一種烘絲機蒸汽自動管控的設(shè)計與應(yīng)用

解振山

摘 要：【目的】為降低烘絲機蒸汽使用單耗，進一步提升烘絲機蒸汽使用效率，設(shè)計了一種蒸汽自動管控模式?！痉椒ā抗芸啬Ｊ竭\用建模理論，采用多種分析工具和方法，找出主要因素和實現(xiàn)目標(biāo)的最優(yōu)路徑；利用PLC控制技術(shù)、人機界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，一方面，克服了現(xiàn)場儀表無法采集累計值的缺陷，另一方面，建立了基于生產(chǎn)現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備的能源預(yù)警和提示系統(tǒng)?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：烘絲機的蒸汽單耗由0.70 kg/kg葉絲下降到0.60 kg/kg葉絲，下降幅度超過10%，烘絲機蒸汽單耗指標(biāo)有效下降；使用人員借助自動管控模式能夠及時發(fā)現(xiàn)問題?！窘Y(jié)論】該技術(shù)可為能源管理下沉到關(guān)鍵設(shè)備層和提高能源精益管理水平提供支持。

關(guān)鍵詞：自動管控；缺陷；現(xiàn)場；預(yù)警；精益管理

中圖分類號：TN710? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）04-0050-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.009

Design and Application of Steam Automatic Control for

Tobacco Dryer

XIE Zhenshan

（Fuyang Cigarette Factory， China Tobacco Anhui Industrial Co.， Ltd.， Fuyang 236000， China）

Abstract： [Purposes] To reduce the steam unit consumption of tobacco dryer ，and further improve the efficiency of the steam use of tobacco dryer， this paper designs an automatic steam management and control mode. [Methods] The mode uses modeling theory and a variety of analysis tools and methods to identify the main factors and the optimal path to achieve the goal; by using PLC control technology， man-machine interface technology and database technology， on the one hand， the defect that the field instrument can not collect the cumulative value is overcome， and on the other hand， the energy early warning and prompt based on the key production equipment at the production site is established. [Findings] The results indicate：the steam unit consumption of tobacco dryer is reduced from 0.70 kg/kg cut tobacco to 0.60 kg/kg cut tobacco， the reduction range is more than 10%， and the steam unit consumption index of the tobacco dryer is effectively reduced;the user can find the problem in time by means of the automatic control mode. [Conclusions] This technology can provide support for energy management sinking to the key equipment layer and improve the level of energy lean management.

Keywords： automatic control; defect; field; early warning; lean management

0 引言

安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司阜陽卷煙廠的能源種類主要有蒸汽、天然氣、水、電、壓縮空氣等五種類型，排在首位的能源消耗量為蒸汽消耗量，約占總能耗的70%，其中烘絲筒類設(shè)備的蒸汽耗用量占比約76%，占比最大。在蒸汽使用過程中，傳統(tǒng)技術(shù)只能依靠人工對蒸汽系統(tǒng)的異常情況進行判斷識別，導(dǎo)致蒸汽消耗數(shù)值異常波動時，不能及時發(fā)現(xiàn)，從而影響管控效果。為此，本研究設(shè)計一種烘絲機蒸汽自動管控模式。該自動管控模式，以車間蒸汽最大消耗主機設(shè)備烘絲機為突破口，運用PDCA原理，借助PLC自動控制技術(shù)采集數(shù)據(jù)、編寫程序，在預(yù)熱和生產(chǎn)階段實現(xiàn)蒸汽數(shù)據(jù)采集、趨勢跟蹤、預(yù)熱時間管理、異常預(yù)警等功能，形成了一個標(biāo)準(zhǔn)化的蒸汽消耗管控模式，有利于排查蒸汽異常原因，實現(xiàn)對蒸汽能源的精益管理。

1 自動管控模式

1.1 問題分析

通過對目前烘絲機的蒸汽影響因素進行統(tǒng)計分析，建立蒸汽消耗影響因素柏拉圖。按照次序進行排序，得到柏拉圖，如圖1所示。采用ABC分類法進行分類，累計百分比80%以內(nèi)的因素有預(yù)熱時間長、切換牌號時間長、筒壁冷凝水閥疏水不暢，為主要因素。這三種因素導(dǎo)致的結(jié)果直觀反映為蒸汽消耗數(shù)值的異常變動。

經(jīng)統(tǒng)計2022年1—4月蒸汽消耗，如圖2所示，以烘絲機進料前的葉絲秤重量為參考數(shù)據(jù)，烘絲機的蒸汽消耗值平均為0.70 kg/kg葉絲。

1.2 模型建立

根據(jù)操作的難易程度、問題反饋及時性、檢查是否方便、所需專業(yè)知識強弱等四個維度對過程因素進行評價［1］，最終得出發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的因素價值評估得分，見表1。

在因素評估得分的基礎(chǔ)上，找出關(guān)鍵路徑（最優(yōu)方案）：start—6—9—11—end，總長度為78，數(shù)值最大，價值最高，如圖3所示。

按照管理循環(huán)法（Plan-Do-Check-Action，PDCA）的原則，結(jié)合處理問題的工作流程，以自動化為基礎(chǔ)，通過控制技術(shù)和人機界面數(shù)據(jù)趨勢記錄，達到自動采集數(shù)據(jù)、實現(xiàn)預(yù)警功能以及記錄數(shù)據(jù)的目的，最終實現(xiàn)HMI數(shù)據(jù)分析、IFIX數(shù)據(jù)分析、IFIX數(shù)據(jù)對比等三方面功能，如圖4所示。

1.3 程序設(shè)計

烘絲機蒸汽消耗在設(shè)備上分為熱風(fēng)蒸汽消耗和筒壁蒸汽消耗，在工藝上分為預(yù)熱階段和生產(chǎn)狀態(tài)階段。通過烘絲機熱風(fēng)蒸汽管道和筒壁蒸汽管道上的流量計［2］，利用PLC實時采集的蒸汽流量，在PLC內(nèi)通過積分方程的方法把實時蒸汽流量對時間進行積分，得到烘絲機熱風(fēng)蒸汽管道和筒壁蒸汽管道的累計蒸汽使用量［3］。

①設(shè)備預(yù)熱階段的蒸汽管控。在PLC中利用編制算法計算出預(yù)熱每批次蒸汽流量均值、預(yù)熱完成條件判斷、預(yù)熱時間和預(yù)熱蒸汽使用總量記錄、預(yù)熱階段預(yù)警報警的數(shù)值。

②批次生產(chǎn)狀態(tài)階段的蒸汽管控。在PLC中利用編制算法計算生產(chǎn)每批次蒸汽流量均值、生產(chǎn)完成判斷、生產(chǎn)時間和生產(chǎn)蒸汽使用總量記錄、生產(chǎn)階段預(yù)警報警。

利用DB數(shù)據(jù)塊在人機界面HMI上短時間保存數(shù)據(jù)［4］，并利用IFIX數(shù)據(jù)庫建立趨勢走向，以實現(xiàn)設(shè)備蒸汽消耗量的預(yù)警和有效管控。由于烘絲機蒸汽流量計采用的是0～10 V模擬量信號，PLC只能夠采集到瞬時值，無法直接讀取累計值。因此，需要通過積分算法計算累計值。在確定累計值計算積分算法的基礎(chǔ)上，利用OB35每100 ms調(diào)用一次CPU時鐘寄存器，計算積分瞬時流量累計值?；诹髁繉r間進行積分的原理，通過PLC的循環(huán)功能塊OB35進行計算得出蒸汽的實時消耗量和累計值［5］，結(jié)合時間，根據(jù)蒸汽實時消耗量和累計值判定蒸汽系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常，利用DB數(shù)據(jù)塊DB200.DBD100在人機界面HMI上短時間保存數(shù)據(jù)，利用IFIX數(shù)據(jù)庫建立趨勢走向。首先，在PLC內(nèi)建立積分方程，微積分方程為[Ft=abftdt]，其中，公式中的F（t）為在時間段（a，b）的蒸汽總量；f（t）為蒸汽流量計采集的實時蒸汽流量，PLC地址為DB301.DBD100；a為計算起始時間，預(yù)熱時通過HMI標(biāo)簽“預(yù)熱”狀態(tài)上升沿記錄，PLC地址為M500.1，生產(chǎn)時通過HMI標(biāo)簽“生產(chǎn)”狀態(tài)上升沿記錄，PLC地址為M500.2；b為計算結(jié)束時間，預(yù)熱時通過HMI標(biāo)簽“預(yù)熱”狀態(tài)下降沿記錄，PLC地址為M500.1，生產(chǎn)時HMI標(biāo)簽“生產(chǎn)”狀態(tài)下降沿記錄，PLC地址為M500.2。主要參數(shù)定義見表2。積分方程利用區(qū)間分割、近似求和的方法求出[Ft=abftdt≈aa+ΔtiΔtdΔt]，其中i為蒸汽實時流量，[Δt]取0.1～1 s。將a和a+[Δt]應(yīng)用在PLC循環(huán)功能塊OB35中，循環(huán)一次后令[a=a+Δt]，當(dāng)[a+Δt=b]時循環(huán)結(jié)束，輸出F（t）。其中，預(yù)熱每批次的[Ft=n每批次預(yù)熱消耗的Ftn]，生產(chǎn)每批次的[Ft=n每批次生產(chǎn)消耗的Ftn]。邏輯流程如圖5所示。

利用烘絲機蒸汽流量計自身顯示屏上的累計值，選取10批次進行試驗，通過對比每批次蒸汽流量計的累計值和算法計算的累計值進行比較，可以看出，偏差百分比為2.72%，累計值計算誤差較小，計算合理，見表3。

根據(jù)實際生產(chǎn)過程，預(yù)熱完成判斷條件為烘絲機的熱風(fēng)溫度在時間t1≤15 min內(nèi)達到工藝設(shè)定值T1=130 ℃且滾筒溫度在時間t2≤20 min內(nèi)達到T2=150 ℃，預(yù)熱完成，在IFIX上顯示“烘絲機預(yù)熱完成”，方便中控人員進行操作進料或調(diào)整工藝參數(shù)。當(dāng)T1和T2都達到設(shè)定值時，t1或t2超過正常時間且超過3 min，則判斷蒸汽異常［6］，在IFIX上顯示“烘絲機預(yù)熱異常，請檢查”。與過去一周內(nèi)預(yù)熱平均時間比較，時間超過5 min，且工藝條件滿足，判斷蒸汽消耗量異常。與過去一周內(nèi)預(yù)熱蒸汽消耗量平均值比較，超過平均值15%，判斷蒸汽消耗量異常。若與過去一周內(nèi)同牌號生產(chǎn)平均時間比較，時間超過10 min，且滿足工藝條件，判斷蒸汽消耗量異常。與過去一周內(nèi)同牌號生產(chǎn)蒸汽消耗比較，超過平均值20%以上，判斷蒸汽消耗量異常，程序算法邏輯見表4。

在人機交互界面，針對不同對象實現(xiàn)不同的功能［7］。由于生產(chǎn)崗位是發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的第一現(xiàn)場，因此，在下位機HMI上界面設(shè)計上，需要實現(xiàn)上料提醒、實時數(shù)據(jù)顯示功能、超值預(yù)警、數(shù)據(jù)對比分析等功能，目的是能夠自動發(fā)現(xiàn)蒸汽異常狀態(tài)和便于人工及時處置。在上位機IFIX界面設(shè)計上［8］，借助歷史數(shù)據(jù)庫可以更長久地保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，對象為中控員和能源管理人員，主要有數(shù)據(jù)記錄、趨勢分析等功能，便于查看歷史數(shù)據(jù)，對比排查改善效果。

根據(jù)不同的蒸汽異常類別，設(shè)置不同的控制目標(biāo)，采取不同的管控措施，最終形成閉環(huán)的完整分析和解決問題的管控措施，見表5。

2 應(yīng)用效果

自動管控模式實施后，經(jīng)統(tǒng)計2022年5—10月蒸汽單耗數(shù)據(jù)，烘絲機蒸汽單耗為0.60 kg/kg葉絲，蒸汽消耗下降幅度超過10%，如圖6所示。使用中發(fā)現(xiàn)問題的頻次比以往增多，如圖7所示。該系統(tǒng)提高了能源管理全員參與度，建立了數(shù)據(jù)可視化和報警信息，便于崗位人員及時查看能源數(shù)據(jù)，進一步提高了能源精益管理的水平。

3 結(jié)語

該自動管控模式，結(jié)合故障分類特征及模型分析，主要實現(xiàn)了預(yù)熱和批次階段實現(xiàn)蒸汽的消耗統(tǒng)計、分析及預(yù)警功能，算法邏輯主要解決蒸汽耗用是否超過理想值的邏輯判定。預(yù)熱階段，通過預(yù)熱時間、預(yù)熱筒壁蒸汽消耗量、預(yù)熱熱風(fēng)蒸汽消耗量的計算值和理想值的計算比較，可判斷預(yù)熱時間和預(yù)熱蒸汽消耗量是否超標(biāo)，若超標(biāo)，給出判斷信息和報警提示。其中，在蒸汽累計量的設(shè)置上，采用輸入/輸出相結(jié)合的方法，理想值可以人工輸入數(shù)據(jù)，通過計算預(yù)熱條件來滿足要求時的理論值判斷和一周內(nèi)預(yù)熱累計平均值，三者中取最小值為理想值，超過理想值一定數(shù)量則判定為超標(biāo)，預(yù)熱條件滿足即提示“滿足上料條件，可以上料”。生產(chǎn)階段（批次階段），以累計一周平均值或輸入值作為理想值，超過理想值一定數(shù)量則判定為超標(biāo)。該設(shè)計不需要改變原有的設(shè)備結(jié)構(gòu)，技術(shù)可靠性高，極大地降低了生產(chǎn)改造成本，能夠更好地統(tǒng)計設(shè)備運行時所需要的蒸汽總量和進行蒸汽異常判斷分析，實現(xiàn)了設(shè)備蒸汽消耗量的預(yù)警和有效管控，為能源管理下沉到關(guān)鍵設(shè)備層和提高能源精益管理水平提供了技術(shù)支持。

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