滾筒式薄板烘絲機(jī)出口含水率控制優(yōu)化分析

曹家升，翟讓，姚慶豐，王海明，吳龍?jiān)?，朱虹?/p>

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠，廣東 湛江 524033）

烘絲機(jī)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(jī)的工作包括預(yù)熱、啟動(dòng)、生產(chǎn)、倒料、冷卻、停機(jī)等六種狀態(tài)，其對(duì)煙絲的烘干主要是通過(guò)薄板溫度和熱風(fēng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在恒定熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速，只通過(guò)調(diào)節(jié)薄板溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)出口含水率控制的系統(tǒng)，其影響主要在生產(chǎn)啟動(dòng)階段和正常生產(chǎn)階段。烘絲機(jī)生產(chǎn)啟動(dòng)階段對(duì)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(shí)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(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單且可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，但是這種控制方式存在一定的滯后，致使烘絲機(jī)出口煙絲的含水率波動(dòng)較大，控制效果不太理想。為此，一些科研人員對(duì)該過(guò)程的控制方法進(jìn)行改進(jìn)，嘗試采用模糊控制、人工智能控制、MFA控制等先進(jìn)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(hù)性差，對(duì)烘絲機(jī)出口煙絲含水率穩(wěn)定性的提高效果不明顯等缺點(diǎn)，PID閉環(huán)控制系統(tǒng)依然是當(dāng)前烘絲機(jī)設(shè)備使用的主要控制方法。為此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在不足進(jìn)行分析，在原有混合控制模式上對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)，旨在解決烘絲機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)出口煙絲含水率控制存在波動(dòng)較大、出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差高的問(wèn)題。

1 存在問(wèn)題

滾筒式薄板烘絲機(jī)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(jī)對(duì)煙絲含水率的控制原理基本相同。以順流式烘絲機(jī)為例，在生產(chǎn)前首先要對(duì)烘絲機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，將烘絲機(jī)的筒壁和熱風(fēng)系統(tǒng)加熱到預(yù)設(shè)溫度。生產(chǎn)時(shí)，恒定流量的煙絲流入到烘絲機(jī)滾筒中，蒸汽經(jīng)管路系統(tǒng)進(jìn)入到烘絲筒內(nèi)的薄板夾層中，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式不斷地給流入的煙絲加熱，同時(shí)工藝熱風(fēng)氣流從前室和后室分別進(jìn)入滾筒內(nèi)，前室風(fēng)量占70%，而后室風(fēng)量占30%，因此定義為順流式。熱風(fēng)通過(guò)對(duì)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(jī)在對(duì)煙絲烘干過(guò)程中，外部變量中的入口煙絲流量可通過(guò)恒流型電子皮帶秤控制，以實(shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定；滾筒轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速等可通過(guò)設(shè)置參數(shù)固定；環(huán)境溫濕度在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)不大，對(duì)烘絲出口煙絲含水率的影響輕微；只是來(lái)料煙絲的含水率難以控制，其過(guò)程波動(dòng)對(duì)出口含水率影響較大。在出口含水率只通過(guò)薄板溫度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，薄板溫度的調(diào)節(jié)受實(shí)時(shí)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(guò)程控制波動(dòng)較大，正常生產(chǎn)烘絲出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD值）基本維持在0.073%～0.101%之間波動(dòng)，個(gè)別批次標(biāo)準(zhǔn)偏差甚至有突破控制指標(biāo)0.17%的情況。

2 改進(jìn)方法

滾筒式薄板烘絲機(jī)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(jì)的，烘絲機(jī)系統(tǒng)控制就是通過(guò)不斷調(diào)節(jié)內(nèi)部變量來(lái)適應(yīng)外部變量的變化，從而實(shí)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(jī)在工作過(guò)程中通常只調(diào)節(jié)一個(gè)內(nèi)部變量，其余變量不變。目前在滾筒烘絲機(jī)控制系統(tǒng)中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)滾筒的筒壁壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(jìn)薄板蒸汽壓力決定，控制流程見(jiàn)圖1。

圖1 烘絲機(jī)薄板溫度控制示意圖

由圖1可知，筒壁壓力會(huì)對(duì)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(shí)際溫度。筒壁壓力的控制是一個(gè)基礎(chǔ)PID模型，控制實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制中薄板溫度的設(shè)定值是一個(gè)由入口含水率、溫度平臺(tái)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(dòng)值，薄板溫度作為烘絲機(jī)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(dòng)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(jì)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(tái)設(shè)定值，常數(shù)；D為出口含水率偏量補(bǔ)償溫，℃。

薄板溫度設(shè)定值中R/A與來(lái)料含水率有關(guān)，B為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的定值，D與出口含水率的實(shí)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(fēng)風(fēng)速等恒定的情況下，煙絲在烘絲機(jī)內(nèi)滯留時(shí)間相對(duì)固定，葉絲進(jìn)入滾筒后，烘絲機(jī)進(jìn)入由“預(yù)熱”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“起動(dòng)”狀態(tài)，也就是俗稱的“頭料”階段，該階段只由預(yù)熱時(shí)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(guò)4分20秒的延時(shí)，滾筒將從“起動(dòng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“生產(chǎn)”狀態(tài)，薄板溫度控制自動(dòng)切入，但這時(shí)的薄板溫度也只包含入口含水率變量部分和溫度平臺(tái)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(huì)介入控制。在烘絲生產(chǎn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，薄板溫度同時(shí)跟隨入口和出口含水率的變化而變化，其波動(dòng)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(dāng)前設(shè)定值8.8，除人為修正外其過(guò)程控制保持不變，R/A變化只來(lái)入口煙絲自脫水量的變化，脫水量計(jì)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(jī)入口水分儀檢測(cè)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(jiàn)，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(duì)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(jì)算公式，以烘絲機(jī)出口含水率設(shè)定值13%為例，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程入口含水率波動(dòng)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(jiàn)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(huì)增加0.68℃左右，如果入口含水率增加0.5%，相當(dāng)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(duì)應(yīng)薄板溫度值及溫度差

出口含水率偏量補(bǔ)償溫度D是根據(jù)出口含水率PID的輸出值CV來(lái)計(jì)算的，計(jì)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(fù)根據(jù)PID輸出的正負(fù)來(lái)決定，正就是在入口含水率偏量和“溫度平臺(tái)”兩部分溫度的基礎(chǔ)上再加上出口含水率偏量溫度，負(fù)則是減去出口含水率偏量溫度。“水分系數(shù)”C當(dāng)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(guò)薄板溫度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，而實(shí)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(dòng)幅度相對(duì)減少。如何對(duì)入口含水率和出口含水率占比進(jìn)行優(yōu)化，則直接關(guān)聯(lián)到烘絲出口含水率的標(biāo)準(zhǔn)偏差，入口含水率和出口含水率占比分別對(duì)應(yīng)的是“干燥系數(shù)”和“水分系數(shù)”，通過(guò)雙因素正交試驗(yàn)可以找出其最佳的作用效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 烘絲機(jī)出口含水率偏差全因子試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，出口含水率標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程，其最佳匹配點(diǎn)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(tái)”設(shè)定值應(yīng)相應(yīng)增加。

2.2 溫度平臺(tái)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(dòng)中心在19.5%左右，預(yù)估當(dāng)前生產(chǎn)牌號(hào)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(kāi)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(jì)算出“溫度平臺(tái)”數(shù)值B。

因此溫度平臺(tái)設(shè)定值應(yīng)設(shè)置為67。

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

優(yōu)化后的溫度平臺(tái)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(dāng)前值”中修改，點(diǎn)擊保存并載入即可，見(jiàn)圖2。其他牌號(hào)生產(chǎn)根據(jù)各自預(yù)設(shè)溫度按此方法即可計(jì)算出其“溫度平臺(tái)”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(huì)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(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，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(tái)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(tái)”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(guò)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(dòng)對(duì)薄板溫度變化的影響減低，固定部分的“溫度平臺(tái)”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(tái)的設(shè)置及各占比的變化

經(jīng)2.1的測(cè)試結(jié)果，“水分系數(shù)”調(diào)整為1.5對(duì)出口含水率標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，所以才會(huì)出現(xiàn)過(guò)大或過(guò)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(guò)程控制允許有偏差的出現(xiàn)，0.17%的工藝指標(biāo)就是其允差范圍。經(jīng)測(cè)試煙絲在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)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(lái)規(guī)避過(guò)大的超調(diào)量，但在微小偏差方面卻沒(méi)有采取任何的控制措施，當(dāng)出口含水率與設(shè)定值偏差較小時(shí)，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(duì)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(duì)出口含水率控制的穩(wěn)定。鑒于出口含水率工藝指標(biāo)的要求，將死區(qū)的設(shè)定寬度定在0.01～0.09之間進(jìn)行測(cè)試，5個(gè)批次的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 死區(qū)寬度設(shè)置測(cè)試結(jié)果

注：①改進(jìn)前出口含水率數(shù)據(jù)為2020年7～11月；②改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)偏差調(diào)整的控制最為理想。

3 改進(jìn)效果

3.1 烘絲出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差

改進(jìn)完成后，烘絲煙絲出口含水率波動(dòng)幅度明顯減少，根據(jù)公司工藝技術(shù)指標(biāo)月度匯總數(shù)據(jù)，表4?？梢?jiàn)改進(jìn)前烘絲出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差5個(gè)月份平均值為0.0902%，改進(jìn)后烘絲出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差5個(gè)月份平均值為0.0474%，烘絲出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差指標(biāo)改善明顯（見(jiàn)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(jìn)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(dá)了28.09%，見(jiàn)圖4。從改進(jìn)前后5個(gè)月份生產(chǎn)所用批次看，改進(jìn)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(jìn)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(jìn)前后烘絲出口含水率峰值區(qū)間示圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析滾筒式薄板烘絲機(jī)工作過(guò)程對(duì)出口含水率影響的關(guān)鍵因素，對(duì)薄板溫度設(shè)定值中出入口含水率占比和溫度平臺(tái)參數(shù)設(shè)置進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)后的月平均為24.716%。烘絲機(jī)出口含水率控制優(yōu)化后，過(guò)程控制更趨穩(wěn)定，烘后煙絲的品質(zhì)得到改善。