO模塊、觸摸屏及基于S7-300 可編程序控制器的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布式Profibus現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)[13,14],如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 可編程序控制器編程軟件

風(fēng)力平衡電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是圍繞S7-300 PLC、觸摸屏人機(jī)接口畫面來進(jìn)行的。

S7-300 PLC的編程，采用西門子SIMATIC Manager STEP 7 V5.5可編程序控制器軟件編程環(huán)境；觸摸屏HMI接口畫面軟件編程采用WINCCFLEXIBLE2008西門子觸摸屏專用組態(tài)軟件。

SIMATIC Manager STEP 7 V5.5 編程大致分為硬件組態(tài)、編寫符號表、組織塊、功能、中斷服務(wù)程序、專用功能塊調(diào)用、在線調(diào)試等。

WINCCFLEXIBLE2008編程分為接口畫面設(shè)計(jì)、符號變量與PLC的連接、報(bào)警、實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)定等[5]。

2.2 風(fēng)力平衡系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件主要包括風(fēng)速及風(fēng)壓采集與濾波處理程序， 總管風(fēng)量的閉環(huán)調(diào)節(jié)-PID算法程序(通過除塵總管壓差傳感器及補(bǔ)風(fēng)閥來實(shí)現(xiàn))，卷接機(jī)組卷煙機(jī)除塵支管壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)-PID算法程序(通過除塵支管壓力傳感器及自動風(fēng)壓平衡器來實(shí)現(xiàn))，PID參數(shù)的整定等[15-16]。

以下主要說明風(fēng)力平衡系統(tǒng)與自動調(diào)節(jié)密切相關(guān)的PID算法程序及PID參數(shù)的整定。

2.3 總管風(fēng)量的閉環(huán)調(diào)節(jié)-PID算法原理與編程

PID算法原理：PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

式中積分的上下限分別是0和t。其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)[17]。

PID算法實(shí)現(xiàn)：

總管風(fēng)量調(diào)節(jié)算法采用帶死區(qū)的PID控制算法[1]。

式中的p(k)為設(shè)定風(fēng)壓差r(k)與實(shí)際風(fēng)壓差y(k)偏差信號，它是PID調(diào)節(jié)的輸入，滿足以下條件：

當(dāng)│r(k)-y(k)│>e時(shí)，p(k)=e(k);

當(dāng)│r(k)-y(k)│<=e時(shí)，p(k)=0;±e為死區(qū)范圍；

采用帶死區(qū)的PID算法，可以避免調(diào)節(jié)動作過于頻繁，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，對控制不利。死區(qū)范圍是可改變的，根據(jù)實(shí)際情況，通過觸摸屏HMI可輸入一個(gè)合適的值。

西門子可編程序控制器提供了PID運(yùn)算功能塊FB41，只要在編程時(shí)調(diào)用即可，該功能塊使用方便，功能強(qiáng)大。FB41功能塊的原理框圖見圖4所示。

SP_INT:為設(shè)定值輸入；PV_IN:為過程值(經(jīng)軟件濾波后的實(shí)際值)輸入；DEADB_W:為死區(qū)值輸入；LMN:為控制器輸出值。

2.4 PID參數(shù)整定

PID控制使系統(tǒng)在消除系統(tǒng)靜差、提高系統(tǒng)動態(tài)性能等方面提高了品質(zhì)因數(shù)。PID參數(shù)整定應(yīng)用SIMATICManager STEP7 V5.5集成開發(fā)平臺內(nèi)嵌PID參數(shù)整定程序，采用Ziegler-Nichols 方法[1]設(shè)置PID參數(shù)。Ziegler-Nichols 方法的PID參數(shù)初始賦值采用經(jīng)典比例積分微分規(guī)則：Kp=0.6Ku；Ki=2Kp/Tu；Kd=Kp*Tu/8[1]。

當(dāng)在線鏈接可編程序控制器時(shí)，可通過調(diào)用SIMATIC>STEP7>PID控制參數(shù)賦值程序，利用已建立的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)塊，使用上述方法填入?yún)?shù)，觀察實(shí)際值曲線與設(shè)定值的變化關(guān)系，從而確定PID控制參數(shù)是否適合當(dāng)前應(yīng)用的控制過程。

3 數(shù)據(jù)測試

表1是一組總管風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)電流及功率在實(shí)際生產(chǎn)過程中的檢測數(shù)據(jù)(設(shè)定壓力值為11 000 Pa)：

圖4 PID算法原理框圖

表1 兩種工況下系統(tǒng)風(fēng)壓等運(yùn)行參數(shù)測試表

工況1：系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(頻率46Hz，2臺卷煙機(jī)運(yùn)行，補(bǔ)風(fēng)閥開度38%)時(shí)間功率/kW電流/A壓力/Pa2015-1-1149 7797 19113172015-1-1251 12102 38113212015-1-1355 5795 97113642015-1-1455 18101 22112982015-1-1554 33105 3411274均值54 435101 0911314 8工況2：系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(頻率46Hz，3臺卷煙機(jī)運(yùn)行，補(bǔ)風(fēng)閥開度0%)時(shí)間功率/kW電流/A壓力/Pa2015-1-2064 16122 63113622015-1-2157 87123 44112532015-1-2259 91123 31111352015-1-2365 03113 89112672015-1-2464 72118 3911122均值62 90120 4611227 8

由表1數(shù)據(jù)計(jì)算兩種工況的壓力波動，計(jì)算公式為100%*(平均值-設(shè)定值)/設(shè)定值：

工況1：100%(11 314.8-11 000)/11 000=2.86%，工況2：100%*(11 227.8-11 000)/11 000=2.07%。由此可見，系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，壓力穩(wěn)定，波動<±3%,符合規(guī)范要求[4]。

4 結(jié)論

基于可編程序控制器的風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)，通過高精度風(fēng)量檢測器實(shí)時(shí)檢測除塵總管風(fēng)量值。采用PID控制算法，控制每臺卷接機(jī)組的伺服式風(fēng)壓平衡器和系統(tǒng)總管的補(bǔ)風(fēng)量調(diào)整裝置，使整個(gè)除塵系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)風(fēng)力的自動平衡，確保工藝風(fēng)力系統(tǒng)穩(wěn)定，減少因風(fēng)力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。徹底消除系統(tǒng)喘振，避免喘振現(xiàn)象對管道、機(jī)房、除塵設(shè)備的危害，消除了安全隱患。

風(fēng)力平衡控制系統(tǒng)采用硬件及軟件的模塊化設(shè)計(jì)方法、控制系統(tǒng)開放性的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展柔性及較高的性價(jià)比，系統(tǒng)的控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、故障率低、維護(hù)簡單，滿足了卷煙生產(chǎn)對風(fēng)壓穩(wěn)定的要求，自動風(fēng)力平衡系統(tǒng)已通過河南省科技廳鑒定并在多家煙廠得到推廣應(yīng)用，對提高產(chǎn)品品質(zhì)效果顯著。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉敬鈺)

Design and realization of airflow stability control system of cigarette technology

MENG Qing-tao,ZHANG Zhen-hua,CEN Bing-cong

(1.Equipment Department,China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.Luohe Cigarette Factory，Luohe 462000,China;2.Technology Department SUNNY-Company Nanhua University Hengyang 421001,China)

The composition principle of cigarette machine airflow system， the reasons for air pressure fluctuation in the process of cigarette making,and the effect on cigarette machine operation were analyzed in this paper.Aimed at stability of the airflow during the operation of cigarette machine,the solution to wind power balance control system was presented based on PLC,airflow duct supply-air-valve,air pressure auto-balance device,and high-precision air velocity transducer.The hardware components,the method of software design,and the realization method of wind balance control system were introduced,and the pressure and related data of the machine during its operation were also provided.The results show that the pressure fluctuation problem during the cigarette machine operation was effectively solved by the airflow balance control system of the cigarette technology.The pressure fluctuation value during the cigarette machine working meets the relevant technical standard.The improvement of machine’s high work efficiency and the quality of cigarettes relies on the stability of the airflow.

airflow stability；PID-adjusting；PLC；servo-motor

2015-01-20

孟慶濤(1972-)，男，河南漯河人，工程師，主要研究方向：卷煙設(shè)備管理技術(shù)，E-mail：lhxj1717@126.com。

2095-1248(2015)04-0044-06

TS433

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.008