薄板烘丝机头尾损耗控制方法的改进

摘 要：为降低薄板烘丝筒头尾损耗量，利用湿度控制原理，通过设备控制技术开发以及头尾时间段筒内环境湿度匹配叶丝流量大小自动调节技术，增装HT蒸汽雾化水自动增湿装置和热风系统蒸汽雾化水控制装置，同时利用PID算法，将滚筒温度、排潮风门开度、热风风机频率和热风风门开度综合控制。结果实现：滚筒温、湿度与进入滚筒内的叶丝流量相匹配，进而达到较好控制头尾叶丝烘干效果的目的，减少了头尾损耗量。

关键词：薄板烘丝机；头尾损耗；湿度控制；蒸气雾化水；PID控制

中图分类号：TS43 文献标识码：A

1目的

近年来，管道式气流烘丝机呈现逐渐替代传统滚筒烘丝机趋势。这主要基于气流烘丝叶丝流速快，基本解决了烘丝过程中头尾损耗问题，同时它在去除杂气方面效果比较好，但在烘丝过程中却使烟草本身香气严重损失；传统的滚筒烘丝机在保持烟草本身香气方面有着较大优势，同时在烘丝过程中更有利于烟草的棕色化反应，从而产生更多更为丰富的烟香。本文提出了一种抑制头尾损耗的控制技术，即通过控制滚筒温、湿度，使之与进入滚筒内的叶丝流量相匹配，进而实现控制头尾叶丝烘干效果即薄板烘丝头尾损耗，弥补薄板烘丝工艺的不足。

2改进方法

2.1湿度控制原理及控制器设计

根据滚筒烘丝机工艺条件下烘丝效果与叶丝流量的关系，只要叶丝水分散失能力与烘丝机过料时的实际去湿能力相匹配，即可有效解决头尾叶丝偏干问题。原设备排潮系统在滚筒出口处安装有排潮废气温湿度测量探头，测得的温、湿度值通过信号转换在温湿度显示仪表上可直接读取。为了提高设备控制的自动化水平，借用软测量的思想，我们用排潮口废气湿度值近似代表烘筒内环境湿度值作参照，通过增装滚筒内环境增湿装置，结合热风风机频率和排潮风门开度值，制作PID控制回路。比较环节为环境湿度设定值SP与测得的实际排潮口湿热杂气湿度值PV，如果实际值大于或小于设定值，则比较结果EV通过PID控制器输出信号MV给控制蒸汽雾化水开度的薄膜阀，通过减小或增大薄膜阀开度，减少或增多热风系统中的蒸汽雾化水喷入量，从而降低或提高排潮口湿热杂气湿度值，进而实现滚筒内环境湿度值的有效控制。通过提高开车前滚筒内环境湿度值，使之与来料流量相适应，以期在不改变原有工艺条件前提下，减少料头废料量。

显然系统属于SISO系统，且存在一定的滞后，所以我们采用如下PID控制器设计方案[3]。首先，假定y （t）为系统输出，u（t）为系统输入，v（t）为控制输入信号，w（t）为外部扰动信号。则被控对象的微分方程为

其可控标准型为

其中

则控制器PID的参数表达式为

系统的增广矩阵为

其中，系统PID控制可转化为如下闭环系统，同时要求闭环系统稳定。

为系统的被控输出， ， 为测量值。假定测量值为真值，则其微分值中不含噪声，控制量为

亦即

PID参数的求解问题现已经转换为状态输出反馈K的求解。

PID参数的整定我们采用实验凑试法，它是通过闭环运行，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。

2.2 改进措施

2.2.1 加装HT蒸汽雾化水自动增湿装置

在进入烘丝机的设备HT（隧道回潮机）处设计、安装蒸汽雾化水喷淋装置，高压水路和高温蒸汽开启与关闭均由电磁阀控制，对头尾生产叶丝实施自动加湿处理，提高烘丝机进口叶丝水分。为了保证喷出的雾化水充分散开，而不影响加工后叶丝质量，采用进口喷嘴，独立水路，高压蒸汽雾化，对叶丝表层进行加湿，提高叶丝表层湿度。

设备从预热转入进料状态10min内，核子秤从无料到有料的上升沿信号标志作为料头启停控制标志。烘丝机处于正常进料工作状态，核子秤前的仓储式喂料机提升带进料光电管连续检测无料延时后作为料尾控制标志。为防止程序控制误动作或生产线异常中断造成加湿控制受到影响，在操作画面设定自动和手动两种控制模式。

2.2.2 加装热风系统蒸汽雾化水自动增湿装置

在烘丝机热风管路入口管壁处（垂直管壁安装，可避免雾化不好时产生水滴进入热风管路）设计安装蒸汽雾化水喷淋装置，雾化水喷嘴垂直向上。高压水路及水量大小由SAMSON薄膜阀自动控制；为减小雾化水对热风温度的影响，采用高温饱和蒸汽进行雾化，蒸汽由耐高温角阀控制，薄膜阀和角阀实现自动控制。从而实现加大烘筒热风湿度，进而达到增加烘筒内空气湿度的目的。

增装热风系统蒸汽雾化水装置的目的是提高烘筒内环境湿度值，降低烘筒内去湿能力，使之与筒内叶丝水分散失能力相匹配。为了不改变正常生产时的工艺条件，该装置只能在非正常生产状态下使用，即预热、料头生产和料尾生产三个阶段。

2.3 控制程序改进及参数确定

2.3.1 控制参数说明

根据管板式烘丝机工艺参数对叶丝物理特性的影响[4]，课题研究焦点是头尾阶段薄板烘丝筒内环境湿度值，控制参数围绕滚筒内环境湿度值展开，涉及直接因素为滚筒温度、热风温度、热风风机变频器频率、排潮风门开度、热风系统增湿雾化水控制阀门开度、料头雾化水开启时间和料尾雾化水开启时间。

2.3.2 控制参数的专家经验

经过多批次生产观察发现，头尾叶丝水分从偏干到达正常工艺要求的13%左右或从13%左右开始变小时，烘筒内环境湿度（临界值为32%；同时参照设备原有头尾控制原理，筒温控制开度值设为零时，由于环境温、湿度影响，筒温最低可控制在100℃。将由实践得到的参数值嵌入到专家系统中，本系统中滚筒湿度设定为32%、筒温100℃、筒温蒸汽阀门开度值设为零，其他参数还包括热风系统蒸汽雾化水薄膜阀开度值、热风风机变频器频率设定值与排潮风门开度值三者之间的关系、蒸汽雾化水开启时间和HT头尾加水开启时间。

2.3.2.1 蒸汽雾化水阀门开度值PL、风机变频器频率FP和排潮开度值FK

根据薄板烘丝机控制原理和PL、FP、FK三个参数之间相互制约的关系，参照设备原有控制程序预设定值X（设备控制改进前FP预设定值为25Hz、FK预设定值为65%，PL为新增参数，预设定值无），以热风风筒内蒸汽雾化水完全雾化为标准（PL开度在40%-70%之间风筒内无水滴出现），在预设定值附近分别采样三组参数值进行相交实验。叶丝以红石二代为例，对比快速达到上节2.3.2所述烘筒内环境湿度临界值32%的预热需求。

当喷淋开度设为65%、风机频率设为15Hz、排潮开度设为75%时，在原有预热好的设备条件下，滚筒内环境湿度增加最快，时间为15min左右。由于滚筒正常预热时间为15-25min，为了减少蒸汽雾化水对热风温度的影响和减少雾化水产生水滴的频度，将风机频率取折中值20Hz，喷淋开度取保守值45%，在20-25min时间内，可实现湿度值从原有的4%增加到25%左右。据此对控制程序进行了修改[5]。

2.3.2.2 热风系统蒸汽雾化水开启时间

经过测算，叶丝从进入滚筒到出来，需要大约260s的时间，为了最大限度发挥热风系统蒸汽雾化水增湿作用，本着料头叶丝不出现湿头为原则，参照原有料头控制程序PID作用时间3min，将热风蒸汽雾化水开启时间设定为150s，同时将原有料头生产PID起作用前的阶梯式筒温控制薄膜阀开度设定值递增幅度和递增间隔进行了改进。

2.3.2.3 HT料头雾化水开启时间

对料头开始后HT加蒸汽雾化水时间的控制，依然本着料头叶丝不出现湿头为原则，参照原有设备蒸汽增湿时间50s，叶丝从核子秤有料到进入滚筒时间为25s，叶丝在核子秤上流量显示从有料开始达到正常工艺流量6000kg/h的时间为40s，选取50s、60S和70s 时间，结合前述蒸汽雾化水加湿功能分别进行三组数据测试进行参数摸索。

2.3.2.4 HT料尾雾化水开启时间

为了保证从正常生产转入料尾过程中正常工艺参数尽可能少的受影响，热 风蒸汽雾化水装置不参与料尾控制，料尾控制在保持原设备控制技术基础上，只增加HT蒸汽雾化水增湿方式。加水时间参照HT料头加水时间设计方式 ，当核子秤连续检测无进料且累积量无变化22s后延时开启，开启时间设置70s、50s和40s各进行三次重复试验进行参数摸索。

2.3.3 参数确定

根据测试，结合对原有工艺参数改变最小原则，边实施边对各项控制参数进行细化修正，最终确定了各项合适的控制参数，同时对控制程序进行了同步改进。

3改进效果

改进后，头尾废料量极少，不到3公斤。 从中央控制室采样烘丝机出口水分过程控制图与改造前作对比，如图1和图2所示。

从对比图可以看出，改进后烘丝头尾废料量时间缩短，变化趋势过渡平稳。

公司产品质量主管部门对成品叶丝质量进行了跟踪验证和数据统计， 改进后产品结构稳定、水分合格，质量不受影响。改进后头尾烟丝损耗量每批减少47kg之多，年可节约制造成本270多万元人民币。该成果目前已获得国家实用新型专利，专利号是：ZL 2012 2 0137539.8，可以进行烟草加工行业推广。

参考文献

[1]仝智强.逆流式滚筒烘丝机头尾损耗控制的一种方法[J].科技信息，2010（3）.

[2]苏子雅，施文庄.优化烘丝筒控制模式降低烟丝干头量[J].广东化工，2010（12）.

[3]马建伟，李银伢.满意PID控制设计理论与方法，科学出版社，北京，2007.

[4]何蓉，刘华，李飞宇等. 管板式烘丝机工艺参数对叶丝物理特性的影响[J].安徽农业科学.2010（13）.

[5]彭呈华.有效减少SH623B型薄板式烘丝机烘丝干尾量研究[J].广西轻工业，2009（10）.

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