卷煙企業(yè)風力送絲自適應控制系統(tǒng)的開發(fā)

黃曉華，沈丁洋，趙國平，張弛，任冠峰

1 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠，云南省昆明市五華區(qū)紅錦路366號 650231；

2 山西樂普節(jié)能科技有限公司，太原市杏花嶺區(qū)坡子街28號 030009

風力送絲系統(tǒng)是利用負壓抽吸原理將煙絲從送絲站喂絲機輸送至卷煙機集絲箱，系統(tǒng)由一臺離心風機在總管產(chǎn)生負壓，并把負壓分配給連接于總管上的幾條送絲支管，實現(xiàn)向卷煙機供絲。目前卷煙廠應用較多的是“總管補風風力”送絲系統(tǒng)和“機臺自動定量補風”送絲系統(tǒng)[1]，見圖1。

圖1 風力送絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of cut tobacco pneumatic conveying system

這一送絲系統(tǒng)存在如下問題：1）在生產(chǎn)實踐中，為防止堵管，風力送絲系統(tǒng)通常采用大于實際需求的風速定頻運行，既耗能，煙絲也容易造碎。2）卷煙機要料時間具有隨機性和間歇性，使得主管與支管以及支管與支管之間負壓互相干擾，以及補風閥和進料閥的關(guān)閉都會使局部風速快速變化（如圖2所示），對煙絲造成沖擊，增加造碎。煙絲是卷煙生產(chǎn)最重要的原料，減少煙絲消耗，可以給卷煙企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。為了合理平穩(wěn)控制送絲風速，本文研究構(gòu)建了風力送絲自適應控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)風速在每一個送絲周期內(nèi)快速精準調(diào)節(jié)，達到送絲過程風速平穩(wěn)控制、風力送絲柔和啟停。

圖2 送絲風速波動曲線Fig.2 Wind speed curve of cut tobacco pneumatic conveying system

1 風力送絲自適應控制系統(tǒng)

風力送絲自適應控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)串級控制方法，風壓和風速互為關(guān)聯(lián)控制，對各個支管送絲實現(xiàn)按需平穩(wěn)自適應控制。系統(tǒng)主要有三部分控制組成（圖3），一是電機主頻率控制，提供風力送絲系統(tǒng)正常運行所需的負壓；二是支管負壓控制，穩(wěn)定各支管壓力，減小支管間的相互干擾，為各支管風速精準控制創(chuàng)造負壓條件；三是支管風速控制，實現(xiàn)各個支管送絲風速精準控制。風力送絲自適應控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure

圖4 風力送絲自適應控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the adaptive control system of cut tobacco pneumatic conveying system

1.1 電機主頻率自適應控制

控制系統(tǒng)由一臺SPS智能節(jié)電裝置驅(qū)動電機，由于需要控制的風速V不同、卷煙機的開機臺數(shù)R以及各臺卷煙機起始送絲時刻和送絲時間長短各異，與之關(guān)聯(lián)的風壓必然會產(chǎn)生波動。根據(jù)各支管所需風速、卷煙機的開機臺數(shù)以及各臺卷煙機集絲箱料滿信號，建立電機頻率動態(tài)特征函數(shù)。

電機動態(tài)頻率f與系統(tǒng)內(nèi)卷煙機臺數(shù)n、需要控制的風速V、卷煙機的開機臺數(shù)R以及要料情況m有關(guān)，構(gòu)建電機頻率特征函數(shù)式為：

其中：

（1）為各條支管風速設(shè)定值Vi的平均值；

（2）Ri為卷煙機開機信號，開機時為1，停機時為0；

（3）mi為卷煙機進料集絲倉料滿信號，料滿時為1，料未滿時為0；

（4）k1、k2、k3、k4為經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)場情況設(shè)置。

按照動態(tài)特征函數(shù)曲線實時控制電機輸出頻率，使得系統(tǒng)總管風壓能快速與所需的風速對應，并維持相對穩(wěn)定，保證在要料時，每條送絲支管上的調(diào)節(jié)閥工作在特性最優(yōu)的開度范圍內(nèi)，待料時每條支管的補風管調(diào)節(jié)閥也能工作在特性最優(yōu)的開度范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，并實現(xiàn)電機節(jié)能。

1.2 支管負壓控制

卷煙機要料是間歇式工作制，通常一個工作周期在60秒之內(nèi)，時間短、非連續(xù)。料源煙絲具有固態(tài)非均勻性，每次要料、間歇時刻以及所需時間是隨機的。原風力送絲系統(tǒng)是要料時集絲箱上的氣動切斷閥快速全開，補風切斷閥就快速全關(guān)；間歇時集絲箱上的氣動切斷閥快速全關(guān)，補風切斷閥就快速全開；每條支管本身的風壓會產(chǎn)生劇烈的波動，無法穩(wěn)定風壓，難以調(diào)節(jié)該支路的風速，同時對總管風壓造成干擾，進而使其它支管的壓力無法穩(wěn)定，不能精確調(diào)節(jié)風速，導致各條支管相互干擾、相互影響。

根據(jù)伯努利方程可得風速與風壓的對應關(guān)系P=KV2[2]，根據(jù)送絲管風速設(shè)定值SV，可得到每條支管回塵管上所需調(diào)節(jié)壓力的設(shè)定值SP，即SP=K(SV)2，用該壓力設(shè)定值SP作為PLC內(nèi)置的一回路風壓主調(diào)節(jié)器的給定，回塵管上壓力變送器測出的壓力測量值P作為該回路主調(diào)節(jié)器的反饋，風壓主調(diào)節(jié)器的輸出作為風速副調(diào)節(jié)器的給定，回塵管上的風速測量值PV作為副調(diào)節(jié)器的反饋，組成PID串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當要料信號結(jié)束時，PLC立即對內(nèi)置的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行PID運算，通過補風管上的調(diào)節(jié)閥快速調(diào)節(jié)風壓維持其穩(wěn)定，如圖5。

圖5 補風壓力串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖Fig.5 Block diagram of the cascade control system of the supplementary wind pressure

1.3 支管風速控制

送絲管風速設(shè)定值SV作為風速主調(diào)節(jié)器的給定，風速測量值PV作為該主調(diào)節(jié)器的反饋，主調(diào)節(jié)器的輸出作為風壓副調(diào)節(jié)器的給定，回塵管上的風壓測量值P作為副調(diào)節(jié)器的反饋，組成PID串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當要料信號到來時，PLC立即對內(nèi)置的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行PID運算，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風速使其穩(wěn)定，如圖6。

圖6 送絲風速串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖Fig.6 Block diagram of cascade control system of pneumatic conveying speed

1.4 增加提前控制，減小干擾

在每臺卷煙機集絲箱上安裝料位開關(guān)，檢測煙絲料滿和料空狀態(tài)，輸出開關(guān)量信號用來預判集絲箱上氣動切斷閥的開、關(guān)動作，提前對電機頻率進行調(diào)節(jié)以及提前對補風管上的調(diào)節(jié)閥進行控制，減小對系統(tǒng)的沖擊，實現(xiàn)要料、停料時平緩控制。通過PLC程序，集絲箱上的煙絲即將滿時，降低電機頻率；集絲箱上的煙絲放空后經(jīng)過延時，在即將要料時升高電機頻率、關(guān)閉補風調(diào)節(jié)閥，可以水平移動料位開關(guān)的安裝位置來改變提前控制的時間。為了增加可靠性，料位開關(guān)信號與卷煙機自身的要料、待料信號組成“或”邏輯關(guān)系。

2 風力送絲自適應控制系統(tǒng)實施

2.1 風力送絲系統(tǒng)

選取J620風力送絲系統(tǒng)為實施對象，系統(tǒng)內(nèi)共有17#、18#、19#和20#卷煙機，17#卷煙機由13#送絲站雙管供煙絲，18#和19#卷煙機由17#送絲站雙管供煙絲，20#卷煙機由19#送絲站單管供煙絲。風力送絲自適應控制系統(tǒng)由上位機、PLC控制器、智能電機控制器SPS、文丘里流量計、調(diào)節(jié)閥、雷達料位開關(guān)等構(gòu)成。系統(tǒng)使用的電機頻率特征函數(shù)為：

圖7 控制界面設(shè)計圖Fig.7 Control interface design

2.2 實施效果

2.2.1 風速快速調(diào)節(jié)

各卷煙機送絲管道布局不同，需要根據(jù)實際生產(chǎn)情況觀察送絲管豎直段煙絲懸浮狀態(tài)和水平段煙絲輸送狀態(tài)，風速設(shè)定以煙絲能懸浮并不堵管的速度為佳。用戶根據(jù)現(xiàn)場送絲情況，可不斷修改設(shè)置送絲風速，如圖8，橫坐標為時間，縱坐標為風速（下）和閥門開度（上），線1為送絲風速曲線，線2為用戶設(shè)定送絲風速控制線，線3為調(diào)節(jié)閥開度控制曲線。自適應控制系統(tǒng)接收到用戶設(shè)置風速命令后，結(jié)合卷煙機運行信號，計算電機合理運行主頻率以及支管負壓，調(diào)節(jié)補風閥和調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)送絲風速控制，整個系統(tǒng)運算過程在1s內(nèi)即可完成。閥門調(diào)節(jié)耗時由閥門自身特性決定，本系統(tǒng)采用快速調(diào)節(jié)閥，可在2s內(nèi)完成風速調(diào)節(jié)。若送絲風速調(diào)整時，系統(tǒng)不在送絲周期內(nèi)，下次送絲風速直接按照用戶設(shè)定值運行，若系統(tǒng)剛好在送絲周期內(nèi)，系統(tǒng)可在2s內(nèi)完成風速調(diào)整。

圖8 自適應控制系統(tǒng)風速設(shè)置圖Fig.8 Wind speed setting of the adaptive control system

2.2.2 風速平穩(wěn)控制

圖9 原系統(tǒng)送絲風速曲線圖Fig.9 Wind speed curve of the original system

測試時系統(tǒng)設(shè)置主風速為18 m/s。原系統(tǒng)接收到料位開關(guān)要料或停料信號時，瞬間關(guān)閉或開啟補風閥，送絲風速瞬間增大或停止，見圖9中風速曲線起始段和結(jié)束段，煙絲沖擊力較大。自適應控制系統(tǒng)有效避免了風速垂直階躍變化，柔和起停風速，并維持送絲過程風速平穩(wěn)，如圖10。自適應控制系統(tǒng)要料時，料位開關(guān)常開觸點斷開（料空）延時4秒（可設(shè)），逐步減小補風閥開度，增加調(diào)節(jié)閥開度，提升電機頻率，平緩提升送絲風速；當集絲箱進料快滿時（提前時間量由加裝的料位開關(guān)水平位置控制，可設(shè)），逐步降低電機頻率、增加補風閥開度和減小調(diào)節(jié)閥開度，實現(xiàn)停料平緩控制。自適應控制系統(tǒng)對煙絲量突變具有較好的控制能力，如圖11，當煙絲量增大（點1）或煙絲量減少（點2）時，調(diào)節(jié)閥快速增大或減小開度，修正送絲風速。

圖10 自適應控制系統(tǒng)送絲風速曲線Fig.10 Wind speed curve of the adaptive control system

圖11 自適應控制系統(tǒng)實際風速運行曲線Fig.11 Actual wind speed curve of the adaptive control system

表1 送絲周期風速統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of wind speed

對原系統(tǒng)和自適應控制系統(tǒng)運行抽取10個送絲周期進行風速穩(wěn)定性比較，如表1。原系統(tǒng)風速均值為18.23m/s，標準差為2.46m/s, 自適應控制系統(tǒng)風速均值為18.22m/s，標準差為0.638m/s。雖然二者均值接近相同（極值影響），但是自適應控制系統(tǒng)風速均方差遠小于原系統(tǒng)，表明風速波動范圍遠小于原系統(tǒng)，送絲風速穩(wěn)定性更佳。此外，風速分布情況還可通過采用箱線圖（圖12）進行對比，直觀反映兩組風速數(shù)據(jù)分布信息。自適應控制系統(tǒng)箱體高度（IQRange為0.425 m/s）遠小于原系統(tǒng)風速箱體高度（IQRange為3.575m/s），表明自適應控制系統(tǒng)波動區(qū)間遠小于原系統(tǒng)風速波動區(qū)間。自適應控制系統(tǒng)中位數(shù)風速18.1m/s小于原系統(tǒng)中位數(shù)風速18.8m/s，原系統(tǒng)運行風速偏大（箱體中間線高度），自適應控制系統(tǒng)風速更接近用戶設(shè)定值，控制精度更高。

圖12 風速箱線圖Fig.12 Box plot of wind speed

2.2.3 降低物耗

風力送絲系統(tǒng)中煙絲的造碎主要是由于煙絲和管道發(fā)生碰撞、摩擦以及煙絲之間相互碰撞等造成的。物體碰撞損壞情況是跟物體碰撞時物體具有的動能大小強相關(guān)，由動能公式可知，速度越大，物體碰撞造成的破壞越大。煙絲之間碰撞造成的造碎主要取決于煙絲各自速度以及二者之間的速度差。送絲風速波動越大，造成煙絲之間的速度差越大，動量差也就越大，作用力也就越大，造成能量差就越大，煙絲造碎也就越高。 反之而言，送絲風速越穩(wěn)定，煙絲之間因碰撞導致的造碎就會越小。此外，風力送絲過程中，風速越大，煙絲水分散失就越厲害，拋開對煙絲品質(zhì)的影響，煙絲水分越低，煙絲就越干，煙絲更容易造碎。因此，在自適應控制系統(tǒng)送絲風速和風速波動均小于原系統(tǒng)的情況下，煙絲造碎要優(yōu)于原系統(tǒng)。

選定設(shè)備為17#送絲站，18#、19#卷煙機組，17#送絲站僅對18#、19#卷煙機組供煙絲。每次測試前后兩種系統(tǒng)各供煙絲5箱（約1050kg），前后測試的10箱煙絲為同一批次煙絲，18#、19#卷煙機組設(shè)置參數(shù)一致，測試前后為同一組操作人員。統(tǒng)計每次測試生產(chǎn)的合格煙支量和不合格煙支量，未卷接成支的煙絲按單支重量折算到不合格煙支量中。

表2 風力送絲自適應控制系統(tǒng)降低物耗效果Tab.2 Effects of adaptive control system in decreasing material consumption

通過雙樣本等方差t檢驗，原系統(tǒng)單箱耗絲量與自適應控制系統(tǒng)單箱耗絲量相比，平均可以節(jié)約1.14%的煙絲,t(4)=2.60，P=0.03，單尾。對于不同的風力送絲系統(tǒng)，由于送絲風速、管道布局及長短等因素存在差異，送絲改善效果并不一樣。通過物耗測試，驗證了自適應控制系統(tǒng)對降低煙絲造碎具有明顯的正向改善作用。

3 結(jié)論

構(gòu)建了風力送絲自適應控制系統(tǒng)，可依據(jù)設(shè)定的風速、卷煙機開機臺數(shù)以及各臺卷煙機集絲箱料滿信號，快速控制電機輸出頻率、調(diào)節(jié)閥和補風閥開度，調(diào)節(jié)并穩(wěn)定每一個送絲周期的送絲風速，減小對煙絲的沖擊，實現(xiàn)系統(tǒng)要料停料平緩控制。該系統(tǒng)既實現(xiàn)了電機調(diào)頻節(jié)能，又提高了風力送絲控制的精準性和穩(wěn)定性，減少了對煙絲的沖擊，降低了單箱耗絲量。