烟片复烤机冷却区控制方式的改进

烟片复烤机冷却区控制方式的改进
赵静;梁逢春;张鑫
【摘要】目前烤片机冷房烟叶水分的控制主要是由人工完成,操作人员需要随时观察外界输入量的变化,及时改变干燥区各区的设定温度,以满足生产工艺的要求.这种方式对操作人员的工作能力要求非常高,且劳动强度大.为了解决此问题,提出一种前馈加反馈的双控制器的控制方法,实现烤片机冷房烟叶水分的自动控制.经过设备长时间的稳定运行表明;控制方式是成功的,实现了烤片机冷房烟叶水分的自动控制,且达到了理想效果,提升了烤片机的控制性能.%At present,tobacco moisture control is accomplished artificially in most cases in the lamina redrying machine of the cooling room. Operators there have to observe variations of external input quantities all the time and change temperatures set in various parts of the drying section so as to meet the requirement on production process.That puts a high demand on the working capability of the operator and involves high labor intensity.To solve this problem,dual control of feed-forward and feedback was proposed to realize automatic control of tobacco moisture in the lamina redrying machine of the cooling room.Long-time stable operation of the machine has indicated that it is a successful control approach and can realize automatic control with ideal results,thus improving control performance of the lamina redrying machine.
【期刊名称】《电气自动化》
【年(卷),期】2018(040)003
【总页数】3页(P97-99)
【关键词】烤片机;冷却区自动控制;数字滤波;干燥区温度;前馈控制;反馈控制
【作者】赵静;梁逢春;张鑫
【作者单位】云南昆船烟草设备有限公司自动化部,云南昆明 650236;云南昆船烟草设备有限公司自动化部,云南昆明 650236;江西赣南烟叶复烤有限责任公司生产设备部,江西赣州 341000
【正文语种】中文
【中图分类】TM571;TP271
0 引言
烤片机主要是对烟梗分离后的烟片进行处理，按其工艺特点主要分为干燥段、冷却段和回潮段。

干燥段有4个区, 冷却段有1个区, 回潮段有3个区。

烟片由烤片机入口首先进入干燥区进行脱水，再到冷却区进行一定的降温，最后到回潮区进行蒸湿，达到一定的温度和湿度，以便满足后段对烟片的处理。

2010年福建三明复烤厂提出烤片机冷房水分自动控制的要求，烤片机冷房水分由传统的人工调节改为自动控制。

1 存在问题
烟片复烤过程是一个多干扰、强耦合、大滞后、非线性和不确定的大热容过程, 不同过程的任一区段温湿度的变化都会影响到其后各区段的参数和出口烟片含水率, 具体表现如下[1]：①干扰因素多, 入口烟片的含水率、温度、湿度、产地、品种和等级等都对出口含水率有影响；加热蒸汽和回潮蒸汽的压力、温度以及饱和程度直接影响着出口烟片的含水率和温度；环境空气的温湿度对冷却阶段的烟片含水率和
温度也有较大的影响；②红外水分仪精度受外界影响较大, 基准值易发生漂移, 干燥区、冷房及出口含水率测量值受测量方法及电噪声的影响波动频繁, 影响了控制的性能；③生产过程特性多变, 受前部打叶过程的影响, 进料流量和链车速度有时需要调整，以满足生产的连续进行。

烟片复烤设备在高温、高湿和粉尘等环境下工作容易发生异常, 工作人员需要随时改变工艺操作；④含水率控制是一个大滞后过程, 在出口含水率发生变化时无法及时控制, 由此造成含水率波动。

冷却区的控制一直是烟片复烤机控制的重点及难点，其主要的性能指标为烟叶水分左、中、右及上、中、下的偏差。

若冷房水分的控制达到理想的状态，那么烤片机最终的控制指标，出口水分及装箱水分也都能控制得非常理想。

以往烤片机冷却区的控制方式为人工控制，即操作人员随时观察外界输入量的变化，主要为烟叶的入口含水率、环境温度、环境湿度和烟叶种类等。

当输入量发生变化时，操作人员需要马上改变干燥各区的设定温度，保证冷房水分控制在要求的范围内。

这种方法对操作人员的工作能力要求非常高，工作量也非常大。

在复烤厂，烤片机的操作一般需要两个人，随时都要保证有一个人在观察烤片机的运行状态。

2 控制方式的改进
烤片机冷却区的控制是大滞后、多变量影响的控制，在多台烤片机上试验过，采用单纯的反馈闭环控制(PID控制)或单纯的前馈控制都是不行的。

而严格的控制模型也很难建立起来。

本控制方式是建立在当烤片机开机，稳定运行后，以当前的状态为基础变量，在此基础变量的基础上引入前馈及反馈控制。

由于对冷房水分影响最大的是干燥各区的温度，所以本控制中以干燥各区的设定温度作为执行变量，通过随时改变其值，以达到最终控制冷房水分的目的。

在烤片机冷却区的控制过程中，其影响变量有几十个，其中入口水分的变化是最快的，有时在1～2分钟内会有2个水分的变化，而其他影响因素的变化则相对缓慢得多，如环境湿度、环境温度等。

所以本控制的核心是：前馈控制主要是针对入口
水分的变化，而反馈控制主要针对的是其他缓慢变化的影响因素。

在控制上可以选择单纯的反馈控制，或单纯的前馈控制，或反馈控制加前馈控制的组合控制。

在自动运行时，此3种控制方式可以自由地切换，且切换过程中干燥区各区的温度设定值不发生变化[2-3]。

2.1 信号的处理
在本控制过程中，主要要求是温度的控制不能随入口水分及冷房水分的变化而频繁变化。

但是还必须随着入口水分及冷房水分总体长时间的变化而进行变化。

这就需要对实际的水分值进行处理，过滤掉入口水分及冷房水分短时间的波动，使其反应入口水分及冷房水分的实际变化趋势。

经过长期大量的试验及分析，最终确定多种滤波方式组合的滤波方法：改进型限幅滤波法+中位值滤波法+递推平均滤波法[4-7]。

其中烤片机入口水分取30秒的平均值，冷房水分取75秒的平均值。

2.2 前馈控制
前馈控制具体流程如图1所示，其中M1为转到前馈控制时烤片机入口水分实际值，T1平、T2平、T3平、T4平为前馈控制的干燥各区温度平台，M入为烤片机入口水分实际值。

K前为前馈控制干燥系数。

P1前、P2前、P3前、P4前为前馈控制各干燥区温度分配比例。

T1总前、T2总前、T3总前、T4总前为前馈控制各干燥区设定温度值。

当烤片机运行稳定、各项指标平稳后，可投入前馈控制，此时PLC记住转入前馈控制时入口水分的实际值M1及各干燥区设定温度值T1平、T2平、T3平、T4平。

每隔一定时间(可设)扫描一次烤片机入口水分，经计算(具体计算公式如图1所示)得出干燥区需要改变的温度值T前。

这个温度值是一个总的温度值，需要按照一定比例分配到干燥区各区T1前、T2前、T3前、T4前，此值再累加到转入前馈控制时的基准温度T1平、T2平、T3平、T4平。

然后通过堆栈的方式，当水分为M入的烟叶到达干燥一区时，此时相应改变干燥一区的设定温度值为T1总前。

以此类推，干燥二、三、四区的温度相应改变。

经过长时间的试验及观察基本可以确定图1中的K前，对于不同种品牌的烟叶，K 前基本为一定值。

具体控制框图如图1所示。

图1 烤片机冷房自动控制前馈控制流程框图
2.3 反馈控制
反馈控制具体流程如图2所示，其中M2为转到反馈控制时烤片机冷房水分实际值，M冷为烤片机冷房水分实际值，K前为反馈控制干燥系数，P1反、P2反、
P3反、P4反为反馈控制各干燥区温度分配比例，T1现、T2现、T3现、T4现为干燥各区当前温度设定值，T1总反、T2总反、T3总反、T4总反为反馈控制各干燥区设定温度值。

当烤片机运行稳定、各项指标平稳后，可投入反馈控制，此时PLC记住转入反馈控制时冷房水分的实际值M2。

转入反馈控制后，PLC每隔一定时间(可设)扫描一次冷房水分值，当冷房水分实际值30秒内一直在设定值一侧，
及冷房水分在反馈自动调节死区外时，反馈控制器运行。

冷房实际值与设定值进行比较，所得差值乘以反馈干燥系数(可设)，经过计算得出干燥区的反馈控制温度值，此值累加到现在的各干燥区实际设定温度值，依此循环累加，直至冷房水分实际值与设定值基本相等。

根据烤片机的基本特性及反馈控制的特点：干燥一区主要为烟叶升温作用，干燥二、三区主要为烟叶脱水作用，干燥四区脱水主要是脱掉烟叶表面水分的特点，在反馈控制中希望滞后时间越短越好。

所以反馈计算所得反馈温度主要分布到干燥三区与干燥四区，在实际运行过程中，反馈温度的值并不大，一般总的温度值大约在3～4℃，分到各区就更小了，所以反馈温度主要分布到干燥三
区与干燥四区并不会影响整个干燥区设定温度的大致分配比例。

当反馈的温度值偏大后，有影响干燥区总的温度分配的可能性时，可取消反馈控制及前馈控制，再重新进入反馈及前馈控制。

本反馈控制方法简单实用，对于传统PID控制方式的特点：①滞后性大、反应
慢;②如果放大曲线图，是一个围绕设定值的一个波动曲线。

本方法可以取代传统
PID控制，已在多台烟厂设备上试验并成功应用，取得非常良好的效果，如烘丝机的出口水分。

图2 烤片机冷房自动控制反馈控制流程框图
3 实际运行效果
在冷房水分控制中，干燥三区的温度变化是最具有代表性的。

如图3所示，其中
曲线1为烤片机干燥三区实际温度曲线，曲线2为烤片机干燥三区设定温度曲线，曲线3为入口水分平滑值由35秒变为75秒时的时间轴。

可看出，干燥三区的温
度随时在发生变化，以适应各种外在因素的变化，类似于人为干预。

由于烤片机冷却区的特点：冷却区烟叶水分的检测值短时间是跳跃的，而长时间则是连续的，所以冷却区的实际水分是波动的。

如图4所示，其中曲线1为烤片机
入口水分处理后曲线，曲线2为烤片机入口水分实时曲线，曲线3为烤片机冷房
水分实时曲线，曲线4为烤片机冷房水分处理后曲线。

可看出，本控制系统应用后，冷房烟叶实际水分值基本都是围绕在设定值，做小幅波动，其平滑后的值基本都在设定值左右，满足了冷房烟叶水分的要求。

本控制投入运行后，烤片机最终的一个重要考核指标：打包机装箱水分，其合格率都在95%以上，优于传统的控制
模式。

图3 三明复烤厂烤片机干燥三区温度控制实时曲线
图4 三明复烤厂烤片机入口水分、冷房水分、出口水分实时曲线
4 结束语
采用常规的控制方法对烤片机冷房控制，需要人为随时进行干预，劳动强度大，而且人的精力也是有限的，对一些影响因素有时会不能及时注意到，导致冷房烟叶水分不合格，以至于烤片机出口水分不理想。

采用本控制方法后：①降低了操作人员的劳动强度，避免了操作人员因为疏忽而产生烟叶指标不合格的情况；②本控制方式灵活，前馈控制与反馈控制是相互独立控制的，可同时作用于干燥区的温度设定，
又可以进行人为的干预。

目前该控制方法已在福建三明复烤厂成功应用。

参考文献：
【相关文献】
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