基于趋势与偏差控制的松散回潮机加水系统

吴 硕，高 卫，孙延钊*，王世军，段连飚

1.国家烟草专卖局经济运行司，北京市西城区月坛南街55 号 100045

2.山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，济南市高新区科航路2006 号 250104

松散回潮工序主要用于松散片烟、增加片烟含水率和温度以及提高片烟耐加工性［1］，在制丝生产中保证松散回潮出口含水率稳定对于保持批次间一致性具有重要作用。目前国内卷烟企业大多采用德国HAUNI 公司生产的松散回潮机，松散效果良好，但普遍存在出口含水率稳定性差等问题。针对此问题，张玉和等［2］通过设计预松散装置和优化回潮筒耙钉方式，提高了物料受热和回潮均匀性；王雷［3］重新设计了料头阶段控制程序，提升了料头控制稳定性；赵锋［4］在松散回潮滚筒后室增加了一套加水系统，对加水流量进行分段控制；杨燕平等［5］通过增加入口含水率、蒸汽等前馈，设计了前馈-串级双闭环控制方式，实现了润叶加料工序含水率控制；郭奔等［6］将出口含水率检测加入反馈回路中，设计了级联型PID 加料含水率控制系统；董伟等［7］在HAUNI 松散回潮机中增加后加水功能，以解决含水率控制滞后问题；吴玉生等［8］通过设计最佳工艺参数组合，实现松散回潮潮气零排放，提升了出口含水率CPK值；李秀芳［9］通过改进回风和含水率控制方式，优化工艺参数，降低了松散回潮出口温度和含水率波动；刘穗君等［10］设计了一种基于统计回归分析的松散回潮出口含水率精准控制系统。上述研究虽有效减少了松散回潮出口含水率波动，但在含水率精度、自适应控制等方面仍有较大提升空间。为此，以济南卷烟厂制丝生产线为对象，将松散回潮现有的“前加水”改进为“前加水为主、后加水调整”控制方式，并根据不同卷烟牌号建立加水系数经验数据库，将趋势控制与偏差控制相结合设计一种松散回潮机加水系统，以期提升松散回潮出口含水率的稳定性。

1 系统设计

改进前松散回潮机采用滚筒入口端前加水方式，物料从加水喷嘴到出口水分仪的运行时间约为200 s，滞后时间较长；生产中需通过人工改变加水流量设定值以调节出口含水率，即出口含水率仅作为人工调节的参考数据，不参与含水率自动控制，因此该系统属典型的开环控制，见图1。受环境、烟叶等级产地等因素的影响，现有方式无法实现出口含水率的精准控制。

改进后将松散回潮加水分为滚筒入口端前加水和出口端后加水两部分，见图2。入口端前加水方式保持不变，出口端增加加水喷嘴且距离含水率检测点较近，滞后时间缩短为45 s 左右。改进后将出口含水率加入反馈控制中，同时将趋势控制与偏差控制相结合，以“前加水为主、后加水调整”为原则实现出口含水率的精确控制。

图1 改进前加水控制流程框图Fig.1 Control flow of water supply before modification

图2 改进后加水控制流程框图Fig.2 Control flow of water supply after modification

1.1 前后加水流量分配

前加水喷嘴安装在滚筒入口端，在片烟翻转过程中使水分充分渗透入片烟内部。改进后仍保持前加水的主加水功能，后加水主要起调节作用，其加水流量占总加水流量的比例较小。以济南卷烟厂生产的“泰山（红将军）”牌卷烟为例，松散回潮入口含水率为12%，出口含水率要求为16.5%～19.5%，通过松散回潮增加含水率4.5～7.5 百分点。为满足含水率稳定性要求，前加水增加含水率2.5～5.5 百分点，后加水增加含水率2.0 百分点，因此前后加水流量比例为（1.25～2.75）∶1。以“泰山（红将军）”出口含水率18.0%，总加水流量320 kg/h为标准，对松散回潮效果进行验证，结果见表1。可见，当前加水流量在200～220 kg/h 范围时，片烟松散率均在99%以上，表明增加后加水功能未对松散率产生影响。

表1 不同前加水流量下片烟松散率Tab.1 Loosening rates of tobacco strips at different front water supplying rates

1.2 加水系数经验数据库的构建

由于不同卷烟牌号之间的加水流量存在较大差异，通过编程在西门子S7-300 PLC 数据块中建立各牌号加水系数经验数据库，以确定各牌号的前后加水流量，见图3。当控制系统接收到生产工单时，根据工单中的牌号信息调用数据库中的加水系数，若数据库中无该牌号，则对加水系数进行初始设定，并根据加水系数WaterScale 与物料流量相乘计算总加水流量，再以“前加水为主”原则计算前加水流量；后加水流量则采用趋势与偏差控制方法进行实时调节。加水系数根据加水流量数据完成自学习和训练，当后加水流量大于120 kg/h时，增大加水系数，即提高前加水流量；当后加水流量小于60 kg/h 时，减小加水系数，即降低前加水流量。将经过优化的加水系数以及对应牌号存储在程序数据块中，进而建立起加水系数经验数据库。

图3 加水系数经验数据库构建流程图Fig.3 Establishment flow of empirical data base of water supply coefficients

1.3 基于趋势与偏差的控制模式

趋势控制是指利用出口含水率的变化值预测未来含水率的变化趋势，该趋势值定义为ΔTr（t）；偏差控制主要是根据实际值偏离目标值的大小进行调节，该偏差值定义为ΔWr（t）。

式中：y（t）为时间t 的出口含水率，%；y（t-T）为时间t-T 的出口含水率，%；T 为采样周期，s；Sp为出口含水率设定值，%。

1.3.1 趋势控制

在一个采样周期T 内，出口含水率的斜率值K（t）为：

在一个采样周期T 内，因趋势控制补偿的加水流量ΔWaterFlow（1）为：

式中：WF（t）为电子秤流量，kg/h。

当偏差值ΔWr（t）为正时，含水率实际值大于设定值，应降低加水流量；当偏差值ΔWr（t）为负时，含水率实际值小于设定值，应增大加水流量。ΔWr（t）的绝对值越大，加水流量调整值ΔWaterFlow（2）越大。

1.3.3 采样周期T

系统每隔一个采样周期T 调整一次加水流量，通过确定控制量与控制对象之间的系统滞后时间，即后加水泵与出口含水率检测点之间的时间

式中：y（t）代表当前出口含水率，%；WF（t）为电子秤流量，kg/h。

由式（3）可见，当K（t）为正时，含水率有上升趋势，应降低加水流量；当K（t）为负时，含水率有下降趋势，应增大加水流量。由式（4）可见，K（t）的绝对值越大，补偿的加水流量ΔWaterFlow（1）绝对值越大，因此当含水率变化速度较快时，应增大调整量对其进行预控制。

1.3.2 偏差控制

在一个采样周期T 内，当出口含水率出现偏差时，因偏差控制补偿的加水流量ΔWaterFlow（2）为：设定采样周期T，一般为系统滞后时间的1/3。采样周期T 决定了出口含水率的调整频率，采样周期T 越长，调整频率越低。经现场测试，改进后加水控制系统的采样周期为15 s。

1.3.4 后加水流量

通过趋势和偏差控制调整加水流量，最终得到后加水流量设定值WaterFlow（t）为：

式中：b1为趋势控制权重值；b2为偏差控制权重值。

趋势和偏差控制权重值大小决定了生产中是以趋势控制为主还是以偏差控制为主。现场测试结果表明，松散回潮机的趋势和偏差权重比b1∶b2=1∶1，表明两者对加水流量的调整贡献度一致。

2 应用效果

2.1 试验设计

材料：“泰山（红将军）”牌卷烟（山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂提供）。

设备和仪器：TB-S 型松散回潮机（德国HAUNI 公司）；TM710e 型在线水分仪（精度±0.1%，英国NDC 红外技术公司）。

测试方法：通过OPC 通讯方式每3 s 实时采集数据，分别统计改进前后各10 批次松散回潮出口含水率的标准偏差。

2.2 数据分析

由表2 可见，改进后松散回潮加水控制系统的出口含水率标准偏差由0.57%减少为0.28%，降低0.29 百分点，含水率稳定性显著提高。

表2 改进前后出口含水率标准偏差对比Tab.2 Standard deviations of moisture content in output tobacco before and after modification （%）

3 结论

为提升松散回潮出口含水率的稳定性，设计了基于趋势与偏差控制的松散回潮机加水系统。通过增加回潮机的后加水功能，降低了控制滞后时间；针对不同牌号卷烟加水流量不同，通过自学习和训练建立了各牌号卷烟加水系数经验数据库，可根据实际应用情况确定前后加水流量；将趋势与偏差控制相结合，通过趋势预判消除超调问题。以济南卷烟厂生产的“泰山（红将军）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：改进后松散回潮加水系统的出口含水率标准偏差降低0.29 百分点，有效提高了生产过程控制水平。本研究中所建立的偏差与趋势相结合控制方式，通用性好，适于在大滞后控制系统中推广应用。