基于趨勢與偏差控制的松散回潮機加水系統(tǒng)

吳 碩，高 衛(wèi)，孫延釗*，王世軍，段連飚

1.國家煙草專賣局經濟運行司，北京市西城區(qū)月壇南街55 號 100045

2.山東中煙工業(yè)有限責任公司濟南卷煙廠，濟南市高新區(qū)科航路2006 號 250104

松散回潮工序主要用于松散片煙、增加片煙含水率和溫度以及提高片煙耐加工性［1］，在制絲生產中保證松散回潮出口含水率穩(wěn)定對于保持批次間一致性具有重要作用。目前國內卷煙企業(yè)大多采用德國HAUNI 公司生產的松散回潮機，松散效果良好，但普遍存在出口含水率穩(wěn)定性差等問題。針對此問題，張玉和等［2］通過設計預松散裝置和優(yōu)化回潮筒耙釘方式，提高了物料受熱和回潮均勻性；王雷［3］重新設計了料頭階段控制程序，提升了料頭控制穩(wěn)定性；趙鋒［4］在松散回潮滾筒后室增加了一套加水系統(tǒng)，對加水流量進行分段控制；楊燕平等［5］通過增加入口含水率、蒸汽等前饋，設計了前饋-串級雙閉環(huán)控制方式，實現了潤葉加料工序含水率控制；郭奔等［6］將出口含水率檢測加入反饋回路中，設計了級聯型PID 加料含水率控制系統(tǒng)；董偉等［7］在HAUNI 松散回潮機中增加后加水功能，以解決含水率控制滯后問題；吳玉生等［8］通過設計最佳工藝參數組合，實現松散回潮潮氣零排放，提升了出口含水率CPK值；李秀芳［9］通過改進回風和含水率控制方式，優(yōu)化工藝參數，降低了松散回潮出口溫度和含水率波動；劉穗君等［10］設計了一種基于統(tǒng)計回歸分析的松散回潮出口含水率精準控制系統(tǒng)。上述研究雖有效減少了松散回潮出口含水率波動，但在含水率精度、自適應控制等方面仍有較大提升空間。為此，以濟南卷煙廠制絲生產線為對象，將松散回潮現有的“前加水”改進為“前加水為主、后加水調整”控制方式，并根據不同卷煙牌號建立加水系數經驗數據庫，將趨勢控制與偏差控制相結合設計一種松散回潮機加水系統(tǒng)，以期提升松散回潮出口含水率的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設計

改進前松散回潮機采用滾筒入口端前加水方式，物料從加水噴嘴到出口水分儀的運行時間約為200 s，滯后時間較長；生產中需通過人工改變加水流量設定值以調節(jié)出口含水率，即出口含水率僅作為人工調節(jié)的參考數據，不參與含水率自動控制，因此該系統(tǒng)屬典型的開環(huán)控制，見圖1。受環(huán)境、煙葉等級產地等因素的影響，現有方式無法實現出口含水率的精準控制。

改進后將松散回潮加水分為滾筒入口端前加水和出口端后加水兩部分，見圖2。入口端前加水方式保持不變，出口端增加加水噴嘴且距離含水率檢測點較近，滯后時間縮短為45 s 左右。改進后將出口含水率加入反饋控制中，同時將趨勢控制與偏差控制相結合，以“前加水為主、后加水調整”為原則實現出口含水率的精確控制。

圖1 改進前加水控制流程框圖Fig.1 Control flow of water supply before modification

圖2 改進后加水控制流程框圖Fig.2 Control flow of water supply after modification

1.1 前后加水流量分配

前加水噴嘴安裝在滾筒入口端，在片煙翻轉過程中使水分充分滲透入片煙內部。改進后仍保持前加水的主加水功能，后加水主要起調節(jié)作用，其加水流量占總加水流量的比例較小。以濟南卷煙廠生產的“泰山（紅將軍）”牌卷煙為例，松散回潮入口含水率為12%，出口含水率要求為16.5%～19.5%，通過松散回潮增加含水率4.5～7.5 百分點。為滿足含水率穩(wěn)定性要求，前加水增加含水率2.5～5.5 百分點，后加水增加含水率2.0 百分點，因此前后加水流量比例為（1.25～2.75）∶1。以“泰山（紅將軍）”出口含水率18.0%，總加水流量320 kg/h為標準，對松散回潮效果進行驗證，結果見表1。可見，當前加水流量在200～220 kg/h 范圍時，片煙松散率均在99%以上，表明增加后加水功能未對松散率產生影響。

表1 不同前加水流量下片煙松散率Tab.1 Loosening rates of tobacco strips at different front water supplying rates

1.2 加水系數經驗數據庫的構建

由于不同卷煙牌號之間的加水流量存在較大差異，通過編程在西門子S7-300 PLC 數據塊中建立各牌號加水系數經驗數據庫，以確定各牌號的前后加水流量，見圖3。當控制系統(tǒng)接收到生產工單時，根據工單中的牌號信息調用數據庫中的加水系數，若數據庫中無該牌號，則對加水系數進行初始設定，并根據加水系數WaterScale 與物料流量相乘計算總加水流量，再以“前加水為主”原則計算前加水流量；后加水流量則采用趨勢與偏差控制方法進行實時調節(jié)。加水系數根據加水流量數據完成自學習和訓練，當后加水流量大于120 kg/h時，增大加水系數，即提高前加水流量；當后加水流量小于60 kg/h 時，減小加水系數，即降低前加水流量。將經過優(yōu)化的加水系數以及對應牌號存儲在程序數據塊中，進而建立起加水系數經驗數據庫。

圖3 加水系數經驗數據庫構建流程圖Fig.3 Establishment flow of empirical data base of water supply coefficients

1.3 基于趨勢與偏差的控制模式

趨勢控制是指利用出口含水率的變化值預測未來含水率的變化趨勢，該趨勢值定義為ΔTr（t）；偏差控制主要是根據實際值偏離目標值的大小進行調節(jié)，該偏差值定義為ΔWr（t）。

式中：y（t）為時間t 的出口含水率，%；y（t-T）為時間t-T 的出口含水率，%；T 為采樣周期，s；Sp為出口含水率設定值，%。

1.3.1 趨勢控制

在一個采樣周期T 內，出口含水率的斜率值K（t）為：

在一個采樣周期T 內，因趨勢控制補償的加水流量ΔWaterFlow（1）為：

式中：WF（t）為電子秤流量，kg/h。

當偏差值ΔWr（t）為正時，含水率實際值大于設定值，應降低加水流量；當偏差值ΔWr（t）為負時，含水率實際值小于設定值，應增大加水流量。ΔWr（t）的絕對值越大，加水流量調整值ΔWaterFlow（2）越大。

1.3.3 采樣周期T

系統(tǒng)每隔一個采樣周期T 調整一次加水流量，通過確定控制量與控制對象之間的系統(tǒng)滯后時間，即后加水泵與出口含水率檢測點之間的時間

式中：y（t）代表當前出口含水率，%；WF（t）為電子秤流量，kg/h。

由式（3）可見，當K（t）為正時，含水率有上升趨勢，應降低加水流量；當K（t）為負時，含水率有下降趨勢，應增大加水流量。由式（4）可見，K（t）的絕對值越大，補償的加水流量ΔWaterFlow（1）絕對值越大，因此當含水率變化速度較快時，應增大調整量對其進行預控制。

1.3.2 偏差控制

在一個采樣周期T 內，當出口含水率出現偏差時，因偏差控制補償的加水流量ΔWaterFlow（2）為：設定采樣周期T，一般為系統(tǒng)滯后時間的1/3。采樣周期T 決定了出口含水率的調整頻率，采樣周期T 越長，調整頻率越低。經現場測試，改進后加水控制系統(tǒng)的采樣周期為15 s。

1.3.4 后加水流量

通過趨勢和偏差控制調整加水流量，最終得到后加水流量設定值WaterFlow（t）為：

式中：b1為趨勢控制權重值；b2為偏差控制權重值。

趨勢和偏差控制權重值大小決定了生產中是以趨勢控制為主還是以偏差控制為主?，F場測試結果表明，松散回潮機的趨勢和偏差權重比b1∶b2=1∶1，表明兩者對加水流量的調整貢獻度一致。

2 應用效果

2.1 試驗設計

材料：“泰山（紅將軍）”牌卷煙（山東中煙工業(yè)有限責任公司濟南卷煙廠提供）。

設備和儀器：TB-S 型松散回潮機（德國HAUNI 公司）；TM710e 型在線水分儀（精度±0.1%，英國NDC 紅外技術公司）。

測試方法：通過OPC 通訊方式每3 s 實時采集數據，分別統(tǒng)計改進前后各10 批次松散回潮出口含水率的標準偏差。

2.2 數據分析

由表2 可見，改進后松散回潮加水控制系統(tǒng)的出口含水率標準偏差由0.57%減少為0.28%，降低0.29 百分點，含水率穩(wěn)定性顯著提高。

表2 改進前后出口含水率標準偏差對比Tab.2 Standard deviations of moisture content in output tobacco before and after modification （%）

3 結論

為提升松散回潮出口含水率的穩(wěn)定性，設計了基于趨勢與偏差控制的松散回潮機加水系統(tǒng)。通過增加回潮機的后加水功能，降低了控制滯后時間；針對不同牌號卷煙加水流量不同，通過自學習和訓練建立了各牌號卷煙加水系數經驗數據庫，可根據實際應用情況確定前后加水流量；將趨勢與偏差控制相結合，通過趨勢預判消除超調問題。以濟南卷煙廠生產的“泰山（紅將軍）”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：改進后松散回潮加水系統(tǒng)的出口含水率標準偏差降低0.29 百分點，有效提高了生產過程控制水平。本研究中所建立的偏差與趨勢相結合控制方式，通用性好，適于在大滯后控制系統(tǒng)中推廣應用。