SH38型管板式烘絲機控制系統改進

2016-09-06 07:14:29王登兵趙永祥

電氣技術 2016年7期

王登兵　趙永祥　何　偉　韓　磊

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠，天津 300163）

SH38型管板式烘絲機控制系統改進

王登兵趙永祥何偉韓磊

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠，天津 300163）

為提高SH38型管板式烘絲機在運行過程中的穩定性和控制精度，對烘絲機控制系統的設備及控制方式進行改進。通過對筒體、回水、熱風、排潮、蒸汽管路合理增加監測點，開發運行狀況預警系統，實現在線預警提示及聯鎖控制，提升烘絲機運行穩定性及故障預判預修，降低故障突發頻次；利用飽和蒸汽壓力-溫度對應關系原理對筒壁溫度檢測模式進行補充，提升主要控制參數穩定性；增加分段PID控制模式對控制流程進行優化。

管板式烘絲機；控制系統；預警系統；PID參數整定；壓力-溫度轉換

烘絲機是煙草制絲生產線中的關鍵設備，其功能是對葉絲進行烘干處理，使其含水率達到11%～14%，且將含水率精度控制在±0.5%以內，同時在葉絲烘干過程中，使煙絲產生明顯的膨脹，提高煙絲的填充力，以滿足卷煙工藝要求［1］。天津卷煙廠使用的管板式烘絲機是秦皇島煙機廠生產的SH38型管板式烘絲機，該型號管板式烘絲機采用傳導——對流的方式對煙絲進行干燥，通過筒體溫度、熱風、排潮等組合作用下對煙絲進行干燥處理，使其滿足工藝指標的要求。本文從分析現有烘絲機工作原理和控制模式入手，通過開發烘絲機運行狀態預警系統，并對烘絲機控制系統硬件設備及控制程序進行聯合優化，達到提高烘絲機控制精度及運行穩定性的目的。

1　現狀分析

1.1工作原理

管板式烘絲機的工作原理是：煙絲在環形空間內通過炒料板不斷翻滾下滑，并與內外筒體加熱器及順向或逆向流動熱風充分接觸，蒸汽經管路系統至旋轉接頭后進入烘絲筒內的管板中，烘絲機筒體的高溫迅速將高溫高濕的來料煙絲中的水分烘出，同時用高溫的熱風將烘出的水分帶走，并使煙絲冷卻定型。出口水分的控制主要依靠兩個方面：①筒溫；②熱風和排潮風量［1-3］。其中，筒溫是控制水分的主要因素。SH38型管板式烘絲機采用的是固定筒壁溫度，調節熱風排潮風量的控制模式來進行煙絲水分控制，在這種控制模式下，筒溫的穩定性對于烘絲機的出口煙絲含水量的穩定性有至關重要的作用。

SH38型管板式烘絲機的筒溫控制原理如下：在烘絲機的出料端旋轉接頭回水管路上裝有一溫度傳感器，通過測量回水溫度近似為筒壁溫度，將筒溫設定值與測得的筒溫差值通過PID運算得到控制信號，自動跟蹤調節薄膜調節閥的開度，以控制進入烘絲機筒內的蒸汽量，最終達到控制筒溫穩定在設定值附近的目的。

1.2存在問題

SH38型管板式烘絲機設備出廠設計中的運行參數監測工藝點較少，主要包括烘筒轉速、筒壁溫度、熱風溫度及熱風風量，通過對現有系統生產運行情況分析，烘絲機控制系統中有關運行狀態的監測點設置不足，不能支撐對整個設備運行狀況的判斷及預警，運行過程中異常故障及突發故障頻次相對較高，從而影響了烘絲生產的穩定性，需要對影響烘絲過程的主要因素進行監測，通過對各運行參數的采集、分析進而定量化并參與控制，為烘絲機運行過程中設備穩定性的判斷提供充足數據。另外，烘絲機在筒溫控制方面存在兩個問題：①筒溫實際值采用溫度變送器進行單點測量，測量位置在出料端旋轉接頭處，長期運行中會由于設備的老化磨損等因素，給筒溫檢測帶來不規律擾動［4］，需要對筒溫檢測方式進行優化，以穩定烘絲運行的主要參數；②烘絲機起動后需進行預熱，預熱時的筒溫調節由PID調節器進行控制，當前系統中烘絲機實際預熱時間較長，影響烘絲生產效率，在不影響正常生產階段水分控制的前提下，需要通過優化控制程序達到降低預熱時間的目的。

2　改進措施

針對烘絲機目前存在的問題，從3個方面進行改進，通過開發烘絲機預警系統提高設備運行穩定性，在此基礎上針對主要工藝參數即筒壁溫度控制過程中的問題，進行控制模式及程序優化，達到穩定主要工藝參數的目的，從而提高控制精度和生產效率。

2.1預警系統開發

烘絲機預警系統是為保障設備運行的穩定性設計的，其是數據采集系統、數據分析系統、報警系統、綜合分析系統，主要功能是通過判斷烘絲機運行過程中的工藝參數變化趨勢，對可能發生的故障進行提前預警，并對設定量進行一定的補償減少故障突發情況。SH38型管板式烘絲機預警系統由檢測裝置、數據采集裝置、監控操作界面組成，其組成結構框圖如圖1所示。

1）報警系統

烘絲機目前的設備運行參數監測工藝點較少，僅有筒壁溫度、熱風溫度及熱風風量，實際生產運行過程中，影響煙絲質量的主要因素比較多，因此在當前管板式烘絲機設備中增加多個運行參數監測點，通過安裝相應傳感器等檢測裝置，對進筒蒸汽壓力、進筒蒸汽溫度、回水溫度、回水壓力、排潮風量、熱風風量、熱風及排潮濕度、出入口負壓等工藝參數進行檢測，將以上全部監測點接入PLC系統進行數據采集，通過編寫程序進行必要的數據轉換及濾波處理，并將PLC處理后的數據傳送至報警系統，增加監測點后對烘絲機預警系統全部監測點參數見表1。

表1　烘絲機報警系統運行狀態參數監測點

報警系統的監控操作在上位機上實現，檢測數據在監控畫面上顯示。通過不斷的試驗、測試及分析，根據實際運行情況為表1中所有運行參數建立參數分析比對模型，規定出各個參數允許浮動范圍，對所有新增的工藝參數進行歸檔并添加到原有歷史趨勢中，畫面中可以顯示當前狀態下的工藝參數曲線，也可以對歷史趨勢曲線進行調取查詢。

在報警數據庫中為表1中的烘絲機預警參數定義報警及反饋信息，在歷史趨勢中設定上下限范圍，根據實際運行情況設定報警閾值進行實時監控及報警，提示操作人員進行必要的處理。

操作人員通過鼠標點擊即可完成所有操作功能，并能快捷地調用各參數歷史趨勢畫面，維護人員可通過鍵盤操作進行報警參數及設定補償的設置和修改，可以針對不同批次牌號的煙絲對監測點閾值數據進行調整和修改，設置浮動的報警及補償上下限；以新增的進筒蒸汽壓力數據為例，圖2所示為預警系統監控畫面，預警上下限以該批次的進筒蒸汽壓力設定值參數為基準進行確定，正常生產中參數處于上下限范圍內時，曲線顏色為粗線條綠色，在超出限制值時曲線會變成紅色，同時在監控主畫面中進行信息提示，提醒操作人員作出判斷，通知現場人員進行確認，通知維修人員對異常信息進行確認，達到提前預測故障并指導維修的目的。

2）綜合分析系統

預警系統內監控的各參數實時曲線可以在同一畫面中集中顯示，也可以分別放大進行單獨顯示，將圖1中各個相關聯的數據采集變量與內部設置量、及固化參數進行比較經過PLC綜合分析，最終輸出預警信息，以筒體溫度設定值為例，當壓力檢測與溫度檢測比例偏離中值時，綜合分析系統將通過計算的數據已補償修正值反饋給PLC來控制筒體溫度的恒定，達到在外圍因素發生變化時系統能及時作出反饋調整，控制系統穩定運行的目的。

圖2　預警監控畫面

2.2筒溫控制方式優化

根據烘絲機蒸汽疏水系統結構及飽和蒸汽壓力與溫度存在一一對應關系的原理，在正常情況下，滾筒蒸汽壓力與筒溫之間也存在一一對應關系。根據該原理，可以通過檢測烘絲機蒸汽管理中蒸汽壓力的方式間接獲取筒溫數據。

在當前管板式烘絲機設備中增加了一套壓力檢測裝置，壓力檢測變送器安裝于烘絲機的主蒸汽管路上，位于蒸汽薄膜閥后，對進入烘絲機管路的蒸汽壓力進行測量，并根據飽和蒸汽壓力與溫度的對應關系，判斷工作蒸汽質量和品質，設計控制器/控制單元，結合運行經驗，輸出蒸汽質量對溫控系統閉環控制的擾動量/擾動因素，復合運算后參與筒溫調節，可以對筒溫控制過程進行補償校正，減少蒸汽質量波動等干擾因素引起的筒溫控制不穩定性。優化后的筒溫控制原理框圖如圖3所示。

圖3　改進后的筒溫控制原理框圖

進入烘絲機筒體的蒸汽壓力通常在0～1MPa，通過PLC程序采用查表法實現壓力——溫度的轉換，飽和蒸汽壓力——溫度對照數據見表2，并根據表2繪制出壓力及溫度變化曲線參如圖4所示。

表2　飽和蒸汽壓力——溫度對照表

圖4　飽和蒸汽曲線圖片

2.3控制流程優化

根據實際運行情況，目前烘絲機存在預熱時間過長的問題，通過分析生產流程發現，烘絲機在自動狀態下啟動后進入預熱狀態，筒溫、熱風溫度的控制通過調用PID控制模塊實現，PID調節器的參數在整個運行過程中保持固定不變，該參數能保證生產中筒溫及熱風溫度控制的穩定性，達到水分控制精度要求，但在預熱狀態時對筒溫的調節較慢，使得預熱時間過長，影響生產效率。

針對實際問題，通過烘絲機運行狀態劃分及分段PID控制實現分段調節。根據條件組合明確劃分預熱階段與生產階段，對控制程序中的PID調節程序進行剝離，在不改動原有程序結構的基礎上重新建立新的功能塊，新增PID控制器對預熱階段單獨控制，在不影響正常生產階段水分控制的前提下，達到降低預熱時間的目的。

改進后的烘絲機控制流程如圖5所示。

劃分出預熱階段后，在程序部分與人機交互界面分別增加預熱階段PID控制器功能程序，采用實驗法對PID參數進行整定，確定預熱階段的PID控制參數，達到烘絲機快速預熱的要求。

圖5　改進后的烘絲機控制流程圖

3　改進效果

烘絲機控制系統改進后，實現預警系統正常運行，通過實時監測設備內多點的運行狀態情況，能預測可能發生的故障，有效防止異常故障的發生。從中控室采樣烘絲機過程控制數據進行統計分析，隨機采樣改進前后一個月內的生產數據，分析得知，改進后生產過程中的筒溫實際值在設定值+0.5℃范圍內波動，滿足筒溫控制精度要求，由表3可見：①改進后筒溫標準偏差減小，出口水分的標準偏差由改進前的0.11%減小到0.06%；②改進后消除了烘絲機預熱時筒溫明顯超調的情況，筒溫調節震蕩減弱，批次平均預熱時間也明顯縮短。