SH38型管板式烘丝机控制系统改进

王登兵　赵永祥　何　伟　韩　磊

（上海烟草集团有限责任公司天津卷烟厂，天津 300163）

SH38型管板式烘丝机控制系统改进

王登兵赵永祥何伟韩磊

（上海烟草集团有限责任公司天津卷烟厂，天津 300163）

为提高SH38型管板式烘丝机在运行过程中的稳定性和控制精度，对烘丝机控制系统的设备及控制方式进行改进。通过对筒体、回水、热风、排潮、蒸汽管路合理增加监测点，开发运行状况预警系统，实现在线预警提示及联锁控制，提升烘丝机运行稳定性及故障预判预修，降低故障突发频次；利用饱和蒸汽压力-温度对应关系原理对筒壁温度检测模式进行补充，提升主要控制参数稳定性；增加分段PID控制模式对控制流程进行优化。

管板式烘丝机；控制系统；预警系统；PID参数整定；压力-温度转换

烘丝机是烟草制丝生产线中的关键设备，其功能是对叶丝进行烘干处理，使其含水率达到11%～14%，且将含水率精度控制在±0.5%以内，同时在叶丝烘干过程中，使烟丝产生明显的膨胀，提高烟丝的填充力，以满足卷烟工艺要求［1］。天津卷烟厂使用的管板式烘丝机是秦皇岛烟机厂生产的SH38型管板式烘丝机，该型号管板式烘丝机采用传导——对流的方式对烟丝进行干燥，通过筒体温度、热风、排潮等组合作用下对烟丝进行干燥处理，使其满足工艺指标的要求。本文从分析现有烘丝机工作原理和控制模式入手，通过开发烘丝机运行状态预警系统，并对烘丝机控制系统硬件设备及控制程序进行联合优化，达到提高烘丝机控制精度及运行稳定性的目的。

1　现状分析

1.1工作原理

管板式烘丝机的工作原理是：烟丝在环形空间内通过炒料板不断翻滚下滑，并与内外筒体加热器及顺向或逆向流动热风充分接触，蒸汽经管路系统至旋转接头后进入烘丝筒内的管板中，烘丝机筒体的高温迅速将高温高湿的来料烟丝中的水分烘出，同时用高温的热风将烘出的水分带走，并使烟丝冷却定型。出口水分的控制主要依靠两个方面：①筒温；②热风和排潮风量［1-3］。其中，筒温是控制水分的主要因素。SH38型管板式烘丝机采用的是固定筒壁温度，调节热风排潮风量的控制模式来进行烟丝水分控制，在这种控制模式下，筒温的稳定性对于烘丝机的出口烟丝含水量的稳定性有至关重要的作用。

SH38型管板式烘丝机的筒温控制原理如下：在烘丝机的出料端旋转接头回水管路上装有一温度传感器，通过测量回水温度近似为筒壁温度，将筒温设定值与测得的筒温差值通过PID运算得到控制信号，自动跟踪调节薄膜调节阀的开度，以控制进入烘丝机筒内的蒸汽量，最终达到控制筒温稳定在设定值附近的目的。

1.2存在问题

SH38型管板式烘丝机设备出厂设计中的运行参数监测工艺点较少，主要包括烘筒转速、筒壁温度、热风温度及热风风量，通过对现有系统生产运行情况分析，烘丝机控制系统中有关运行状态的监测点设置不足，不能支撑对整个设备运行状况的判断及预警，运行过程中异常故障及突发故障频次相对较高，从而影响了烘丝生产的稳定性，需要对影响烘丝过程的主要因素进行监测，通过对各运行参数的采集、分析进而定量化并参与控制，为烘丝机运行过程中设备稳定性的判断提供充足数据。另外，烘丝机在筒温控制方面存在两个问题：①筒温实际值采用温度变送器进行单点测量，测量位置在出料端旋转接头处，长期运行中会由于设备的老化磨损等因素，给筒温检测带来不规律扰动［4］，需要对筒温检测方式进行优化，以稳定烘丝运行的主要参数；②烘丝机起动后需进行预热，预热时的筒温调节由PID调节器进行控制，当前系统中烘丝机实际预热时间较长，影响烘丝生产效率，在不影响正常生产阶段水分控制的前提下，需要通过优化控制程序达到降低预热时间的目的。

2　改进措施

针对烘丝机目前存在的问题，从3个方面进行改进，通过开发烘丝机预警系统提高设备运行稳定性，在此基础上针对主要工艺参数即筒壁温度控制过程中的问题，进行控制模式及程序优化，达到稳定主要工艺参数的目的，从而提高控制精度和生产效率。

2.1预警系统开发

烘丝机预警系统是为保障设备运行的稳定性设计的，其是数据采集系统、数据分析系统、报警系统、综合分析系统，主要功能是通过判断烘丝机运行过程中的工艺参数变化趋势，对可能发生的故障进行提前预警，并对设定量进行一定的补偿减少故障突发情况。SH38型管板式烘丝机预警系统由检测装置、数据采集装置、监控操作界面组成，其组成结构框图如图1所示。

1）报警系统

烘丝机目前的设备运行参数监测工艺点较少，仅有筒壁温度、热风温度及热风风量，实际生产运行过程中，影响烟丝质量的主要因素比较多，因此在当前管板式烘丝机设备中增加多个运行参数监测点，通过安装相应传感器等检测装置，对进筒蒸汽压力、进筒蒸汽温度、回水温度、回水压力、排潮风量、热风风量、热风及排潮湿度、出入口负压等工艺参数进行检测，将以上全部监测点接入PLC系统进行数据采集，通过编写程序进行必要的数据转换及滤波处理，并将PLC处理后的数据传送至报警系统，增加监测点后对烘丝机预警系统全部监测点参数见表1。

表1　烘丝机报警系统运行状态参数监测点

报警系统的监控操作在上位机上实现，检测数据在监控画面上显示。通过不断的试验、测试及分析，根据实际运行情况为表1中所有运行参数建立参数分析比对模型，规定出各个参数允许浮动范围，对所有新增的工艺参数进行归档并添加到原有历史趋势中，画面中可以显示当前状态下的工艺参数曲线，也可以对历史趋势曲线进行调取查询。

在报警数据库中为表1中的烘丝机预警参数定义报警及反馈信息，在历史趋势中设定上下限范围，根据实际运行情况设定报警阈值进行实时监控及报警，提示操作人员进行必要的处理。

操作人员通过鼠标点击即可完成所有操作功能，并能快捷地调用各参数历史趋势画面，维护人员可通过键盘操作进行报警参数及设定补偿的设置和修改，可以针对不同批次牌号的烟丝对监测点阈值数据进行调整和修改，设置浮动的报警及补偿上下限；以新增的进筒蒸汽压力数据为例，图2所示为预警系统监控画面，预警上下限以该批次的进筒蒸汽压力设定值参数为基准进行确定，正常生产中参数处于上下限范围内时，曲线颜色为粗线条绿色，在超出限制值时曲线会变成红色，同时在监控主画面中进行信息提示，提醒操作人员作出判断，通知现场人员进行确认，通知维修人员对异常信息进行确认，达到提前预测故障并指导维修的目的。

2）综合分析系统

预警系统内监控的各参数实时曲线可以在同一画面中集中显示，也可以分别放大进行单独显示，将图1中各个相关联的数据采集变量与内部设置量、及固化参数进行比较经过PLC综合分析，最终输出预警信息，以筒体温度设定值为例，当压力检测与温度检测比例偏离中值时，综合分析系统将通过计算的数据已补偿修正值反馈给PLC来控制筒体温度的恒定，达到在外围因素发生变化时系统能及时作出反馈调整，控制系统稳定运行的目的。

图2　预警监控画面

2.2筒温控制方式优化

根据烘丝机蒸汽疏水系统结构及饱和蒸汽压力与温度存在一一对应关系的原理，在正常情况下，滚筒蒸汽压力与筒温之间也存在一一对应关系。根据该原理，可以通过检测烘丝机蒸汽管理中蒸汽压力的方式间接获取筒温数据。

在当前管板式烘丝机设备中增加了一套压力检测装置，压力检测变送器安装于烘丝机的主蒸汽管路上，位于蒸汽薄膜阀后，对进入烘丝机管路的蒸汽压力进行测量，并根据饱和蒸汽压力与温度的对应关系，判断工作蒸汽质量和品质，设计控制器/控制单元，结合运行经验，输出蒸汽质量对温控系统闭环控制的扰动量/扰动因素，复合运算后参与筒温调节，可以对筒温控制过程进行补偿校正，减少蒸汽质量波动等干扰因素引起的筒温控制不稳定性。优化后的筒温控制原理框图如图3所示。

图3　改进后的筒温控制原理框图

进入烘丝机筒体的蒸汽压力通常在0～1MPa，通过PLC程序采用查表法实现压力——温度的转换，饱和蒸汽压力——温度对照数据见表2，并根据表2绘制出压力及温度变化曲线参如图4所示。

表2　饱和蒸汽压力——温度对照表

图4　饱和蒸汽曲线图片

2.3控制流程优化

根据实际运行情况，目前烘丝机存在预热时间过长的问题，通过分析生产流程发现，烘丝机在自动状态下启动后进入预热状态，筒温、热风温度的控制通过调用PID控制模块实现，PID调节器的参数在整个运行过程中保持固定不变，该参数能保证生产中筒温及热风温度控制的稳定性，达到水分控制精度要求，但在预热状态时对筒温的调节较慢，使得预热时间过长，影响生产效率。

针对实际问题，通过烘丝机运行状态划分及分段PID控制实现分段调节。根据条件组合明确划分预热阶段与生产阶段，对控制程序中的PID调节程序进行剥离，在不改动原有程序结构的基础上重新建立新的功能块，新增PID控制器对预热阶段单独控制，在不影响正常生产阶段水分控制的前提下，达到降低预热时间的目的。

改进后的烘丝机控制流程如图5所示。

划分出预热阶段后，在程序部分与人机交互界面分别增加预热阶段PID控制器功能程序，采用实验法对PID参数进行整定，确定预热阶段的PID控制参数，达到烘丝机快速预热的要求。

图5　改进后的烘丝机控制流程图

3　改进效果

烘丝机控制系统改进后，实现预警系统正常运行，通过实时监测设备内多点的运行状态情况，能预测可能发生的故障，有效防止异常故障的发生。从中控室采样烘丝机过程控制数据进行统计分析，随机采样改进前后一个月内的生产数据，分析得知，改进后生产过程中的筒温实际值在设定值+0.5℃范围内波动，满足筒温控制精度要求，由表3可见：①改进后筒温标准偏差减小，出口水分的标准偏差由改进前的0.11%减小到0.06%；②改进后消除了烘丝机预热时筒温明显超调的情况，筒温调节震荡减弱，批次平均预热时间也明显缩短。

表3　改进前后烘丝机数据对照表

4　结论

1）开发烘丝机预警系统后，有效减少了烘丝机突发故障及异常故障发生的频次，提高了设备运行的可靠性。

2）采用主蒸汽管路饱和蒸汽压力-温度转换方法参与筒温控制后，在不确定干扰情况下减少了筒温过调节情况，提高了筒温控制的稳定性和设备运行可靠性，从而提升了烘丝出口水分控制的稳定性与精度。

3）采用分段PID控制方式解决了烘丝机筒温调节对预热快速性与生产中稳定性的矛盾，在不影响生产阶段水分控制精度的前提下有效缩短预热时间，提高了生产效率。

［1］ 秦皇岛烟草机械有限责任公司. 烘丝机培训讲义［Z］. 2010.

［2］ 徐伟民， 刘剑敏， 舒梦， 等. COMAS烘丝机整体改造与应用［J］. 烟草科技， 2011（2）： 17-20.

［3］ 杨明权. 改进HAUNI烘丝机控制模式降低烘丝干头干尾量［J］. 烟草科技， 2005（8）： 6-7， 9.

［4］ 陈河祥， 李斌， 李华杰， 等. 滚筒烘丝机控制方法的改进与对比分析［J］. 烟草科技， 2011（9）： 12-15.

王登兵（1968-），男，天津市人，本科，高级技师，主要从事企业电气管理维修工作。