基于多重控制策略的精準化復烤技術

程勇 朱鋒 李浩 周新宙

摘要：煙葉復烤作為打葉復烤加工工藝中必不可少的重要環節，其作用在于調控煙葉水分、去雜保香、滅蟲滅菌，使片煙更適合貯存、醇化。針對目前烤片機水分控制精度不夠、人工調控反應慢等問題，作者將常規PID控制與閉環控制原理相結合，利用機尾紅外水分儀進行水分檢測，以回潮區霧化噴水量及機尾雙向皮帶轉向為調控手段，設計出多個操作變量的煙葉復烤四重控制模式，有效提高烤片機出口煙葉水分的控制精度。

關鍵詞：煙葉復烤;煙葉水分;PID控制;四重控制

隨著時代的進步與發展，卷煙工業企業對復烤后煙葉水分要求不再僅限于合格，同時還要求同批次煙葉水分均勻穩定。為了獲得較好的控制效果，復烤廠對烤片機溫度采用了PID控制，而對出口煙葉水分未有較好的控制策略，主要依靠人工手動調節參數，使出口煙葉水分達到客戶要求的合格范圍內，導致烤片機煙葉水分調控存在控制精度不夠、調控反應速度慢等問題，也滿足不了目前客戶對復烤煙葉水分均勻性的要求。

常規PID控制由于其簡單方便、適用性強等特點，廣泛運用于工業企業控制過程中，但對于煙葉復烤這種多干擾、強耦合、不確定的過程控制，難以實現有效調控[1-2]。為此，考慮回潮區霧化噴水量對復烤煙葉水分的調控最具直接性和有效性，作者有效規避了煙葉復烤過程中溫度與水分之間的耦合作用，以調控回潮區濕度為突破口，結合常規的PID控制與閉環控制原理，設計了多個操作變量的四重控制模式。

1?系統設計

目前，大多復烤廠基本采用的是以基于PID溫度控制為輔，人工調控為主的一種傳統的控制系統。該控制方法易受人為因素影響，對烤片機擋車工技術、經驗要求較高，不易實現烤片機煙葉水分在較小范圍內波動需求，達不到客戶預期效果。

作者借鑒預控圖理論，制定了水分分布圖（如圖1所示），并針對烤片機機尾煙葉水分處于不同范圍，制定了相應的調控策略，最終形成了煙葉復烤的四重控制模式。

如圖1所示，C區位目標區域，機尾煙葉水分理想控制范圍;A、B區為預警區域，其中B區為輕度警戒區、A區位高度警戒區;A區之外為不合格區域。

調控原理：①當機尾檢測水分落在C區（理想狀態）時，烤片機不做任何調控;②當機尾檢測水分落在B區時，烤片機程序通過PID算法，直接調節回潮區高壓水泵頻率，實現煙葉水分微調，使煙葉水分落在目標區域C區中;③當機尾檢測水分落在A區時，烤片機程序自動調控霧化噴嘴開啟對數，實現烤片機煙葉水分的快速調節，使煙葉水分落在目標區域C區;④當機尾檢測水分落在A區之外（不合格）時，烤片機將自動開啟煙葉進柜功能，待煙葉水分合格后，自動關閉進柜功能，出庫煙葉進入下一工序。

2?方案實施

2.1硬件方面

針對霧化噴嘴易堵塞的問題，對烤片機水箱進水管道進行了改造，在水箱前加裝了疏水閥和進水過濾器。通過兩周的使用觀察，8對（16組）霧化噴嘴點檢結果均正常，為煙葉水分調控有效實施提供了硬件保障。

2.2 軟件方面

2.2.1 干燥區、冷房溫度控制

修改干燥區、冷房基于PID控制器的鋸齒式溫度調控法，依據煙葉來料特性、流量、溫度T梯度變化，整定PID參數設置[3]，實現了干燥區、冷房溫度平穩控制，降低了煙葉水分因干燥不均勻帶來的差異性。

2.2.2 出口水分儀檢測

考慮因烤片機機尾葉片結構檢測取樣等干擾引起的水分儀檢測值異常情況，作者結合水分儀檢測頻率，修改烤后水分檢測反饋程序，并對此類異常值進行合理剔除，避免響應程序誤反應。

2.2.3 水泵頻率控制

增設煙葉水分判斷機制程序和水泵頻率PID控制程序。其工作原理為：（1）通過設定高壓水泵頻率上下限，確保八組霧化噴嘴霧化效果;（2）通過實時水分檢測值與設定值的偏差，判斷當前水分所在區域是否為輕度警戒區（B區）;（3）若檢測水分處于B區時，通過實時監測值與設定值進行比較，利用PID算法計算水泵頻率輸出控制值。通過改變回潮區高壓水泵頻率，可實現回潮區霧化水量控制，促使出口煙葉水分處于目標區域。

2.2.4 霧化噴嘴啟停控制

增設判斷機制程序、霧化噴嘴調控運算程序以及回潮區霧化噴嘴調控執行程序。其工作原理為：（1）通過實時水分檢測值與設定值的偏差，判斷當前水分所在區域是否處于嚴重警戒區（A區）;（2）當前水分處于A區時，若當前水分檢測值高于設定值，回潮區將關閉一對處開啟狀態且最靠近烤季出口的霧化噴嘴;若當前水分檢測值低于設定值，回潮區將開啟一對暫處開啟狀態且最靠近烤季出口的霧化噴嘴;（3）考慮霧化噴嘴停啟對煙葉水分影響較大，且紅外水分儀設在在烤片機機尾，對調節效果反饋具有一定延時性，故在霧化噴嘴每關或啟一次后，設有一定的停滯時間。

2.2.5 自動進柜調控

新增了煙葉水分判斷機制程序和烤片機出口自動進柜程序，對檢測水分不合格煙葉自動進行進柜處理。待煙葉水分合格15s后，自行關閉進柜功能，出口煙葉進入下一工序。

3?效果驗證

3.1 設備及材料

設備：9000kg/h打葉復烤生產線，LA34001S（34kg，0.1g）型電子天平（德國SARTORIUS公司），CPA223S型電子天平（感量0.001g，德國SARTORIUS公司），BINDER FED240型恒溫干燥箱。

材料：復烤廠16、17烤季加工的10個相同等級批次煙葉。

2.3.2 方案設計

方案設計如表1所示，通過對改進后17烤季加工的10批次煙葉加工進行長期監測，以驗證自動控制模式對復烤成品批內含水率變異系數的影響。試驗后，選取改造前16烤季加工的同等級煙葉進行對比研究。

2.3.3 結果與分析

對實驗選取的10個同等級批次煙葉加工進行監測，統計其改進前后的復烤成品批內含水率變異系數如表2所示。

復烤成品含水率變異系數試驗數據描述統計表如表3所示。從均值上看，17烤季加工批次成品片煙水分變異系數均值更小，即水分波動更為穩定。

復烤成品含水率變異系數試驗數據方差分析表如表4所示：

由表4可知，不同的控制模式對復烤成品含水率變異系數在α=0.05置信水平上存在顯著影響。由此可說明，基于多重控制策略的自動調控程序對復烤煙葉水分穩定性調控效果顯著。

結語

通過常規的PID控制與閉環控制原理相結合，形成多個操作變量的四重控制模式，能有效提高KG233C型葉片復烤機的含水率控制能力，降低復烤成品批內含水率變異系數。

參考文獻

[1]徐湘元. 過程控制技術及其應用 [M]. 北京：清華大學出版社.2015：110-230.

[2]李文濤. 過程控制 [M]. 科學出版社，2012.2.

[3]陶永華. PID控制原理和自整定策略[J]. 工業儀表與自動化裝置，1997（4）：60-64.

作者簡介：程勇，男，湖北煙草金葉復烤有限責任公司，工藝質量管理員。