煙葉加料引射蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)

陳振業(yè)， 黃旭銳

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 廣州卷煙廠， 廣東 廣州 510385）

0 引言

隨著人們對項煙品質(zhì)的不斷追求， 車間對加料工序改善從持續(xù)深入，發(fā)現(xiàn)煙葉加料霧化效果不穩(wěn)定，部分牌號加料后煙葉表面有明顯料斑， 且該問題出現(xiàn)的頻率與牌號有明顯關(guān)聯(lián)。經(jīng)分析，主要原因在于不同牌號加料比例不同、 香料粘稠度不同， 對引射蒸汽壓力的要求也不同。而當(dāng)前加料引射蒸汽壓力均沒有固定，只通過機械減壓閥控制，與部分牌號香料實際需要的引射壓力不匹配，影響料液的霧化效果。此外，生產(chǎn)中亦存在偶發(fā)性引射蒸汽壓力波動問題， 原因是當(dāng)前蒸汽壓力蒸汽閥門為固定開度100%，無法根據(jù)蒸汽來料情況自動調(diào)節(jié)，引射蒸汽壓力會隨著來料蒸汽壓力的波動而波動。

1 研究目的

研究現(xiàn)有牌號引射蒸汽壓力的合理設(shè)定值，使各牌號料液霧化效果良好，確保加料后煙葉沒有肉眼可見料斑。

設(shè)計合理的控制系統(tǒng)， 包括選擇蒸汽壓力控制閥、蒸汽壓力傳感器，設(shè)計控制系統(tǒng)的運行邏輯和算法等。

把自動控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)采集到中控系統(tǒng)， 實現(xiàn)引射蒸汽壓力相關(guān)數(shù)據(jù)在中控系統(tǒng)的顯示、 查詢和統(tǒng)計功能。

2 研究方法和技術(shù)路線

2.1 研究方法

利用自動控制技術(shù)， 在制絲車間料機開發(fā)一套加料機引射蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)。 通過這個系統(tǒng)，可以在生產(chǎn)工單中設(shè)置各牌號加料引射蒸汽壓力。 生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)能自動采集引射蒸汽壓力實際值， 與工單中的設(shè)置值對比，并通過PID 控制引射蒸汽薄膜閥動作，實現(xiàn)引射蒸汽壓力值及其波動范圍控制在合理范圍內(nèi)。

2.2 技術(shù)路線

（1）進行現(xiàn)狀調(diào)查，查找存在問題。 研究加料機料液引射蒸汽壓力的穩(wěn)定性，對過往數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，梳理當(dāng)前存在問題，明確改善方向。

（2）原因分析，對可能因素進行確認。 針對可能影響蒸汽引射壓力穩(wěn)定性的因素進行分析， 并通過合理試驗進行驗證，制定解決方案。

（3）實施改善，不斷調(diào)優(yōu)設(shè)備。 實施設(shè)備改造，設(shè)計合理的自動控制系統(tǒng)，根據(jù)加料機運行條件，選擇合適的蒸汽薄膜閥執(zhí)行機構(gòu)，對現(xiàn)有壓力傳感器進行利舊改造，合理設(shè)計PID 算法和PLC 程序， 設(shè)計自動控制系統(tǒng)的安裝形式和結(jié)構(gòu)等

（4）效果驗證和成果鞏固。對實際檢測效果進行跟蹤驗證。

3 整體方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本方案采用SAMSON 分體式薄膜調(diào)節(jié)閥（3730-4 型閥門定位器+氣動控制閥），3730-4 型電氣閥門定位器安裝在氣動控制閥上， 用于按輸入控制信號將閥門準確定位。 控制系統(tǒng)使用西門子可編程序控制器S7-300 。 圖1為SAMSON 分體式薄膜調(diào)節(jié)閥控制原理圖。

圖1 SAMSON 分體式薄膜調(diào)節(jié)閥控制原理圖

3.2 上位機設(shè)計

監(jiān)控使用Wonderware 公司System Platform 結(jié)合Intouch 作為系統(tǒng)的平臺架構(gòu)軟件，Wonderware 系統(tǒng)平臺提供了一個單一的平臺， 可滿足工業(yè)自動化與信息人員的所有SCADA、管理HMI 和生產(chǎn)與績效管理要求。

采用“圖形模板”方式，不僅實現(xiàn)趨勢圖實時顯示，同時可實現(xiàn)統(tǒng)計信息的實時查看，在“柱狀圖”顯示區(qū)域通過柱狀圖直觀展示蒸汽壓力回路的設(shè)定、 實際和調(diào)節(jié)量的信息，“PID 操作調(diào)節(jié)區(qū)” 用于PID 控制參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，以及相關(guān)回路工作模式的操作。 界面見圖2。

圖2 引射蒸汽壓力控制界面

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互邏輯

系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互邏輯如下：

（1）制絲中控上位系統(tǒng)通過制絲中控數(shù)據(jù)采集服務(wù)器獲取現(xiàn)場控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)， 同時可在界面中通過采集服務(wù)器，設(shè)置引射蒸汽壓力相關(guān)配置信息。

（2）制絲中控管理應(yīng)用服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫獲取引射蒸汽壓力配方信息，并下發(fā)至控制系統(tǒng)，同時可以對引射蒸汽壓力配方信息進行維護，同步至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

（3）現(xiàn)場操作終端直接與控制系統(tǒng)連接，可以獲取和設(shè)置引射蒸汽壓力相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）控制系統(tǒng)通過ProfiBus-PA 網(wǎng)絡(luò)與定位器通信，獲取和控制定位器開度等相關(guān)數(shù)據(jù)。 圖3 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互邏輯示意圖。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互邏輯示意圖

5 控制系統(tǒng)PID 控制

料液通過噴射系統(tǒng)來完成， 經(jīng)過壓縮后的蒸汽對料液施加高壓使通過噴嘴后的料液達到霧化效果， 經(jīng)霧化后的料液可以和滾筒內(nèi)攪拌翻轉(zhuǎn)的煙葉充分混合， 增加料液附著在煙葉的均勻度。 加料噴射系統(tǒng)由料液噴射控制系統(tǒng)和霧化介質(zhì)（引射蒸汽）控制系統(tǒng)組成，見圖4。 料液噴射控制系統(tǒng)的主要作用是進行料液流量、溫度、壓力等參數(shù)進行準確的控制； 料液流量按照煙葉流量的加料比進行計算，用計量泰和流量計等原件，設(shè)計閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)料液流量來達到料液流量的精確控制和工藝要求。引射蒸汽壓力控制系統(tǒng)的作用是通過薄膜閥調(diào)節(jié)引射蒸汽壓力來控制料液的霧化效果。料液從液體控制回路進入噴嘴液相流道，引射蒸汽則從由氣體控制回路進入噴嘴氣相流道，兩種介質(zhì)在噴嘴出口處相互作用進行料液的噴射霧化破碎。

圖4 加料引射蒸汽PID 控制示意圖

5.1 PID 參數(shù)自整定的意義

加料機葉絲加料引射蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)采用經(jīng)典PID 控制算法來進行壓力調(diào)節(jié)， 這種算法的原理就是利用輸出的反饋值與標(biāo)準值進行比較得到差值， 然后對差值進行比例、積分、微分運算。

調(diào)節(jié)過程需要合理選擇PID 的比例、積分、微分參數(shù)。比例系數(shù)可以控制系統(tǒng)靈敏的度，比例系數(shù)越大系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度就越快；積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；微分控制可以改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

5.2 PID 調(diào)節(jié)過程

（1）根據(jù)料液的壓力變化以及PLC 的運行周期，確定PID 采樣周期， 然后確定比例系數(shù)， 因該調(diào)節(jié)通過使用PLC 控制薄膜壓力閥來調(diào)節(jié)加料筒引射蒸汽的壓力，所以薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力為正比例關(guān)系，比例系數(shù)為正數(shù)。

（2）在積分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關(guān)系，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，需在控制器中引入積分項。積分項對誤差取決于時間的積分，積分項會隨著時間的增加而加大， 它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差減小，直到等于零。

（3）在微分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關(guān)系， 通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)雖然可以加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，但也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 在控制器中僅僅引入比例項是不夠的，在系統(tǒng)中增加微分項，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了壓力的嚴重超調(diào)。

5.3 PID 調(diào)節(jié)功能塊FB41（CONT_C）

本調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用STEP7 PID 功能塊FB41（連續(xù)控制方式），適用于S7 和C7 的CPU 中的循環(huán)中斷程序。 該功能塊定期計算所需要的數(shù)據(jù)， 保存在指定的背景數(shù)據(jù)塊中。 允許多次調(diào)用該功能塊。

6 成果應(yīng)用分析

現(xiàn)制絲線各工序使用的蒸汽從動力車間生產(chǎn)后通過管道輸送至需求設(shè)備，途徑疏水器和減壓閥。 由于線路長、蒸汽源質(zhì)量不穩(wěn)定、 輸送過程相關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)不穩(wěn)定等原因，若蒸汽閥門保持固定開度，則會導(dǎo)致最終進入需求設(shè)備時，蒸汽壓力不穩(wěn)定，不利于后續(xù)相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的穩(wěn)定。 不同生產(chǎn)線相同機型性能差異、不同牌號的工藝要求差異等，固定的蒸汽壓力亦無法滿足產(chǎn)品精細化加工的發(fā)展需求。

本系統(tǒng)在需求設(shè)備端增設(shè)蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，其關(guān)鍵在于需要合理選擇PID 的比例、積分、微分參數(shù)。需根據(jù)料液的壓力變化以及PLC 的運行周期，來確定PID 采樣周期，再確定比例系數(shù)。 具體如下：

（1）由于使用PLC 控制薄膜壓力閥來調(diào)節(jié)加料筒引射蒸汽的壓力， 所以薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力為正比例關(guān)系，因此比例系數(shù)為正數(shù)。

（2）積分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關(guān)系。

（3）在微分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關(guān)系。

本系統(tǒng)在制絲車間經(jīng)過試運行，其數(shù)據(jù)如下：

分別選取不同煙牌6 組不同牌號的引射蒸汽壓力進行分析統(tǒng)計，引射蒸汽壓力設(shè)定值為0.16MPa，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1，其中統(tǒng)計信息已經(jīng)過濾主機預(yù)熱的時間（近2min）。

表1 不同牌號的引射蒸汽壓力統(tǒng)計

同樣選取相同煙牌4 組不同批次的引射蒸汽壓力進行分析統(tǒng)計，引射蒸汽壓力設(shè)定值為0.16MPa，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2，其中統(tǒng)計信息已經(jīng)過濾主機預(yù)熱的時間（近2min）。

表2 不同批次的引射蒸汽壓力統(tǒng)計

有此可知上述的解決方案與前端蒸汽來料質(zhì)量關(guān)系不大， 通過閥門定位器和PID 控制技術(shù)相結(jié)合來控制蒸汽壓力，適用范圍較廣，可以應(yīng)用于制絲車間其他需要對蒸汽壓力進行控制的工序。

7 結(jié)束語

本文從改善加料機引射蒸汽壓力穩(wěn)定性、 可控可調(diào)性出發(fā)， 研制了一種煙葉加料引射蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)。通過PID 控制引射蒸汽薄膜閥動作，實現(xiàn)引射蒸汽壓力值及其波動范圍控制在合理范圍內(nèi)。 采用SAMSON 分體式薄膜調(diào)節(jié)閥（3730-4 型閥門定位器+氣動控制閥）來控制閥門開度， 使用有Wonderware 公司System Platform結(jié)合Intouch 作為系統(tǒng)的平臺架構(gòu)軟件，開發(fā)上位機界面來監(jiān)控和設(shè)置PID 參數(shù)。