HAUNI松散回潮滚筒含水率控制系统的改进

HAUNI松散回潮滚筒含水率控制系统的改进
董伟;李坤;王健;赵瑜;闫军民
【摘要】为解决HAUNI松散回潮滚筒含水率过程控制能力低、出口含水率波动大的问题,通过设计滚筒后端加水闭环控制系统,将出口含水率值反馈到PID调节器中,修正后端加水流量,及时响应含水率的变化;在滚筒入口处安装水分仪,检测来料含水率波动;引入斜坡控制原理,优化料头料尾的加水控制.结果表明:松散回潮出口含水率的控制曲线明显趋于平稳,合格率由改进前的88.02％提高到98.96％,“潮头干尾”量由260 kg减少为82 kg,标准偏差由0.91减少为0.36,过程能力指数Cpk 值由0.45提高到1.35,有效提高了加工过程控制精度.%In order to minimized the fluctuation of output moisture content in tobacco, the control system in HAUNI's ordering cylinder was modified as follows: 1) a closed loop control system was designed for the output end of the cylinder, to feed the value of output moisture content back to PID regulator and adjust the amount of water added at the rear end timely corresponding to the change of moisture content; 2) a moisture meter was installed at the input end of the cylinder to monitor the fluctuation of moisture content in input tobacco; 3) ramp control principle was introduced to optimize the control of water addition during the start and finish of operation. The results showed that: after improvement, the control curve of output moisture content became stabler obviously; the ratio of cut tobacco with qualified moisture content increased from 88.02% to 98.96% ; while the amount of over-wet cut tobacco during start and over-dried tobacco during finish of operation decreased from 260 to 82 kg; the standard deviation decreased
from 0.91 to 0.36; the process capability index (Cpk) increased from 0.45 to 1.35.
【期刊名称】《烟草科技》
【年(卷),期】2012(000)011
【总页数】4页(P20-22,25)
【关键词】松散回潮;含水率;滚筒;闭环控制;PID控制
【作者】董伟;李坤;王健;赵瑜;闫军民
【作者单位】江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂,江苏省徐州市环城路80号221005;江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂,江苏省徐州市环城路80号221005;江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂,江苏省徐州市环城路80号221005;江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂,江苏省徐州市环城路80号221005;江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂,江苏省徐州市环城路80号221005
【正文语种】中文
【中图分类】TS431
在烟草制丝过程中，松散回潮工序主要用于松散烟块，增加其含水率和温度，提高片烟的耐加工性[1-2]。

德国HAUNI公司生产的松散回潮滚筒在国内烟草企业中应用广泛，具有良好的松散效果，但普遍存在着增湿效果不理想、出口含水率稳定性差等问题。

近年来，随着烟草加工工艺向精细化方向发展，现有的松散回潮含水率控制模式已不能满足加工要求。

对此，已有相关技术人员在系统含水率控制方面
进行了研究与改进，如王雷[3]通过修订电子秤堆栈时间，编制料头程序和优化控制参数；赵锋[4]在松散回潮滚筒出口处加装双介质二元喷嘴，将现有加水量进行分割控制；杨燕平等[5]采用带前馈-串级双闭环控制方式，对润叶加料工序的含水率控制及其控制算法进行了优化改进；郭奔等[6]设计了基于级联型PID控制模型的加料含水率自动控制系统等，这些方法对于稳定含水率都具有一定作用，但并未从根本上解决上述问题。

为此，在分析松散回潮滚筒加水系统开环控制原理的基础上，设计了基于PID调节含水率的闭环控制系统，以期有效提高过程控制能力及出口含水率的稳定性。

1 存在问题
HAUNI公司的松散回潮滚筒加水部分采用开环控制系统，其滚筒出口输送带上安装的红外水分仪只用于检测出口含水率，未参与控制。

入口处未安装水分仪，无法检测来料含水率。

滚筒采用前端加水方式，烟包经切片后通过电子皮带秤以6000 kg/h的恒流量进入滚筒，自来水经蒸汽引射后均匀喷洒到片烟上[7]。

根据烟叶配方的不同，加水流量由预设的加水系数乘以烟块瞬时流量计算得出，一般控制在100～250 kg/h。

在生产过程中，一旦出口含水率超限，只能由操作工根据经验修改加水系数，调节加水流量。

由于入口来料含水率无法检测，加水流量与出口含水率不能形成闭环控制，而且片烟从前端加水喷嘴到出口水分仪时间间隔较长，仅靠人工调节的加水流量无法根据出口含水率的波动进行及时调节，造成出口含水率稳定性差且合格率低，标准偏差较大，过程控制能力偏低。

由图1可见，选取同一牌号10个生产批次，共计1650个数据，其分布中心与公差中心有一定的偏离，但偏离度较小；标准偏差为0.83，表明数据分散程度大，相对于公差范围无富余；已出现不合格点，属于能力不足型，应采取措施减少标准偏差。

图1 松散回潮出口含水率直方图
2 加水系统闭环控制
2.1 闭环控制
闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环并参与控制的方式[8]。

若
由于干扰的存在，使得系统实际输出偏离期望输出，系统自身便利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用消除偏差，使系统输出量恢复到期望值[9]。

与开环控制系
统相比，闭环控制具有较强的抗干扰能力。

在反馈控制系统中，不管是外部扰动还是系统内部变化，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用消除偏差。

闭环控制对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

为提高控制精度，在能够测量扰动变量时，也可以同时采用对扰动进行控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统[10-11]。

2.2 后端加水功能实现
为解决前端加水与出口含水率的时间间隔问题，设计了滚筒后端加水系统，使其能够与出口含水率形成闭环控制，快速及时响应含水率变化。

为了不影响片烟的松散回潮效果，大量的水仍然由前端加入，后端只是根据含水率的变化进行微量的调节性加水。

通过试验，选定后端加水流量为前端的10%，即后端初始加水流量为10～25 kg/h。

后端加水设备主要由加水管路、蒸汽管路、压缩空气管路、喷嘴、贮水箱、电磁阀、温度传感器、质量流量计、水泵、变频器等元件组成。

电控元件的信号采集均集中在新增的ET200S子站中，由IM151-3PN通讯模块通过PROFINET IO传输至
S7-300 PLC控制器。

其控制原理是将出口含水率值与设定值的比较结果反馈到后端加水控制系统中，经过PID调节，由变频器调整水泵的频率，修正后端加水流量，补偿前端加水的不足，及时响应含水率的变化。

喷嘴安装在滚筒后端，采用压缩空气引射的方式。

贮水箱内设置蒸汽盘管，由温度传感器检测水温变化，气动柱塞阀控制蒸汽量，使水温与出口温度相符，避免后端
加水对滚筒出口温度造成影响。

2.3 PID调节
在STEP 7中设计后端加水控制程序，首先建立PID调节的背景数据块DB600，DB601以及加水调节数据块DB602，然后建立后端加水功能块FC400，在其中
调用PID功能块FC41，根据出口含水率计算后端加水流量的设定值，并调节水泵的变频器频率跟踪设定值。

由图2可见，松散回潮出口含水率闭环控制系统是一
个多输入、单输出系统，由两级PID反馈控制系统组成，分别为出口含水率PID
调节和后端加水流量PID调节，最终形成对出口含水率的闭环控制。

其中，出口
含水率PID主要反映出口含水率变化的响应速度，通过现场模拟试验，根据比例、积分参数对系统的影响，反复测试参数，直至出现满意的响应，从而确定最优的PID控制参数。

图2 松散回潮出口含水率闭环控制系统框图
2.4 入口含水率检测
松散回潮出口含水率闭环控制主要针对后端加水系统，而前端加水流量依然由入口水分仪开环控制，根据电子秤瞬时流量、预设比例以及含水率偏差计算出前端加水设定瞬时流量，定位阀进行流量调节跟踪，即由前端加水补偿来料含水率的波动干扰，并作为出口含水率的前馈调节。

在滚筒入口处安装的MOISTTECH IR828红
外水分仪用于检测来料含水率。

为避免入口烟块的铺设高度和空隙可能对检测数据造成影响，优化了电子皮带秤的速度控制，切片后的烟块均匀、紧密地铺设在皮带上，使入口含水率检测真实有效，进入滚筒的实际瞬时流量也更加平稳。

3 “潮头干尾”优化控制
增温增湿滚筒存在的物料“潮头干尾”现象是烟草企业面临的普遍问题[12]，随着企业对生产过程控制精度要求的提高，应尽可能地降低生产过程中产生的“潮头干尾”量。

为此，在优化生产开始与结束时的加水延时控制参数基础上，引入斜坡控
制原理[13]，实现加水流量在零和初始设定流量之间的平滑过渡功能。

在STEP7
程序中，前、后端加水分别在开始和结束时加入斜坡函数发生器（Ramp）的功能块，在OB33中完成调用，设置中断周期为1000 ms。

其上升和下降斜率根据进
料流量、加水流量、滚筒转速、滚筒倾斜角以及启动Ramp功能块的时间等因素
确定，最终设定上升斜率为2，下降斜率为1。

当生产开始，物料到达前、后端喷嘴位置时，启动各自Ramp功能块，将加水流量由零逐渐递增到初始设定流量；
反之，在电子皮带秤流量为零时，判断为生产结束，经延时后再次启动各自
Ramp功能块，则前、后端加水流量递减至零。

4 改进效果
针对HAUNI松散回潮滚筒普遍存在的增湿效果不理想等问题，通过设计后端加水系统，实现了出口含水率闭环控制，有效提高了其过程控制能力及出口含水率的稳定性。

对松散回潮加水系统改进前后3个月的生产批次及单一牌号的出口含水率
数据进行对比分析，结果（表1和图3）表明，松散回潮出口含水率的控制曲线明显趋于平稳，合格率由改进前的88.02%提高到98.96%，“潮头干尾”量由260 kg减少为82 kg。

各批次的采样数据集中程度高，标准偏差由0.91减少为0.36，过程能力指数Cpk值由0.45提高到1.35，有效提高了加工过程控制精度，为后
序加工打下了坚实基础。

表1 松散回潮出口含水率改进前后质量对比?
图3 改进前后出口含水率曲线
参考文献
【相关文献】
[1] 王连峰，李久峰，赵文良，等.一种有效降低松散回潮机过程造碎的方法[J].烟草科技，2008（2）：11-13.
[2] 俞仁皓，宋家海，王建.松散回潮工序回风温度PID控制参数的优化[J].烟草科技，2010（7）：8-10.
[3] 王雷.松散回潮出口水分稳定性的改进[J].科技致富向导，2011（5）：116.
[4] 赵锋.松散回潮机增加水分控制改造[J].科技资讯，2012（7）：70-72.
[5] 杨燕平，叶正国，李斌.润叶加料工序含水率控制及相关算法研究[J].烟草科技，2011（9）：
20-23.
[6] 郭奔，朱辉平，李汉莹，等.级联型PID系统在加料含水率控制上的应用[J].烟草科技，2011（12）：20-23.
[7] 张大波，王兵，孔臻，等.不同引射介质烟片加料效果的比较[J].烟草科技，2009（3）：10-12.
[8] 胡骏，宋晨路，沈锦林.一种适用于配料控制的累积量PID算法[J].材料科学与工程，2002，20（4）：517-518.
[9] 靳兆荣，徐敏杰，魏学良，等.基于模糊决策的自动节水喷灌控制器的设计[J].排灌机械，2004，22（5）：26-28.
[10] 李瑞霞.模糊自适应整定PID控制设计及其仿真研究[J].机械管理开发，2009，24（2）：192-193.
[11] 诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，1995.
[12] 向勇刚.提高SH885流化干燥机出口梗丝水分的均匀性[J].农业技术装备，2008（6）：30-31.
[13] 金立，贾存良，王梅，等.自调整模糊PID策略的异步电机软启动器设计[J].煤矿机械，2011（7）：11-14.。