润叶加料工序含水率控制及相关算法研究

杨燕平,叶正国,李 斌

红塔集团玉溪卷烟厂,云南省玉溪市红塔区红塔大道118号 653100

制丝生产中的润叶加料工序,主要是将糖料均匀地喷洒到片烟上,并对来料含水率进行平衡,以利于后续工序对片烟进一步加工,其中含水率的控制效果对制丝的内在品质起到重要作用[1]。在生产过程中,由于叶组配方中不同地区及不同等级的片烟理化指标、吸湿性及吸湿速度存在差异[1],以及润叶加料工序通常采用传统的单闭环控制方式,导致出口片烟含水率波动较大。随着制丝生产线分模块加工工艺的提出,一个批次将对不同的片烟模块进行连续加工,不同模块的片烟物理特性存在较大差异,传统的含水率控制模式已不能满足新生产工艺的要求[2]。为此,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方式及其控制算法进行了优化改进。

1 存在问题

润叶加料过程的控制程序:当润叶加料机经过预热过程热风温度达到设定温度125℃时,组合启动;润叶滚筒入口前电子秤检测到有物料时,延时60 s加水,气动薄膜阀打开,通过滚筒前端的水汽混合喷嘴喷射水雾对片烟进行加水,同时直喷蒸汽通过蒸汽喷嘴喷入滚筒内;糖料与蒸汽混合后由蒸汽、压缩空气和糖料混合喷嘴直接喷入滚筒内,直到加料过程完成,系统停止糖料、蒸汽和水的加入。

传统的加水控制系统由调节阀、流量计、P ID调节器组成的单回路闭环系统控制加水量,以满足出口含水率工艺要求,见图1。这种控制方式仅靠一个单闭环控制加水的稳定性,未考虑来料含水率波动、加料比例、润叶滚筒内喷射的蒸汽和温度等因素对含水率的影响,操作人员仅凭经验设定喷水量对物料进行加水,所以经常出现出口片烟含水率波动较大、控制失调的情况。

2 改进后含水率控制方案

针对上述问题,改进后采用了带前馈-串级控制模式对润叶加料工序的含水率进行控制,见图2。分析润叶滚筒加水过程可知,对片烟出口含水率稳定性产生影响的干扰因素较多,主要有来料片烟流量和含水率波动、喷入润叶滚筒内蒸汽的流量波动、温度的稳定性及加水管道的流量,其中来料片烟流量和含水率波动以及加水管道的流量控制的稳定性是主要干扰因素。由于来料片烟流量和含水率均可在线准确检测到,并且润叶滚筒出口含水率控制系统是一个典型的大延迟系统(片烟从入口到出口用时约120 s),因此可采用前馈控制器消除来料片烟流量和含水率波动对出口含水率的影响[3]。针对该工序点含水率控制特点,选定出口实际含水率和设定含水率作为主控回路,选定加水流量作为副控制回路[4],从而构成了带前馈-串级控制系统。同时在控制算法中引入了动态加料比和蒸汽影响系数,通过改进加水比例的控制算法,解决存在的其他问题。

3 内环控制算法

改进后控制模式中,内环控制环节F1(x)的控制算法尤为重要。由于润叶加料环节是一个典型的大延迟系统,如果能在控制内环部分精确计算出加水量的值,尽量降低外环回馈环节在整个含水率控制系统中所占比重,那么对于提高该工序点含水率控制的稳定性具有重要作用[5]。为此,建立了两种不同的含水率控制算法,并且在12 t和5 t生产线中进行了验证。

3.1 两种不同的控制算法

算法1:强调滚筒入口片烟含水率与出口设定含水率的差值对整个控制环节的影响,加大此部分因素在整个控制环节的权重以达到稳定含水率的目的,其算法为:

式中:K1和K2——分别为加蒸汽量和加水量吸收系数(可通过系统参数设置菜单修改);K3——加料量吸收系数(程序中固定设置为0.4)。

在这种算法下,对内外环的P ID控制环节都进行了优化处理,含水率控制效果好于改进前效果,但还是存在一定的波动,控制趋势图见图3。

图3 算法1的含水率控制趋势图

算法2:强调所有影响含水率控制因素对整个控制环节的影响,其算法为:

式中:K1和K3——分别为加蒸汽量和加水量吸收系数(可通过系统参数设置菜单修改);K2——加料量吸收系数(程序中固定设置)。

在这种算法下,对内外环的P ID控制环节都进行了优化处理,其含水率控制效果好于原控制方式和算法1,但也存在一定的波动,控制趋势图见图4。

3.2 优化后控制算法

由于新工艺采用了分模块加工模式,各品牌、各模块片烟加工特性不一致,主要加工过程中的蒸汽用量和加料比例存在一定的差异,所以导致上述两种控制算法下含水率控制存在不稳定情况。为此,对算法2进行优化处理,以进一步提高含水率控制精度。

针对不同品牌分模块加工的特性,以及各品牌、各模块加工过程中蒸汽、料液对含水率控制环节的影响程度不同,在算法2的基础上对算法中的K1,K2,K3系数进行了优化设定,见表1。由于原来的算法都没有考虑加料过程中滚筒前端加料和后端加料情况,所以料液因素对含水率控制的影响也存在一定的差异,因此对整个控制过程进行了分段计算。

含水率控制算法优化改进后,对含水率的P ID控制程序也进行了相应改进[6]。增加了配方参数修改和控制环节,所有参数变化实现了配方自动修改。实际运行中的含水率控制趋势图见图5,控制直方图见图6。

图4 算法2的含水率控制趋势图

4 结语

带前馈-串级控制系统是制丝生产过程中改善和提高片烟加工含水率稳定性的一种有效控制方案,该控制方式将来料含水率波动、加料比例、润叶滚筒内喷射的蒸汽和温度等影响因素进行精确的量化处理,并对其控制算法进行了优化改进,较好地解决了润叶加料工序的含水率控制问题。实际运行效果表明,改进后该工序含水率控制合格率由原来的80%提高到99.8%以上,保证了成品烟丝质量。

表1 含水率控制算法优化后各系数设定

图5 算法2改进后含水率控制趋势图

图6 算法2改进后含水率控制直方图

[1] 玉溪红塔烟草(集团)有限责任公司.卷烟工艺规范培训教材[G].2003.

[2] 卢彦华,于录,阮晓明,等.分组加工工艺过程研究[J].烟草科技,2008(1):12-15.

[3] 孟庆华,赵晨光.滚筒式回潮机片烟松散装置的改造[J].烟草科技,2006(3):19-20,29.

[4] Katsuhiko Ogata.现代控制工程(第四版)[M].卢伯英,于海勋,译.北京:电子工业出版社,2003.

[5] 绪方胜彦.现代控制工程(第四版)[M].北京:清华大学出版社,2006.

[6] Shinskey F G.过程控制系统(第三版)——运用、设计与整定[M].萧德云,吕伯明,译.北京:清华大学出版社,2004.