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）

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)用于卷煙廠制絲線的葉片預(yù)處理段，主要用來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)（以下簡稱WQ3318Y406），控制系統(tǒng)是采用現(xiàn)場總線技術(shù)的西門子S7-400 PLC。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，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。針對上述問題，通過實(shí)驗(yàn)，增加新的PID［1］控制，對其系統(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)備的在線加工精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 存在問題

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)過濾，通過熱風(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)的控制是通過調(diào)用SIMATIC STEP 7軟件中的PID模塊FB41來實(shí)現(xiàn)。其中后室熱風(fēng)管道上溫度變送器的檢測風(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)門開度的設(shè)定值，風(fēng)門由其電動(dòng)角執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)通過改變冷熱風(fēng)混合風(fēng)門的開度，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)用過程中，上述控制模式存在一些問題：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的開度為經(jīng)驗(yàn)值，且固定不變，生產(chǎn)過程中，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到的熱風(fēng)風(fēng)溫，作為PID閉環(huán)控制的反饋輸入信號。生產(chǎn)過程中，由于空氣加熱器位于反饋信號采集點(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)門的實(shí)時(shí)開、關(guān)，達(dá)到穩(wěn)定循環(huán)風(fēng)風(fēng)溫的目的。設(shè)備運(yùn)行過程中，由于風(fēng)門角執(zhí)行器具有一定的機(jī)械反應(yīng)滯后，風(fēng)門開度無法快速達(dá)到設(shè)定值，最終導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)整滯后，在線控制精度較低。回潮機(jī)溫度歷史趨勢圖如圖2所示。1.2WQ3318Y406增濕系統(tǒng)

圖2 改進(jìn)前批次間曲線趨勢

圖3 改進(jìn)前批次內(nèi)回潮后葉片水分趨勢圖

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。增濕過程：高溫高壓的蒸汽和滿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，對葉片進(jìn)行增濕。葉片的增濕控制同樣是通過調(diào)用SIMATIC STEP 7軟件中的PID模塊FB41來實(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)開度，通過調(diào)整氣動(dòng)薄膜閥的開度，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足工藝要求，在線控制精度低?；爻焙笕~片水分趨勢如圖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）對控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件進(jìn)行升級換代。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)過程中，冷熱風(fēng)混合風(fēng)門的開度賦以經(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)置見圖5。

圖5 PID參數(shù)設(shè)置

（5）優(yōu)化冷熱風(fēng)混合風(fēng)門開度的設(shè)定值及前室熱風(fēng)溫度設(shè)定值SP。修改操作畫面，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關(guān)檢測到物料，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)，若仍無來料信號，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、低料位光電開關(guān)全部檢測到物料，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)薄膜閥開度快速減?。幌喾?，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)薄膜閥開度快速增大。

（3）為保持回潮后葉片水分的過程穩(wěn)定性，提高在線加工精度，減小出口水分頻繁波動(dòng)對控制造成的影響，對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控制狀況，對后室增濕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)定性和在線加工精度均得到提高，改進(jìn)前過程控制能力指數(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)械滯后而帶來的影響，降低了蒸汽壓力波動(dòng)對溫度穩(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)場更加和諧、美觀，減少了能量消耗，熱風(fēng)溫度的過程控制能力指數(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趨勢

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

［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.制絲線潤葉機(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