膨脹煙絲加工過程的模糊PID控制系統(tǒng)

肖榮和，吳玉生，舒強(qiáng)，廖文良，孔慶霖，雷國偉*

1.廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司（廈門 361022）；2.集美大學(xué)理學(xué)院（廈門 361021）

卷煙生產(chǎn)包括制絲、卷接、包裝等幾個(gè)流程。其中，制絲工序是卷煙生產(chǎn)過程中的一個(gè)關(guān)鍵工序，在制絲過程中，需要對煙絲進(jìn)行加濕、加溫及干燥處理，這種溫度、濕度等不斷變換的過程，會(huì)使得煙草中的成分發(fā)生變化[1-3]。因此，如何優(yōu)化膨脹煙絲的加工過程，將直接影響煙絲的品質(zhì)。燃燒爐是膨脹煙絲的關(guān)鍵設(shè)備，除了滿足干冰煙絲連續(xù)膨脹的工藝熱能要求，還能焚燒掉工藝氣體中的有機(jī)物，減少排放氣體中有害物質(zhì)排放到環(huán)境中。經(jīng)過液態(tài)二氧化碳浸漬的干冰煙絲被送入升華器，在升華管中與空氣、二氧化碳、蒸汽接觸并被充分加熱，隨著干冰急劇升華，水分急劇蒸發(fā)，煙絲得以充分膨脹。因此，燃燒爐作為工藝氣體的加溫設(shè)備，一旦出現(xiàn)熄火或不穩(wěn)定因素，就會(huì)造成燃燒爐工作狀況和燃燒穩(wěn)定性差，難以滿足生產(chǎn)和工藝的要求，煙絲的質(zhì)量就會(huì)受到影響[4-5]。

除了燃燒爐是膨脹煙絲的關(guān)鍵設(shè)備外，升華器對膨脹煙絲的作用也非常重要。干冰煙絲的升華，可以促使煙絲膨脹[6]。一般來說，升華管道系統(tǒng)裝有3個(gè)電動(dòng)風(fēng)門，用以調(diào)整氣體流速、壓力和溫度。不過，一旦壓力檢測出現(xiàn)故障，負(fù)壓波動(dòng)變大，風(fēng)門調(diào)節(jié)受影響，勢必造成系統(tǒng)停機(jī)[7]?，F(xiàn)在卷煙機(jī)吸風(fēng)室的負(fù)壓，基本上都是采用集中供給形式。雖然提高負(fù)壓，有助于空頭煙的減少，但不能一味提高負(fù)壓，否則將大幅度增加電力的消耗和真空設(shè)備的維保難度[8]。因此，針對負(fù)壓的檢測和處理就變得尤為重要[9]。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，針對鍋爐的負(fù)壓控制并不少見，但是在煙草煙絲加工中，一般采用人工觀察和經(jīng)驗(yàn)操作，無論從時(shí)間效率或控制精度上，都存在改進(jìn)的空間。為此，試驗(yàn)首先針對燃燒爐進(jìn)行故障分析，然后提出改進(jìn)措施，最后采用模糊PID控制的方法，對升華系統(tǒng)中容易出現(xiàn)的負(fù)壓波動(dòng)快速、精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)。

1 故障分析與改進(jìn)

1.1 故障分析

燃油燃燒爐燃燒過程中，0#柴油是可燃物，壓縮空氣是助燃物，起始燃燒溫度由引燃火提供。0#柴油與壓縮空氣在噴槍內(nèi)部混合后形成油氣混合物，從噴油槍前端噴出后進(jìn)行燃燒。燃燒爐正常燃燒時(shí)的油壓與氣壓之間要存在0.1 MPa左右的壓差，也就是說要通過差壓式調(diào)節(jié)閥BV8調(diào)整油氣的燃燒混合比。但是通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，燃燒爐燃燒時(shí)，油壓在0.70～0.64 MPa之間變化，而氣壓沒有發(fā)生變化，始終為0.6 MPa，即差壓式調(diào)節(jié)閥沒有起到調(diào)節(jié)作用。根據(jù)管道內(nèi)流體流量方程，對于管道內(nèi)的柴油，忽略壓力損失，可視為層流流動(dòng)，柴油流量按式（1）計(jì)算。

式中：q為柴油流量，m4/s；μ為柴油的黏度，N·s/m2；d為管道直徑，m；ΔPλ為管端壓降，MPa。

由式（1）可知，柴油壓力發(fā)生變化，即管端的壓降ΔPλ發(fā)生變化時(shí)，流量也發(fā)生線性變化，而壓縮空氣壓力不變，流量不變，導(dǎo)致柴油和壓縮空氣的配比發(fā)生變化。在燃燒爐開始動(dòng)作時(shí)，由于工藝氣體溫度較低，控制系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)，燃油控制閥開到最大（ΔPλ=0.7 MPa），這種情況下壓縮空氣的壓力為0.6 MPa，還可以與油壓配合，但隨著溫度的上升，油壓漸漸下降；隨著ΔPλ的下降，柴油流量q也下降。而壓縮空氣流量沒有任何改變，導(dǎo)致了油氣混合配比發(fā)生變化，火焰就會(huì)懸浮起來，最終導(dǎo)致熄火。對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障停機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：

一是燃燒爐的爐頭溫度設(shè)定為700 ℃，生產(chǎn)過程中聯(lián)動(dòng)風(fēng)門開度在36%±1%。這說明升華后的工藝氣體溫度較高，只有36%的工藝氣體經(jīng)過換熱升溫，燃油燃燒后的熱能利用率低。二是燃燒爐的爐頭溫度設(shè)定值為600 ℃，生產(chǎn)中的聯(lián)動(dòng)風(fēng)門開度可以提升至55%，提高熱能利用率，降低油耗，但在過程中容易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。

產(chǎn)生這兩個(gè)問題的主要誘因是升華管內(nèi)負(fù)壓波動(dòng)大。要解決該問題，就必須改善廢氣風(fēng)門執(zhí)行器控制的精度，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的步進(jìn)刻度值；優(yōu)化控制執(zhí)行器的PID參數(shù)，使之達(dá)到最佳的調(diào)節(jié)參數(shù)。

1.2 改進(jìn)措施

1.2.1 升華系統(tǒng)參數(shù)的改進(jìn)

連續(xù)一個(gè)月對燃燒爐爐頭溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，爐溫設(shè)定值與柴油消耗的關(guān)系見圖1。當(dāng)爐頭溫度降至620 ℃之后，油耗下降較慢，當(dāng)爐頭溫度降至600 ℃時(shí)，雖然油耗有所下降，但容易出現(xiàn)熄火情況，故爐頭溫度設(shè)定為620 ℃。

圖1 燃燒爐爐頭溫度設(shè)定值與油耗的對應(yīng)關(guān)系

1.2.2 廢氣風(fēng)門參數(shù)優(yōu)化

廢棄風(fēng)門執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。廢氣風(fēng)門執(zhí)行器上有擺臂式齒輪箱，其擺臂的長度可以調(diào)節(jié)，將球型鉸鏈位置安裝于最內(nèi)側(cè)的鉸鏈孔，使得執(zhí)行器輸出步進(jìn)刻度減小，從而提高負(fù)壓調(diào)節(jié)精度。

圖2 廢氣風(fēng)門執(zhí)行器示意圖

另外，通過廢氣風(fēng)門執(zhí)行器PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提升執(zhí)行器的響應(yīng)速度。此次研究采用模糊PID控制進(jìn)行參數(shù)調(diào)制，如圖3所示。

圖3 模糊PID控制參數(shù)調(diào)整模型

PID模糊控制的首要任務(wù)，是找出P，I和D三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化δe之間的模糊關(guān)系，并在運(yùn)行中不斷檢測e和誤差變化率δe[10]。考慮KP、KI、KD之間的關(guān)系，輸入變量選擇e和δe，模糊語言變量取值{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}這7個(gè)值，輸出變量選擇ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊語言變量也同樣選擇7個(gè)值。模糊規(guī)則見表1～表3。

表1 ΔKP模糊規(guī)則表

表2 ΔKI模糊規(guī)則表

表3 ΔKD模糊規(guī)則表

由模糊規(guī)則表1～表3，對KP、KI、KD進(jìn)行調(diào)整，選擇合適的模糊規(guī)則方法后，模糊PID參數(shù)按式（2）計(jì)算。

通過模糊規(guī)則表1～表3，對KP、KI、KD進(jìn)行調(diào)整后，得到優(yōu)化曲線圖，如圖4所示。觀察工藝氣負(fù)壓值曲線，單位時(shí)間內(nèi)工藝氣波動(dòng)較大。需要降低PID控制器的P值，但是當(dāng)前的P值為0.01，達(dá)到參數(shù)設(shè)定的下限值，無法繼續(xù)調(diào)整。繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)曲線波動(dòng)周期較長，需要增加I值。經(jīng)過觀察，工藝氣負(fù)壓曲線趨于平穩(wěn)，參數(shù)調(diào)整結(jié)果為最優(yōu)。此時(shí)如表4所示，P為0.01，I為15，D為3。

圖4 KP，KI，KD優(yōu)化曲線圖

表4 優(yōu)化前后的PID參數(shù)值

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 燃燒爐熄火故障停機(jī)次數(shù)對比

對升華系統(tǒng)和廢氣風(fēng)門進(jìn)行改進(jìn)后，得到2020年7月至2020年12月的膨脹線設(shè)備運(yùn)行故障情況統(tǒng)計(jì)表。從表5可看出，優(yōu)化改進(jìn)后燃燒爐熄火故障次數(shù)從7次降至1次，大幅降低了燃燒爐的熄火次數(shù)，保證了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，減小了燃燒爐對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

表5 改進(jìn)前后膨脹線設(shè)備故障停機(jī)次數(shù)統(tǒng)計(jì)對比

2.2 燃燒爐的油耗對比

對升華系統(tǒng)和廢氣風(fēng)門進(jìn)行改進(jìn)后，得到2020年5月至2020年10月的膨脹線燃油消耗情況表。從表6可看出，改進(jìn)前燃燒爐平均油耗792.03 L/104kg煙絲，改進(jìn)后燃燒爐平均油耗690.34 L/104kg煙絲，節(jié)約油耗101.69 L/104kg煙絲，下降12.84%。

表6 改進(jìn)前后膨脹線燃燒爐油耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比

2.3 負(fù)壓波動(dòng)情況

改進(jìn)前，工藝氣體風(fēng)速設(shè)定為34 m/s，負(fù)壓設(shè)定為1 200 Pa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為137 Pa，波動(dòng)較大，波動(dòng)率達(dá)11.42%，影響工藝氣體的穩(wěn)定性，物料在升華管道內(nèi)停留時(shí)間的波動(dòng)，最終導(dǎo)致膨脹后出口水分的穩(wěn)定性較差。改進(jìn)后，波動(dòng)明顯減小，負(fù)壓標(biāo)偏均值降到了56.2 Pa，波動(dòng)率由11.42%降至4.68%。

表7 升華管內(nèi)負(fù)壓標(biāo)偏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

通過對燃燒爐的燃油管路分析，找出燃燒爐生產(chǎn)過程熄火的問題，主要是因?yàn)樯A管內(nèi)負(fù)壓波動(dòng)大。要解決該問題，就必須改善廢氣風(fēng)門執(zhí)行器控制的精度，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的步進(jìn)刻度值，優(yōu)化模糊PID控制系統(tǒng)參數(shù)。通過廢氣風(fēng)門執(zhí)行器連桿調(diào)整和PID參數(shù)的優(yōu)化，提升了負(fù)壓穩(wěn)定性，確保了煙絲在升華管內(nèi)的加工時(shí)間穩(wěn)定，降低了升華后的水分波動(dòng)，波動(dòng)率由11.42%降至4.68%，工藝熱風(fēng)的穩(wěn)定性顯著提升引起出口煙絲含水率的提升。燃燒爐在油耗降低的同時(shí)，大幅降低了燃燒爐熄火故障次數(shù)，優(yōu)化后燃燒爐熄火故障次數(shù)從7次降至1次，近8個(gè)月來已杜絕了燃燒爐熄火情況的發(fā)生。