煙片復(fù)烤機冷卻區(qū)控制方式的改進

趙靜, 梁逢春, 張鑫

(1.云南昆船煙草設(shè)備有限公司 自動化部，云南 昆明 650236; 2.江西贛南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司 生產(chǎn)設(shè)備部，江西 贛州 341000)

0 引 言

烤片機主要是對煙梗分離后的煙片進行處理，按其工藝特點主要分為干燥段、冷卻段和回潮段。干燥段有4個區(qū), 冷卻段有1個區(qū), 回潮段有3個區(qū)。煙片由烤片機入口首先進入干燥區(qū)進行脫水，再到冷卻區(qū)進行一定的降溫，最后到回潮區(qū)進行蒸濕，達到一定的溫度和濕度，以便滿足后段對煙片的處理。2010年福建三明復(fù)烤廠提出烤片機冷房水分自動控制的要求，烤片機冷房水分由傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)改為自動控制。

1 存在問題

煙片復(fù)烤過程是一個多干擾、強耦合、大滯后、非線性和不確定的大熱容過程, 不同過程的任一區(qū)段溫濕度的變化都會影響到其后各區(qū)段的參數(shù)和出口煙片含水率, 具體表現(xiàn)如下[1]：①干擾因素多, 入口煙片的含水率、溫度、濕度、產(chǎn)地、品種和等級等都對出口含水率有影響；加熱蒸汽和回潮蒸汽的壓力、溫度以及飽和程度直接影響著出口煙片的含水率和溫度；環(huán)境空氣的溫濕度對冷卻階段的煙片含水率和溫度也有較大的影響；②紅外水分儀精度受外界影響較大, 基準(zhǔn)值易發(fā)生漂移, 干燥區(qū)、冷房及出口含水率測量值受測量方法及電噪聲的影響波動頻繁, 影響了控制的性能；③生產(chǎn)過程特性多變, 受前部打葉過程的影響, 進料流量和鏈車速度有時需要調(diào)整，以滿足生產(chǎn)的連續(xù)進行。煙片復(fù)烤設(shè)備在高溫、高濕和粉塵等環(huán)境下工作容易發(fā)生異常, 工作人員需要隨時改變工藝操作；④含水率控制是一個大滯后過程, 在出口含水率發(fā)生變化時無法及時控制, 由此造成含水率波動。

冷卻區(qū)的控制一直是煙片復(fù)烤機控制的重點及難點，其主要的性能指標(biāo)為煙葉水分左、中、右及上、中、下的偏差。若冷房水分的控制達到理想的狀態(tài)，那么烤片機最終的控制指標(biāo)，出口水分及裝箱水分也都能控制得非常理想。以往烤片機冷卻區(qū)的控制方式為人工控制，即操作人員隨時觀察外界輸入量的變化，主要為煙葉的入口含水率、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和煙葉種類等。當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，操作人員需要馬上改變干燥各區(qū)的設(shè)定溫度，保證冷房水分控制在要求的范圍內(nèi)。這種方法對操作人員的工作能力要求非常高，工作量也非常大。在復(fù)烤廠，烤片機的操作一般需要兩個人，隨時都要保證有一個人在觀察烤片機的運行狀態(tài)。

2 控制方式的改進

烤片機冷卻區(qū)的控制是大滯后、多變量影響的控制，在多臺烤片機上試驗過，采用單純的反饋閉環(huán)控制(PID控制)或單純的前饋控制都是不行的。而嚴(yán)格的控制模型也很難建立起來。本控制方式是建立在當(dāng)烤片機開機，穩(wěn)定運行后，以當(dāng)前的狀態(tài)為基礎(chǔ)變量，在此基礎(chǔ)變量的基礎(chǔ)上引入前饋及反饋控制。由于對冷房水分影響最大的是干燥各區(qū)的溫度，所以本控制中以干燥各區(qū)的設(shè)定溫度作為執(zhí)行變量，通過隨時改變其值，以達到最終控制冷房水分的目的。

在烤片機冷卻區(qū)的控制過程中，其影響變量有幾十個，其中入口水分的變化是最快的，有時在1～2分鐘內(nèi)會有2個水分的變化，而其他影響因素的變化則相對緩慢得多，如環(huán)境濕度、環(huán)境溫度等。所以本控制的核心是：前饋控制主要是針對入口水分的變化，而反饋控制主要針對的是其他緩慢變化的影響因素。在控制上可以選擇單純的反饋控制，或單純的前饋控制，或反饋控制加前饋控制的組合控制。在自動運行時，此3種控制方式可以自由地切換，且切換過程中干燥區(qū)各區(qū)的溫度設(shè)定值不發(fā)生變化[2-3]。

2.1 信號的處理

在本控制過程中，主要要求是溫度的控制不能隨入口水分及冷房水分的變化而頻繁變化。但是還必須隨著入口水分及冷房水分總體長時間的變化而進行變化。這就需要對實際的水分值進行處理，過濾掉入口水分及冷房水分短時間的波動，使其反應(yīng)入口水分及冷房水分的實際變化趨勢。經(jīng)過長期大量的試驗及分析，最終確定多種濾波方式組合的濾波方法：改進型限幅濾波法+中位值濾波法+遞推平均濾波法[4-7]。其中烤片機入口水分取30秒的平均值，冷房水分取75秒的平均值。

2.2 前饋控制

前饋控制具體流程如圖1所示，其中M1為轉(zhuǎn)到前饋控制時烤片機入口水分實際值，T1平、T2平、T3平、T4平為前饋控制的干燥各區(qū)溫度平臺，M入為烤片機入口水分實際值。K前為前饋控制干燥系數(shù)。P1前、P2前、P3前、P4前為前饋控制各干燥區(qū)溫度分配比例。T1總前、T2總前、T3總前、T4總前為前饋控制各干燥區(qū)設(shè)定溫度值。當(dāng)烤片機運行穩(wěn)定、各項指標(biāo)平穩(wěn)后，可投入前饋控制，此時PLC記住轉(zhuǎn)入前饋控制時入口水分的實際值M1及各干燥區(qū)設(shè)定溫度值T1平、T2平、T3平、T4平。每隔一定時間(可設(shè))掃描一次烤片機入口水分，經(jīng)計算(具體計算公式如圖1所示)得出干燥區(qū)需要改變的溫度值T前。這個溫度值是一個總的溫度值，需要按照一定比例分配到干燥區(qū)各區(qū)T1前、T2前、T3前、T4前，此值再累加到轉(zhuǎn)入前饋控制時的基準(zhǔn)溫度T1平、T2平、T3平、T4平。然后通過堆棧的方式，當(dāng)水分為M入的煙葉到達干燥一區(qū)時，此時相應(yīng)改變干燥一區(qū)的設(shè)定溫度值為T1總前。以此類推，干燥二、三、四區(qū)的溫度相應(yīng)改變。

經(jīng)過長時間的試驗及觀察基本可以確定圖1中的K前，對于不同種品牌的煙葉，K前基本為一定值。具體控制框圖如圖1所示。

圖1 烤片機冷房自動控制前饋控制流程框圖

2.3 反饋控制

反饋控制具體流程如圖2所示，其中M2為轉(zhuǎn)到反饋控制時烤片機冷房水分實際值，M冷為烤片機冷房水分實際值，K前為反饋控制干燥系數(shù)，P1反、P2反、P3反、P4反為反饋控制各干燥區(qū)溫度分配比例，T1現(xiàn)、T2現(xiàn)、T3現(xiàn)、T4現(xiàn)為干燥各區(qū)當(dāng)前溫度設(shè)定值，T1總反、T2總反、T3總反、T4總反為反饋控制各干燥區(qū)設(shè)定溫度值。當(dāng)烤片機運行穩(wěn)定、各項指標(biāo)平穩(wěn)后，可投入反饋控制，此時PLC記住轉(zhuǎn)入反饋控制時冷房水分的實際值M2。轉(zhuǎn)入反饋控制后，PLC每隔一定時間(可設(shè))掃描一次冷房水分值，當(dāng)冷房水分實際值30秒內(nèi)一直在設(shè)定值一側(cè)，及冷房水分在反饋自動調(diào)節(jié)死區(qū)外時，反饋控制器運行。冷房實際值與設(shè)定值進行比較，所得差值乘以反饋干燥系數(shù)(可設(shè))，經(jīng)過計算得出干燥區(qū)的反饋控制溫度值，此值累加到現(xiàn)在的各干燥區(qū)實際設(shè)定溫度值，依此循環(huán)累加，直至冷房水分實際值與設(shè)定值基本相等。根據(jù)烤片機的基本特性及反饋控制的特點：干燥一區(qū)主要為煙葉升溫作用，干燥二、三區(qū)主要為煙葉脫水作用，干燥四區(qū)脫水主要是脫掉煙葉表面水分的特點，在反饋控制中希望滯后時間越短越好。所以反饋計算所得反饋溫度主要分布到干燥三區(qū)與干燥四區(qū)，在實際運行過程中，反饋溫度的值并不大，一般總的溫度值大約在3～4℃，分到各區(qū)就更小了，所以反饋溫度主要分布到干燥三區(qū)與干燥四區(qū)并不會影響整個干燥區(qū)設(shè)定溫度的大致分配比例。當(dāng)反饋的溫度值偏大后，有影響干燥區(qū)總的溫度分配的可能性時，可取消反饋控制及前饋控制，再重新進入反饋及前饋控制。

本反饋控制方法簡單實用，對于傳統(tǒng)PID控制方式的特點：①滯后性大、反應(yīng)慢;②如果放大曲線圖，是一個圍繞設(shè)定值的一個波動曲線。本方法可以取代傳統(tǒng)PID控制，已在多臺煙廠設(shè)備上試驗并成功應(yīng)用，取得非常良好的效果，如烘絲機的出口水分。

圖2 烤片機冷房自動控制反饋控制流程框圖

3 實際運行效果

在冷房水分控制中，干燥三區(qū)的溫度變化是最具有代表性的。如圖3所示，其中曲線1為烤片機干燥三區(qū)實際溫度曲線，曲線2為烤片機干燥三區(qū)設(shè)定溫度曲線，曲線3為入口水分平滑值由35秒變?yōu)?5秒時的時間軸。可看出，干燥三區(qū)的溫度隨時在發(fā)生變化，以適應(yīng)各種外在因素的變化，類似于人為干預(yù)。

由于烤片機冷卻區(qū)的特點：冷卻區(qū)煙葉水分的檢測值短時間是跳躍的，而長時間則是連續(xù)的，所以冷卻區(qū)的實際水分是波動的。如圖4所示，其中曲線1為烤片機入口水分處理后曲線，曲線2為烤片機入口水分實時曲線，曲線3為烤片機冷房水分實時曲線，曲線4為烤片機冷房水分處理后曲線?？煽闯?，本控制系統(tǒng)應(yīng)用后，冷房煙葉實際水分值基本都是圍繞在設(shè)定值，做小幅波動，其平滑后的值基本都在設(shè)定值左右，滿足了冷房煙葉水分的要求。本控制投入運行后，烤片機最終的一個重要考核指標(biāo)：打包機裝箱水分，其合格率都在95%以上，優(yōu)于傳統(tǒng)的控制模式。

圖3 三明復(fù)烤廠烤片機干燥三區(qū)溫度控制實時曲線

圖4 三明復(fù)烤廠烤片機入口水分、冷房水分、出口水分實時曲線

4 結(jié)束語

采用常規(guī)的控制方法對烤片機冷房控制，需要人為隨時進行干預(yù)，勞動強度大，而且人的精力也是有限的，對一些影響因素有時會不能及時注意到，導(dǎo)致冷房煙葉水分不合格，以至于烤片機出口水分不理想。采用本控制方法后：①降低了操作人員的勞動強度，避免了操作人員因為疏忽而產(chǎn)生煙葉指標(biāo)不合格的情況；②本控制方式靈活，前饋控制與反饋控制是相互獨立控制的，可同時作用于干燥區(qū)的溫度設(shè)定，又可以進行人為的干預(yù)。目前該控制方法已在福建三明復(fù)烤廠成功應(yīng)用。