滾筒式葉片松散回潮機控制系統改進

劉俊峰

（河南中煙工業有限責任公司黃金葉制造中心，鄭州450016）

滾筒式葉片松散回潮機控制系統改進

劉俊峰

（河南中煙工業有限責任公司黃金葉制造中心，鄭州450016）

WQ3318Y406型滾筒式葉片松散回潮機在使用過程中，回潮后葉片含水率及滾筒后室循環風的風溫大幅波動，滾筒內蒸汽從出料口大量溢出。改進松散回潮控制系統，調整電氣元件位置，優化PID參數，改進效果良好。

卷煙制造；滾筒式葉片松散回潮機；循環風風溫；增濕；PID控制；改進

0 前言

滾筒式葉片松散回潮機用于卷煙廠制絲線的葉片預處理段，主要用來增加片煙的含水率和溫度，提高片煙的耐加工性等。昆船公司生產的WQ3318Y406型滾筒式葉片松散回潮機（以下簡稱WQ3318Y406），控制系統是采用現場總線技術的西門子S7-400 PLC。在實際生產過程中，回潮后葉片含水率及循環風風溫波動大，穩定性差，滾筒內蒸汽從滾筒出料口大量溢出。針對上述問題，通過實驗，增加新的PID［1］控制，對其系統的循環風和出口水分控制模式進行了改進，旨在提高設備的在線加工精度，保證產品質量。

1 存在問題

1.1 WQ3318Y406循環熱風系統

系統工藝流程：外部新鮮空氣在風機作用下，經冷熱風混合風門進入熱風循環管道，由滾筒進料端口被送入滾筒內部；與此同時，高溫高壓的飽和蒸汽通過氣動薄膜閥，也從滾筒進料端口進入滾筒內部，二者混合，形成濕熱空氣，對物料進行增溫增濕；熱交換后的空氣，經旋轉式篩網過濾，通過熱風管道進入空氣加熱器重新加熱，進行循環利用。熱風系統的控制是通過調用SIMATIC STEP 7軟件中的PID模塊FB41來實現。其中后室熱風管道上溫度變送器的檢測風溫，做為PID模塊PV接口的輸入值，生產需要的工藝風溫做為SP接口的輸入值，PID模塊的輸出值做為冷熱風混合風門開度的設定值，風門由其電動角執行器驅動。系統通過改變冷熱風混合風門的開度，調整進入循環熱風管道的冷風風量，達到溫度變送器的檢測風溫穩定的目的。

圖1 改進前循環風風溫控制原理

在實際應用過程中，上述控制模式存在一些問題：①循環風風溫控制系統的穩定性差，抗干擾能力弱。在原設計控制模式下，循環熱風回路中、帶電氣定位器的氣動薄膜閥1的開度為經驗值，且固定不變，生產過程中，外界蒸汽壓力的變化，引起循環熱風風溫頻繁大幅波動；②PID閉環控制的反饋信號選取不當，導致系統反應滯后。原控制模式下，選取后室熱風管道上的溫度變送器檢測到的熱風風溫，作為PID閉環控制的反饋輸入信號。生產過程中，由于空氣加熱器位于反饋信號采集點的后方，其作用不大，不利于產品質量的控制；③PID閉環控制的執行機構選取不當，即以角執行器調節為主、氣動薄膜閥調節為輔的方法不利熱風溫度的穩定。在原控制方式（圖1）中，選取后室熱風管道上的溫度變送器的檢測風溫作為PV值，以PID閉環控制模塊的輸出，控制冷熱風混合風門的實時開、關，達到穩定循環風風溫的目的。設備運行過程中，由于風門角執行器具有一定的機械反應滯后，風門開度無法快速達到設定值，最終導致系統調整滯后，在線控制精度較低。回潮機溫度歷史趨勢圖如圖2所示。1.2WQ3318Y406增濕系統

圖2 改進前批次間曲線趨勢

圖3 改進前批次內回潮后葉片水分趨勢圖

葉片增濕系統包含兩套相同的增濕裝置，分別位于滾筒內前室和后室。增濕裝置包括增濕水電磁流量計，增濕水、增濕汽氣動薄膜閥，汽水混合噴嘴等，其中增濕水氣動薄膜閥具備電氣定位功能，與增濕水電磁流量計相同，都具有PA網絡通訊接口。增濕過程：高溫高壓的蒸汽和滿足一定壓力的軟化水在汽水混合噴嘴里混合后呈霧狀噴出，對葉片進行增濕。葉片的增濕控制同樣是通過調用SIMATIC STEP 7軟件中的PID模塊FB41來實現，控制原理：一定質量的葉片，其在增濕前后，固有質量保持不變。系統利用來料葉片的水分值、電子皮帶秤的瞬時流量和回潮后葉片水分的設定值，計算出回潮后葉片達到設定水分值需增加的瞬時水量（單位是kg/h），并做為PID模塊SP接口的輸入值；增濕水電磁流量計檢測到的實際值做為PID模塊PV接口的輸入值；PID模塊的輸出值做為前室增濕水氣動薄膜閥的瞬時開度，通過調整氣動薄膜閥的開度，進而調整增濕水的瞬時流量，實現葉片增濕的精確控制。

這種增濕控制存在以下不足：增濕水全部經由前室增濕管路加入的模式不利于葉片水分的精確控制。在原控制模式下，后室增濕水管路沒有啟用，后室補充的水量與前室需加入的水量疊加在一起，全部經前室增濕水管路同時加入到滾筒內。當來料葉片的水分出現波動時，需瞬時補充的增濕水水量同時產生較大的波動，系統無法實現高精度的增濕水補給，致使回潮后的葉片水分不能滿足工藝要求，在線控制精度低。回潮后葉片水分趨勢如圖3所示，PV值振幅波動大，呈不規則波浪形。

2 改進方法

2.1 循環風風溫控制的改進［2］

（1）增強熱風溫度檢測的實時性。改取前室熱風管道上的溫度傳感器的檢測風溫度作為熱風溫度PID模塊的反饋輸入，參與熱風溫度PID閉環控制。

（2）對控制系統的執行元件進行升級換代。采用性能更加優異的SAMSON 3730-4型電氣定位器替代原來的SAMSON 3785型電氣定位器，以提高系統指令執行的速度及精度。

（3）如圖4所示，增濕控制以氣動薄膜閥調節為主，冷熱風混合風門調節為輔。PID模塊的輸出驅動元件，更改為帶電氣定位功能的氣動薄膜閥；生產過程中，冷熱風混合風門的開度賦以經驗值，固定不變。

圖4 改進后循環風風溫控制原理圖

（4）依據生產工藝要求，重新優化熱風控制的P、I、D參數，保證系統響應更加快速、穩定和準確，PID參數設置見圖5。

圖5 PID參數設置

（5）優化冷熱風混合風門開度的設定值及前室熱風溫度設定值SP。修改操作畫面，方便上位中控系統操作（圖6）。

2.2 增濕控制的改進

（1）通過改進電子皮帶秤入口處、喂料提升帶的邏輯控制，穩定物料流量。原控制方案：根據松散滾筒入口電子皮帶秤的瞬時流量決定喂料提升帶電機的轉速，當電子皮帶秤上的來料瞬時流量增大時，提高喂料提升帶電機的轉速；反之，降低喂料提升帶電機的轉速。改進后的控制方案：首先，若喂料機定量管的低料位光電開關檢測到物料，則變頻器以40 Hz頻率驅動喂料提升帶電機，使之快速運轉；反之，變頻器輸出50 Hz頻率，驅動喂料提升電機高速運轉，經一定時間確認，若仍無來料信號，則喂料提升電機停止運轉；其次，若喂料機定量管的高、中、低料位光電開關全部檢測到物料，則經5 s延時后，變頻器停止輸出，喂料提升電機停止運行，防止喂料機定量管發生堵料。

圖6 參數設置

（2）改進增濕模式。啟用后室增濕裝置，以前室增濕為主、后室增濕為輔的模式進行增濕控制。工作原理：以回潮后葉片水分的實際值做為后室增濕PID模塊的PV接口輸入值，回潮后葉片水分的工藝值做為后室增濕水PID模塊的SP接口輸入值，后室增濕PID模塊的輸出做為后室增濕水氣動薄膜閥的開度控制值，若某一階段的回潮后葉片水分偏大，PID模塊輸出值降低，后室增濕水氣動薄膜閥開度快速減小；相反，若某一階段的回潮后葉片水分偏小，PID模塊輸出值增大，后室增濕水氣動薄膜閥開度快速增大。

（3）為保持回潮后葉片水分的過程穩定性，提高在線加工精度，減小出口水分頻繁波動對控制造成的影響，對PID模塊PV端口輸入值進行優化。方法是將回潮后煙葉水分的實際值依次壓入堆棧［3］，根據先進先出的原則，取出棧后若干個水分值的平均值作為PV端口的輸入。

（4）根據回潮后葉片水分的在線控制狀況，對后室增濕PID模塊的P、I、D參數重新調整。

3 改進效果

WQ3318Y406型滾筒式葉片松散回潮機增濕控制改進后，效果明顯。中央控制室電腦記錄顯示（圖7）：回潮后葉片水分穩定性和在線加工精度均得到提高，改進前過程控制能力指數CPK≤1.0，改進后CPK≥1.33，月度范圍內，CPK≥1.33的批次數占總生產批次數的百分比由30%提高到80%。

通過循環風風溫控制改進，消除了由執行機構存在機械滯后而帶來的影響，降低了蒸汽壓力波動對溫度穩定性的影響，增強了系統的抗干擾性，避免了滾筒出料口大量蒸汽外溢，使生產現場更加和諧、美觀，減少了能量消耗，熱風溫度的過程控制能力指數CPK由1.34提高到2.0，月度范圍內，CPK≥1.33的批次數占總生產批次數的百分比由70%提高到90%以上（圖8）。

圖7 改進后批次內滾筒出口葉片水分曲線趨勢

圖8 改進后批次間循環風風溫度曲線趨勢

［1］王偉等.PID參數先進整定方法綜述［J］.自動化學報，2000，26（3）.

［2］孫紹波.制絲線潤葉機熱風溫度控制方式的改進［J］.煙草科技，2008，（1）：19-22.

［3］廖常初.S7-300/400應用教程［M］.北京:機械工業出版社，2010.

〔編輯 凌瑞〕

TS43

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.24