薄板烘絲機頭尾損耗控制方法的改進

摘 要：為降低薄板烘絲筒頭尾損耗量，利用濕度控制原理，通過設備控制技術開發以及頭尾時間段筒內環境濕度匹配葉絲流量大小自動調節技術，增裝HT蒸汽霧化水自動增濕裝置和熱風系統蒸汽霧化水控制裝置，同時利用PID算法，將滾筒溫度、排潮風門開度、熱風風機頻率和熱風風門開度綜合控制。結果實現：滾筒溫、濕度與進入滾筒內的葉絲流量相匹配，進而達到較好控制頭尾葉絲烘干效果的目的，減少了頭尾損耗量。

關鍵詞：薄板烘絲機；頭尾損耗；濕度控制；蒸氣霧化水；PID控制

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A

1目的

近年來，管道式氣流烘絲機呈現逐漸替代傳統滾筒烘絲機趨勢。這主要基于氣流烘絲葉絲流速快，基本解決了烘絲過程中頭尾損耗問題，同時它在去除雜氣方面效果比較好，但在烘絲過程中卻使煙草本身香氣嚴重損失；傳統的滾筒烘絲機在保持煙草本身香氣方面有著較大優勢，同時在烘絲過程中更有利于煙草的棕色化反應，從而產生更多更為豐富的煙香。本文提出了一種抑制頭尾損耗的控制技術，即通過控制滾筒溫、濕度，使之與進入滾筒內的葉絲流量相匹配，進而實現控制頭尾葉絲烘干效果即薄板烘絲頭尾損耗，彌補薄板烘絲工藝的不足。

2改進方法

2.1濕度控制原理及控制器設計

根據滾筒烘絲機工藝條件下烘絲效果與葉絲流量的關系，只要葉絲水分散失能力與烘絲機過料時的實際去濕能力相匹配，即可有效解決頭尾葉絲偏干問題。原設備排潮系統在滾筒出口處安裝有排潮廢氣溫濕度測量探頭，測得的溫、濕度值通過信號轉換在溫濕度顯示儀表上可直接讀取。為了提高設備控制的自動化水平，借用軟測量的思想，我們用排潮口廢氣濕度值近似代表烘筒內環境濕度值作參照，通過增裝滾筒內環境增濕裝置，結合熱風風機頻率和排潮風門開度值，制作PID控制回路。比較環節為環境濕度設定值SP與測得的實際排潮口濕熱雜氣濕度值PV，如果實際值大于或小于設定值，則比較結果EV通過PID控制器輸出信號MV給控制蒸汽霧化水開度的薄膜閥，通過減小或增大薄膜閥開度，減少或增多熱風系統中的蒸汽霧化水噴入量，從而降低或提高排潮口濕熱雜氣濕度值，進而實現滾筒內環境濕度值的有效控制。通過提高開車前滾筒內環境濕度值，使之與來料流量相適應，以期在不改變原有工藝條件前提下，減少料頭廢料量。

顯然系統屬于SISO系統，且存在一定的滯后，所以我們采用如下PID控制器設計方案[3]。首先，假定y （t）為系統輸出，u（t）為系統輸入，v（t）為控制輸入信號，w（t）為外部擾動信號。則被控對象的微分方程為

其可控標準型為

其中

則控制器PID的參數表達式為

系統的增廣矩陣為

其中，系統PID控制可轉化為如下閉環系統，同時要求閉環系統穩定。

為系統的被控輸出， ， 為測量值。假定測量值為真值，則其微分值中不含噪聲，控制量為

亦即

PID參數的求解問題現已經轉換為狀態輸出反饋K的求解。

PID參數的整定我們采用實驗湊試法，它是通過閉環運行，觀察系統的響應曲線，然后根據各參數對系統的影響，反復湊試參數，直至出現滿意的響應，從而確定PID控制參數。

2.2 改進措施

2.2.1 加裝HT蒸汽霧化水自動增濕裝置

在進入烘絲機的設備HT（隧道回潮機）處設計、安裝蒸汽霧化水噴淋裝置，高壓水路和高溫蒸汽開啟與關閉均由電磁閥控制，對頭尾生產葉絲實施自動加濕處理，提高烘絲機進口葉絲水分。為了保證噴出的霧化水充分散開，而不影響加工后葉絲質量，采用進口噴嘴，獨立水路，高壓蒸汽霧化，對葉絲表層進行加濕，提高葉絲表層濕度。

設備從預熱轉入進料狀態10min內，核子秤從無料到有料的上升沿信號標志作為料頭啟停控制標志。烘絲機處于正常進料工作狀態，核子秤前的倉儲式喂料機提升帶進料光電管連續檢測無料延時后作為料尾控制標志。為防止程序控制誤動作或生產線異常中斷造成加濕控制受到影響，在操作畫面設定自動和手動兩種控制模式。

2.2.2 加裝熱風系統蒸汽霧化水自動增濕裝置

在烘絲機熱風管路入口管壁處（垂直管壁安裝，可避免霧化不好時產生水滴進入熱風管路）設計安裝蒸汽霧化水噴淋裝置，霧化水噴嘴垂直向上。高壓水路及水量大小由SAMSON薄膜閥自動控制；為減小霧化水對熱風溫度的影響，采用高溫飽和蒸汽進行霧化，蒸汽由耐高溫角閥控制，薄膜閥和角閥實現自動控制。從而實現加大烘筒熱風濕度，進而達到增加烘筒內空氣濕度的目的。

增裝熱風系統蒸汽霧化水裝置的目的是提高烘筒內環境濕度值，降低烘筒內去濕能力，使之與筒內葉絲水分散失能力相匹配。為了不改變正常生產時的工藝條件，該裝置只能在非正常生產狀態下使用，即預熱、料頭生產和料尾生產三個階段。

2.3 控制程序改進及參數確定

2.3.1 控制參數說明

根據管板式烘絲機工藝參數對葉絲物理特性的影響[4]，課題研究焦點是頭尾階段薄板烘絲筒內環境濕度值，控制參數圍繞滾筒內環境濕度值展開，涉及直接因素為滾筒溫度、熱風溫度、熱風風機變頻器頻率、排潮風門開度、熱風系統增濕霧化水控制閥門開度、料頭霧化水開啟時間和料尾霧化水開啟時間。

2.3.2 控制參數的專家經驗

經過多批次生產觀察發現，頭尾葉絲水分從偏干到達正常工藝要求的13%左右或從13%左右開始變小時，烘筒內環境濕度（臨界值為32%；同時參照設備原有頭尾控制原理，筒溫控制開度值設為零時，由于環境溫、濕度影響，筒溫最低可控制在100℃。將由實踐得到的參數值嵌入到專家系統中，本系統中滾筒濕度設定為32%、筒溫100℃、筒溫蒸汽閥門開度值設為零，其他參數還包括熱風系統蒸汽霧化水薄膜閥開度值、熱風風機變頻器頻率設定值與排潮風門開度值三者之間的關系、蒸汽霧化水開啟時間和HT頭尾加水開啟時間。

2.3.2.1 蒸汽霧化水閥門開度值PL、風機變頻器頻率FP和排潮開度值FK

根據薄板烘絲機控制原理和PL、FP、FK三個參數之間相互制約的關系，參照設備原有控制程序預設定值X（設備控制改進前FP預設定值為25Hz、FK預設定值為65%，PL為新增參數，預設定值無），以熱風風筒內蒸汽霧化水完全霧化為標準（PL開度在40%-70%之間風筒內無水滴出現），在預設定值附近分別采樣三組參數值進行相交實驗。葉絲以紅石二代為例，對比快速達到上節2.3.2所述烘筒內環境濕度臨界值32%的預熱需求。

當噴淋開度設為65%、風機頻率設為15Hz、排潮開度設為75%時，在原有預熱好的設備條件下，滾筒內環境濕度增加最快，時間為15min左右。由于滾筒正常預熱時間為15-25min，為了減少蒸汽霧化水對熱風溫度的影響和減少霧化水產生水滴的頻度，將風機頻率取折中值20Hz，噴淋開度取保守值45%，在20-25min時間內，可實現濕度值從原有的4%增加到25%左右。據此對控制程序進行了修改[5]。

2.3.2.2 熱風系統蒸汽霧化水開啟時間

經過測算，葉絲從進入滾筒到出來，需要大約260s的時間，為了最大限度發揮熱風系統蒸汽霧化水增濕作用，本著料頭葉絲不出現濕頭為原則，參照原有料頭控制程序PID作用時間3min，將熱風蒸汽霧化水開啟時間設定為150s，同時將原有料頭生產PID起作用前的階梯式筒溫控制薄膜閥開度設定值遞增幅度和遞增間隔進行了改進。

2.3.2.3 HT料頭霧化水開啟時間

對料頭開始后HT加蒸汽霧化水時間的控制，依然本著料頭葉絲不出現濕頭為原則，參照原有設備蒸汽增濕時間50s，葉絲從核子秤有料到進入滾筒時間為25s，葉絲在核子秤上流量顯示從有料開始達到正常工藝流量6000kg/h的時間為40s，選取50s、60S和70s 時間，結合前述蒸汽霧化水加濕功能分別進行三組數據測試進行參數摸索。

2.3.2.4 HT料尾霧化水開啟時間

為了保證從正常生產轉入料尾過程中正常工藝參數盡可能少的受影響，熱 風蒸汽霧化水裝置不參與料尾控制，料尾控制在保持原設備控制技術基礎上，只增加HT蒸汽霧化水增濕方式。加水時間參照HT料頭加水時間設計方式 ，當核子秤連續檢測無進料且累積量無變化22s后延時開啟，開啟時間設置70s、50s和40s各進行三次重復試驗進行參數摸索。

2.3.3 參數確定

根據測試，結合對原有工藝參數改變最小原則，邊實施邊對各項控制參數進行細化修正，最終確定了各項合適的控制參數，同時對控制程序進行了同步改進。

3改進效果

改進后，頭尾廢料量極少，不到3公斤。 從中央控制室采樣烘絲機出口水分過程控制圖與改造前作對比，如圖1和圖2所示。

從對比圖可以看出，改進后烘絲頭尾廢料量時間縮短，變化趨勢過渡平穩。

公司產品質量主管部門對成品葉絲質量進行了跟蹤驗證和數據統計， 改進后產品結構穩定、水分合格，質量不受影響。改進后頭尾煙絲損耗量每批減少47kg之多，年可節約制造成本270多萬元人民幣。該成果目前已獲得國家實用新型專利，專利號是：ZL 2012 2 0137539.8，可以進行煙草加工行業推廣。

參考文獻

[1]仝智強.逆流式滾筒烘絲機頭尾損耗控制的一種方法[J].科技信息，2010（3）.

[2]蘇子雅，施文莊.優化烘絲筒控制模式降低煙絲干頭量[J].廣東化工，2010（12）.

[3]馬建偉，李銀伢.滿意PID控制設計理論與方法，科學出版社，北京，2007.

[4]何蓉，劉華，李飛宇等. 管板式烘絲機工藝參數對葉絲物理特性的影響[J].安徽農業科學.2010（13）.

[5]彭呈華.有效減少SH623B型薄板式烘絲機烘絲干尾量研究[J].廣西輕工業，2009（10）.