煙葉加料引射蒸汽壓力自動控制系統

陳振業， 黃旭銳

（廣東中煙工業有限責任公司 廣州卷煙廠， 廣東 廣州 510385）

0 引言

隨著人們對項煙品質的不斷追求， 車間對加料工序改善從持續深入，發現煙葉加料霧化效果不穩定，部分牌號加料后煙葉表面有明顯料斑， 且該問題出現的頻率與牌號有明顯關聯。經分析，主要原因在于不同牌號加料比例不同、 香料粘稠度不同， 對引射蒸汽壓力的要求也不同。而當前加料引射蒸汽壓力均沒有固定，只通過機械減壓閥控制，與部分牌號香料實際需要的引射壓力不匹配，影響料液的霧化效果。此外，生產中亦存在偶發性引射蒸汽壓力波動問題， 原因是當前蒸汽壓力蒸汽閥門為固定開度100%，無法根據蒸汽來料情況自動調節，引射蒸汽壓力會隨著來料蒸汽壓力的波動而波動。

1 研究目的

研究現有牌號引射蒸汽壓力的合理設定值，使各牌號料液霧化效果良好，確保加料后煙葉沒有肉眼可見料斑。

設計合理的控制系統， 包括選擇蒸汽壓力控制閥、蒸汽壓力傳感器，設計控制系統的運行邏輯和算法等。

把自動控制系統的相關數據采集到中控系統， 實現引射蒸汽壓力相關數據在中控系統的顯示、 查詢和統計功能。

2 研究方法和技術路線

2.1 研究方法

利用自動控制技術， 在制絲車間料機開發一套加料機引射蒸汽壓力自動控制系統。 通過這個系統，可以在生產工單中設置各牌號加料引射蒸汽壓力。 生產過程中，系統能自動采集引射蒸汽壓力實際值， 與工單中的設置值對比，并通過PID 控制引射蒸汽薄膜閥動作，實現引射蒸汽壓力值及其波動范圍控制在合理范圍內。

2.2 技術路線

（1）進行現狀調查，查找存在問題。 研究加料機料液引射蒸汽壓力的穩定性，對過往數據進行統計分析，梳理當前存在問題，明確改善方向。

（2）原因分析，對可能因素進行確認。 針對可能影響蒸汽引射壓力穩定性的因素進行分析， 并通過合理試驗進行驗證，制定解決方案。

（3）實施改善，不斷調優設備。 實施設備改造，設計合理的自動控制系統，根據加料機運行條件，選擇合適的蒸汽薄膜閥執行機構，對現有壓力傳感器進行利舊改造，合理設計PID 算法和PLC 程序， 設計自動控制系統的安裝形式和結構等

（4）效果驗證和成果鞏固。對實際檢測效果進行跟蹤驗證。

3 整體方案設計

3.1 系統硬件設計

本方案采用SAMSON 分體式薄膜調節閥（3730-4 型閥門定位器+氣動控制閥），3730-4 型電氣閥門定位器安裝在氣動控制閥上， 用于按輸入控制信號將閥門準確定位。 控制系統使用西門子可編程序控制器S7-300 。 圖1為SAMSON 分體式薄膜調節閥控制原理圖。

圖1 SAMSON 分體式薄膜調節閥控制原理圖

3.2 上位機設計

監控使用Wonderware 公司System Platform 結合Intouch 作為系統的平臺架構軟件，Wonderware 系統平臺提供了一個單一的平臺， 可滿足工業自動化與信息人員的所有SCADA、管理HMI 和生產與績效管理要求。

采用“圖形模板”方式，不僅實現趨勢圖實時顯示，同時可實現統計信息的實時查看，在“柱狀圖”顯示區域通過柱狀圖直觀展示蒸汽壓力回路的設定、 實際和調節量的信息，“PID 操作調節區” 用于PID 控制參數的設定和調整，以及相關回路工作模式的操作。 界面見圖2。

圖2 引射蒸汽壓力控制界面

4 系統數據交互邏輯

系統數據交互邏輯如下：

（1）制絲中控上位系統通過制絲中控數據采集服務器獲取現場控制系統相關數據， 同時可在界面中通過采集服務器，設置引射蒸汽壓力相關配置信息。

（2）制絲中控管理應用服務器從數據庫獲取引射蒸汽壓力配方信息，并下發至控制系統，同時可以對引射蒸汽壓力配方信息進行維護，同步至數據庫服務器。

（3）現場操作終端直接與控制系統連接，可以獲取和設置引射蒸汽壓力相關數據。

（4）控制系統通過ProfiBus-PA 網絡與定位器通信，獲取和控制定位器開度等相關數據。 圖3 為系統數據交互邏輯示意圖。

圖3 系統數據交互邏輯示意圖

5 控制系統PID 控制

料液通過噴射系統來完成， 經過壓縮后的蒸汽對料液施加高壓使通過噴嘴后的料液達到霧化效果， 經霧化后的料液可以和滾筒內攪拌翻轉的煙葉充分混合， 增加料液附著在煙葉的均勻度。 加料噴射系統由料液噴射控制系統和霧化介質（引射蒸汽）控制系統組成，見圖4。 料液噴射控制系統的主要作用是進行料液流量、溫度、壓力等參數進行準確的控制； 料液流量按照煙葉流量的加料比進行計算，用計量泰和流量計等原件，設計閉環控制系統調節料液流量來達到料液流量的精確控制和工藝要求。引射蒸汽壓力控制系統的作用是通過薄膜閥調節引射蒸汽壓力來控制料液的霧化效果。料液從液體控制回路進入噴嘴液相流道，引射蒸汽則從由氣體控制回路進入噴嘴氣相流道，兩種介質在噴嘴出口處相互作用進行料液的噴射霧化破碎。

圖4 加料引射蒸汽PID 控制示意圖

5.1 PID 參數自整定的意義

加料機葉絲加料引射蒸汽壓力自動控制系統采用經典PID 控制算法來進行壓力調節， 這種算法的原理就是利用輸出的反饋值與標準值進行比較得到差值， 然后對差值進行比例、積分、微分運算。

調節過程需要合理選擇PID 的比例、積分、微分參數。比例系數可以控制系統靈敏的度，比例系數越大系統調節速度就越快；積分部分的作用是消除穩態誤差，提高控制精度；微分控制可以改善系統在調節過程中的動態特性。

5.2 PID 調節過程

（1）根據料液的壓力變化以及PLC 的運行周期，確定PID 采樣周期， 然后確定比例系數， 因該調節通過使用PLC 控制薄膜壓力閥來調節加料筒引射蒸汽的壓力，所以薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力為正比例關系，比例系數為正數。

（2）在積分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關系，為了消除穩態誤差，需在控制器中引入積分項。積分項對誤差取決于時間的積分，積分項會隨著時間的增加而加大， 它推動控制器的輸出增大使穩態誤差減小，直到等于零。

（3）在微分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關系， 通過調節比例系數雖然可以加快系統的調節速度，但也會影響系統的穩定性，可能會使系統出現振蕩甚至失穩。 在控制器中僅僅引入比例項是不夠的，在系統中增加微分項，它能預測誤差變化的趨勢，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了壓力的嚴重超調。

5.3 PID 調節功能塊FB41（CONT_C）

本調節系統采用STEP7 PID 功能塊FB41（連續控制方式），適用于S7 和C7 的CPU 中的循環中斷程序。 該功能塊定期計算所需要的數據， 保存在指定的背景數據塊中。 允許多次調用該功能塊。

6 成果應用分析

現制絲線各工序使用的蒸汽從動力車間生產后通過管道輸送至需求設備，途徑疏水器和減壓閥。 由于線路長、蒸汽源質量不穩定、 輸送過程相關設備工作狀態不穩定等原因，若蒸汽閥門保持固定開度，則會導致最終進入需求設備時，蒸汽壓力不穩定，不利于后續相關質量指標的穩定。 不同生產線相同機型性能差異、不同牌號的工藝要求差異等，固定的蒸汽壓力亦無法滿足產品精細化加工的發展需求。

本系統在需求設備端增設蒸汽壓力自動控制系統的實現方案，其關鍵在于需要合理選擇PID 的比例、積分、微分參數。需根據料液的壓力變化以及PLC 的運行周期，來確定PID 采樣周期，再確定比例系數。 具體如下：

（1）由于使用PLC 控制薄膜壓力閥來調節加料筒引射蒸汽的壓力， 所以薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力為正比例關系，因此比例系數為正數。

（2）積分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關系。

（3）在微分控制中，薄膜閥的閥位與加料筒引射蒸汽的壓力的積分成正比關系。

本系統在制絲車間經過試運行，其數據如下：

分別選取不同煙牌6 組不同牌號的引射蒸汽壓力進行分析統計，引射蒸汽壓力設定值為0.16MPa，具體統計數據見表1，其中統計信息已經過濾主機預熱的時間（近2min）。

表1 不同牌號的引射蒸汽壓力統計

同樣選取相同煙牌4 組不同批次的引射蒸汽壓力進行分析統計，引射蒸汽壓力設定值為0.16MPa，具體統計數據見表2，其中統計信息已經過濾主機預熱的時間（近2min）。

表2 不同批次的引射蒸汽壓力統計

有此可知上述的解決方案與前端蒸汽來料質量關系不大， 通過閥門定位器和PID 控制技術相結合來控制蒸汽壓力，適用范圍較廣，可以應用于制絲車間其他需要對蒸汽壓力進行控制的工序。

7 結束語

本文從改善加料機引射蒸汽壓力穩定性、 可控可調性出發， 研制了一種煙葉加料引射蒸汽壓力自動控制系統。通過PID 控制引射蒸汽薄膜閥動作，實現引射蒸汽壓力值及其波動范圍控制在合理范圍內。 采用SAMSON 分體式薄膜調節閥（3730-4 型閥門定位器+氣動控制閥）來控制閥門開度， 使用有Wonderware 公司System Platform結合Intouch 作為系統的平臺架構軟件，開發上位機界面來監控和設置PID 參數。