王登兵　趙永祥　何　偉　韓　磊

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠，天津 300163）

SH38型管板式烘絲機控制系統(tǒng)改進

王登兵趙永祥何偉韓磊

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠，天津 300163）

為提高SH38型管板式烘絲機在運行過程中的穩(wěn)定性和控制精度，對烘絲機控制系統(tǒng)的設(shè)備及控制方式進行改進。通過對筒體、回水、熱風、排潮、蒸汽管路合理增加監(jiān)測點，開發(fā)運行狀況預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)在線預(yù)警提示及聯(lián)鎖控制，提升烘絲機運行穩(wěn)定性及故障預(yù)判預(yù)修，降低故障突發(fā)頻次；利用飽和蒸汽壓力-溫度對應(yīng)關(guān)系原理對筒壁溫度檢測模式進行補充，提升主要控制參數(shù)穩(wěn)定性；增加分段PID控制模式對控制流程進行優(yōu)化。

管板式烘絲機；控制系統(tǒng)；預(yù)警系統(tǒng)；PID參數(shù)整定；壓力-溫度轉(zhuǎn)換

烘絲機是煙草制絲生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是對葉絲進行烘干處理，使其含水率達到11%～14%，且將含水率精度控制在±0.5%以內(nèi)，同時在葉絲烘干過程中，使煙絲產(chǎn)生明顯的膨脹，提高煙絲的填充力，以滿足卷煙工藝要求［1］。天津卷煙廠使用的管板式烘絲機是秦皇島煙機廠生產(chǎn)的SH38型管板式烘絲機，該型號管板式烘絲機采用傳導(dǎo)——對流的方式對煙絲進行干燥，通過筒體溫度、熱風、排潮等組合作用下對煙絲進行干燥處理，使其滿足工藝指標的要求。本文從分析現(xiàn)有烘絲機工作原理和控制模式入手，通過開發(fā)烘絲機運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，并對烘絲機控制系統(tǒng)硬件設(shè)備及控制程序進行聯(lián)合優(yōu)化，達到提高烘絲機控制精度及運行穩(wěn)定性的目的。

1　現(xiàn)狀分析

1.1工作原理

管板式烘絲機的工作原理是：煙絲在環(huán)形空間內(nèi)通過炒料板不斷翻滾下滑，并與內(nèi)外筒體加熱器及順向或逆向流動熱風充分接觸，蒸汽經(jīng)管路系統(tǒng)至旋轉(zhuǎn)接頭后進入烘絲筒內(nèi)的管板中，烘絲機筒體的高溫迅速將高溫高濕的來料煙絲中的水分烘出，同時用高溫的熱風將烘出的水分帶走，并使煙絲冷卻定型。出口水分的控制主要依靠兩個方面：①筒溫；②熱風和排潮風量［1-3］。其中，筒溫是控制水分的主要因素。SH38型管板式烘絲機采用的是固定筒壁溫度，調(diào)節(jié)熱風排潮風量的控制模式來進行煙絲水分控制，在這種控制模式下，筒溫的穩(wěn)定性對于烘絲機的出口煙絲含水量的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。

SH38型管板式烘絲機的筒溫控制原理如下：在烘絲機的出料端旋轉(zhuǎn)接頭回水管路上裝有一溫度傳感器，通過測量回水溫度近似為筒壁溫度，將筒溫設(shè)定值與測得的筒溫差值通過PID運算得到控制信號，自動跟蹤調(diào)節(jié)薄膜調(diào)節(jié)閥的開度，以控制進入烘絲機筒內(nèi)的蒸汽量，最終達到控制筒溫穩(wěn)定在設(shè)定值附近的目的。

1.2存在問題

SH38型管板式烘絲機設(shè)備出廠設(shè)計中的運行參數(shù)監(jiān)測工藝點較少，主要包括烘筒轉(zhuǎn)速、筒壁溫度、熱風溫度及熱風風量，通過對現(xiàn)有系統(tǒng)生產(chǎn)運行情況分析，烘絲機控制系統(tǒng)中有關(guān)運行狀態(tài)的監(jiān)測點設(shè)置不足，不能支撐對整個設(shè)備運行狀況的判斷及預(yù)警，運行過程中異常故障及突發(fā)故障頻次相對較高，從而影響了烘絲生產(chǎn)的穩(wěn)定性，需要對影響烘絲過程的主要因素進行監(jiān)測，通過對各運行參數(shù)的采集、分析進而定量化并參與控制，為烘絲機運行過程中設(shè)備穩(wěn)定性的判斷提供充足數(shù)據(jù)。另外，烘絲機在筒溫控制方面存在兩個問題：①筒溫實際值采用溫度變送器進行單點測量，測量位置在出料端旋轉(zhuǎn)接頭處，長期運行中會由于設(shè)備的老化磨損等因素，給筒溫檢測帶來不規(guī)律擾動［4］，需要對筒溫檢測方式進行優(yōu)化，以穩(wěn)定烘絲運行的主要參數(shù)；②烘絲機起動后需進行預(yù)熱，預(yù)熱時的筒溫調(diào)節(jié)由PID調(diào)節(jié)器進行控制，當前系統(tǒng)中烘絲機實際預(yù)熱時間較長，影響烘絲生產(chǎn)效率，在不影響正常生產(chǎn)階段水分控制的前提下，需要通過優(yōu)化控制程序達到降低預(yù)熱時間的目的。

2　改進措施

針對烘絲機目前存在的問題，從3個方面進行改進，通過開發(fā)烘絲機預(yù)警系統(tǒng)提高設(shè)備運行穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上針對主要工藝參數(shù)即筒壁溫度控制過程中的問題，進行控制模式及程序優(yōu)化，達到穩(wěn)定主要工藝參數(shù)的目的，從而提高控制精度和生產(chǎn)效率。

2.1預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

烘絲機預(yù)警系統(tǒng)是為保障設(shè)備運行的穩(wěn)定性設(shè)計的，其是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、綜合分析系統(tǒng)，主要功能是通過判斷烘絲機運行過程中的工藝參數(shù)變化趨勢，對可能發(fā)生的故障進行提前預(yù)警，并對設(shè)定量進行一定的補償減少故障突發(fā)情況。SH38型管板式烘絲機預(yù)警系統(tǒng)由檢測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、監(jiān)控操作界面組成，其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1）報警系統(tǒng)

烘絲機目前的設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測工藝點較少，僅有筒壁溫度、熱風溫度及熱風風量，實際生產(chǎn)運行過程中，影響煙絲質(zhì)量的主要因素比較多，因此在當前管板式烘絲機設(shè)備中增加多個運行參數(shù)監(jiān)測點，通過安裝相應(yīng)傳感器等檢測裝置，對進筒蒸汽壓力、進筒蒸汽溫度、回水溫度、回水壓力、排潮風量、熱風風量、熱風及排潮濕度、出入口負壓等工藝參數(shù)進行檢測，將以上全部監(jiān)測點接入PLC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，通過編寫程序進行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及濾波處理，并將PLC處理后的數(shù)據(jù)傳送至報警系統(tǒng)，增加監(jiān)測點后對烘絲機預(yù)警系統(tǒng)全部監(jiān)測點參數(shù)見表1。

表1　烘絲機報警系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測點

報警系統(tǒng)的監(jiān)控操作在上位機上實現(xiàn)，檢測數(shù)據(jù)在監(jiān)控畫面上顯示。通過不斷的試驗、測試及分析，根據(jù)實際運行情況為表1中所有運行參數(shù)建立參數(shù)分析比對模型，規(guī)定出各個參數(shù)允許浮動范圍，對所有新增的工藝參數(shù)進行歸檔并添加到原有歷史趨勢中，畫面中可以顯示當前狀態(tài)下的工藝參數(shù)曲線，也可以對歷史趨勢曲線進行調(diào)取查詢。

在報警數(shù)據(jù)庫中為表1中的烘絲機預(yù)警參數(shù)定義報警及反饋信息，在歷史趨勢中設(shè)定上下限范圍，根據(jù)實際運行情況設(shè)定報警閾值進行實時監(jiān)控及報警，提示操作人員進行必要的處理。

操作人員通過鼠標點擊即可完成所有操作功能，并能快捷地調(diào)用各參數(shù)歷史趨勢畫面，維護人員可通過鍵盤操作進行報警參數(shù)及設(shè)定補償?shù)脑O(shè)置和修改，可以針對不同批次牌號的煙絲對監(jiān)測點閾值數(shù)據(jù)進行調(diào)整和修改，設(shè)置浮動的報警及補償上下限；以新增的進筒蒸汽壓力數(shù)據(jù)為例，圖2所示為預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控畫面，預(yù)警上下限以該批次的進筒蒸汽壓力設(shè)定值參數(shù)為基準進行確定，正常生產(chǎn)中參數(shù)處于上下限范圍內(nèi)時，曲線顏色為粗線條綠色，在超出限制值時曲線會變成紅色，同時在監(jiān)控主畫面中進行信息提示，提醒操作人員作出判斷，通知現(xiàn)場人員進行確認，通知維修人員對異常信息進行確認，達到提前預(yù)測故障并指導(dǎo)維修的目的。

2）綜合分析系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控的各參數(shù)實時曲線可以在同一畫面中集中顯示，也可以分別放大進行單獨顯示，將圖1中各個相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)采集變量與內(nèi)部設(shè)置量、及固化參數(shù)進行比較經(jīng)過PLC綜合分析，最終輸出預(yù)警信息，以筒體溫度設(shè)定值為例，當壓力檢測與溫度檢測比例偏離中值時，綜合分析系統(tǒng)將通過計算的數(shù)據(jù)已補償修正值反饋給PLC來控制筒體溫度的恒定，達到在外圍因素發(fā)生變化時系統(tǒng)能及時作出反饋調(diào)整，控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

圖2　預(yù)警監(jiān)控畫面

2.2筒溫控制方式優(yōu)化

根據(jù)烘絲機蒸汽疏水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及飽和蒸汽壓力與溫度存在一一對應(yīng)關(guān)系的原理，在正常情況下，滾筒蒸汽壓力與筒溫之間也存在一一對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)該原理，可以通過檢測烘絲機蒸汽管理中蒸汽壓力的方式間接獲取筒溫數(shù)據(jù)。

在當前管板式烘絲機設(shè)備中增加了一套壓力檢測裝置，壓力檢測變送器安裝于烘絲機的主蒸汽管路上，位于蒸汽薄膜閥后，對進入烘絲機管路的蒸汽壓力進行測量，并根據(jù)飽和蒸汽壓力與溫度的對應(yīng)關(guān)系，判斷工作蒸汽質(zhì)量和品質(zhì)，設(shè)計控制器/控制單元，結(jié)合運行經(jīng)驗，輸出蒸汽質(zhì)量對溫控系統(tǒng)閉環(huán)控制的擾動量/擾動因素，復(fù)合運算后參與筒溫調(diào)節(jié)，可以對筒溫控制過程進行補償校正，減少蒸汽質(zhì)量波動等干擾因素引起的筒溫控制不穩(wěn)定性。優(yōu)化后的筒溫控制原理框圖如圖3所示。

圖3　改進后的筒溫控制原理框圖

進入烘絲機筒體的蒸汽壓力通常在0～1MPa，通過PLC程序采用查表法實現(xiàn)壓力——溫度的轉(zhuǎn)換，飽和蒸汽壓力——溫度對照數(shù)據(jù)見表2，并根據(jù)表2繪制出壓力及溫度變化曲線參如圖4所示。

表2　飽和蒸汽壓力——溫度對照表

圖4　飽和蒸汽曲線圖片

2.3控制流程優(yōu)化

根據(jù)實際運行情況，目前烘絲機存在預(yù)熱時間過長的問題，通過分析生產(chǎn)流程發(fā)現(xiàn)，烘絲機在自動狀態(tài)下啟動后進入預(yù)熱狀態(tài)，筒溫、熱風溫度的控制通過調(diào)用PID控制模塊實現(xiàn)，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)在整個運行過程中保持固定不變，該參數(shù)能保證生產(chǎn)中筒溫及熱風溫度控制的穩(wěn)定性，達到水分控制精度要求，但在預(yù)熱狀態(tài)時對筒溫的調(diào)節(jié)較慢，使得預(yù)熱時間過長，影響生產(chǎn)效率。

針對實際問題，通過烘絲機運行狀態(tài)劃分及分段PID控制實現(xiàn)分段調(diào)節(jié)。根據(jù)條件組合明確劃分預(yù)熱階段與生產(chǎn)階段，對控制程序中的PID調(diào)節(jié)程序進行剝離，在不改動原有程序結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重新建立新的功能塊，新增PID控制器對預(yù)熱階段單獨控制，在不影響正常生產(chǎn)階段水分控制的前提下，達到降低預(yù)熱時間的目的。

改進后的烘絲機控制流程如圖5所示。

劃分出預(yù)熱階段后，在程序部分與人機交互界面分別增加預(yù)熱階段PID控制器功能程序，采用實驗法對PID參數(shù)進行整定，確定預(yù)熱階段的PID控制參數(shù)，達到烘絲機快速預(yù)熱的要求。

圖5　改進后的烘絲機控制流程圖

3　改進效果

烘絲機控制系統(tǒng)改進后，實現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)正常運行，通過實時監(jiān)測設(shè)備內(nèi)多點的運行狀態(tài)情況，能預(yù)測可能發(fā)生的故障，有效防止異常故障的發(fā)生。從中控室采樣烘絲機過程控制數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，隨機采樣改進前后一個月內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析得知，改進后生產(chǎn)過程中的筒溫實際值在設(shè)定值+0.5℃范圍內(nèi)波動，滿足筒溫控制精度要求，由表3可見：①改進后筒溫標準偏差減小，出口水分的標準偏差由改進前的0.11%減小到0.06%；②改進后消除了烘絲機預(yù)熱時筒溫明顯超調(diào)的情況，筒溫調(diào)節(jié)震蕩減弱，批次平均預(yù)熱時間也明顯縮短。

表3　改進前后烘絲機數(shù)據(jù)對照表

4　結(jié)論

1）開發(fā)烘絲機預(yù)警系統(tǒng)后，有效減少了烘絲機突發(fā)故障及異常故障發(fā)生的頻次，提高了設(shè)備運行的可靠性。

2）采用主蒸汽管路飽和蒸汽壓力-溫度轉(zhuǎn)換方法參與筒溫控制后，在不確定干擾情況下減少了筒溫過調(diào)節(jié)情況，提高了筒溫控制的穩(wěn)定性和設(shè)備運行可靠性，從而提升了烘絲出口水分控制的穩(wěn)定性與精度。

3）采用分段PID控制方式解決了烘絲機筒溫調(diào)節(jié)對預(yù)熱快速性與生產(chǎn)中穩(wěn)定性的矛盾，在不影響生產(chǎn)階段水分控制精度的前提下有效縮短預(yù)熱時間，提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 秦皇島煙草機械有限責任公司. 烘絲機培訓(xùn)講義［Z］. 2010.

［2］ 徐偉民， 劉劍敏， 舒夢， 等. COMAS烘絲機整體改造與應(yīng)用［J］. 煙草科技， 2011（2）： 17-20.

［3］ 楊明權(quán). 改進HAUNI烘絲機控制模式降低烘絲干頭干尾量［J］. 煙草科技， 2005（8）： 6-7， 9.

［4］ 陳河祥， 李斌， 李華杰， 等. 滾筒烘絲機控制方法的改進與對比分析［J］. 煙草科技， 2011（9）： 12-15.

王登兵（1968-），男，天津市人，本科，高級技師，主要從事企業(yè)電氣管理維修工作。