基于自適應(yīng)控制的本地風(fēng)選器風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

尉澤民，吳波，張朋，張建超，呂龍

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250114）

煙絲生產(chǎn)過程中的本地風(fēng)選器可以將絲團(tuán)打開，長(zhǎng)絲打短，煙沫分離，有效地柔性分離出葉絲中的結(jié)團(tuán)物（絲團(tuán)、水洗球等）、焦片及大部分梗簽，能夠提高葉絲的純凈度和混絲均勻性，為提高煙支的卷制質(zhì)量創(chuàng)造條件。本地柔性風(fēng)選器在煙草行業(yè)多個(gè)工藝段得到了廣泛的應(yīng)用,但在制絲過程烘絲后的實(shí)際使用效果上褒貶不一。本地風(fēng)選器安裝好后，廠家技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試，設(shè)備的狀態(tài)一般就固定下來。在日常生產(chǎn)中，操作工為了控制梗簽及其它雜物的剔除量，需要通過調(diào)整風(fēng)管上的風(fēng)門開度來控制風(fēng)選風(fēng)量。由于風(fēng)門開度每批次都可能不一樣，無法對(duì)風(fēng)門開度大小制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)有一定難度。針對(duì)本地風(fēng)選器風(fēng)管風(fēng)門開度調(diào)節(jié)存在的問題，郭永等提出了一種葉絲多級(jí)風(fēng)選系統(tǒng)，在一級(jí)風(fēng)選器后增加二級(jí)風(fēng)選器對(duì)來料葉絲進(jìn)行精選，有效的將葉絲中的梗簽等雜物分離出來，提高剔梗簽的效率，但受設(shè)備安裝場(chǎng)地限制我廠還無法使用二級(jí)風(fēng)選器。針對(duì)上述存在的現(xiàn)狀，提出了一種本地風(fēng)選器風(fēng)量自適應(yīng)控制的改進(jìn)思路。通過研究煙絲流量、煙絲水分、除塵布袋通風(fēng)能力等因素和風(fēng)筒風(fēng)量與變頻器頻率等各要素之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了本地風(fēng)選器風(fēng)量自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

1 存在的問題

濟(jì)南卷煙廠6000kg/h生產(chǎn)線生產(chǎn)的煙絲品牌有10余種，多個(gè)品牌之間工藝參數(shù)如煙絲流量、煙絲水分差別很大，生產(chǎn)過程中本地風(fēng)選器風(fēng)管上的風(fēng)門開度需要根據(jù)煙絲流量、煙絲水分和除塵布袋通風(fēng)能力等因素的變化按批次頻繁調(diào)節(jié)來保證梗簽和其它雜物的剔除量。操作工通常會(huì)將風(fēng)門開度調(diào)節(jié)的盡可能大一些，以防止煙絲在此堵塞而造成更大的麻煩。這往往會(huì)導(dǎo)致梗簽及其它雜物的剔除量往往不盡人意，風(fēng)選器的性能得不到最大限度的發(fā)揮，在細(xì)支煙卷制過程中出現(xiàn)了梗簽穿透卷煙紙等問題，因此設(shè)計(jì)一套本地風(fēng)選器風(fēng)量自適應(yīng)控制系統(tǒng)迫在眉睫。

2 改進(jìn)方法

為了解決存在的問題，針對(duì)本地風(fēng)選器的主要問題進(jìn)行分析討論，設(shè)定了以下兩點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)：（1）本地風(fēng)選器能夠根據(jù)煙絲流量、煙絲水分、除塵布袋通風(fēng)能力等因素變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，穩(wěn)定地剔除梗簽及其他雜物，實(shí)現(xiàn)就地風(fēng)選設(shè)備自動(dòng)化、精細(xì)化控制功能；（2）能夠?qū)︼L(fēng)管風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)設(shè)定頻率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率等設(shè)備參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 系統(tǒng)組成

采用基于自適應(yīng)機(jī)制的風(fēng)量調(diào)節(jié)控制算法對(duì)風(fēng)選器的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的本地風(fēng)選器控制系統(tǒng)由以下五部分組成：控制部分、網(wǎng)絡(luò)通信部分、過程監(jiān)控部分、測(cè)量部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該控制系統(tǒng)的控制模型如圖1所示。

圖1 本地風(fēng)選器自適應(yīng)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制算法框圖

該控制系統(tǒng)中煙絲水分值及煙絲流量值經(jīng)水分儀及電子皮帶秤采集后，上傳到PLC中，數(shù)據(jù)在PLC中經(jīng)過處理計(jì)算，得出運(yùn)行頻率值，下發(fā)到變頻器中實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，而光電檢測(cè)傳感器時(shí)刻對(duì)物料運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，反饋至PLC控制器。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

2.2.1.1 變頻器頻率數(shù)學(xué)模型

圖3

在變頻器頻率值計(jì)算中，需要根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型來確定計(jì)算結(jié)果，因此需要構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型。為了分析煙絲流量、出口溫度、煙絲水分、變頻器頻率對(duì)雜物剔除率是否有顯著性影響，設(shè)計(jì)了部分因子試驗(yàn)，進(jìn)行關(guān)鍵因子篩選，選取了煙絲流量、出口溫度、煙絲水分、變頻器頻率的低水平和高水平如表1所示。

表1 因子水平設(shè)置

依據(jù)上述因子水平設(shè)計(jì)了1/2部分試驗(yàn)，增加3次中心點(diǎn)試驗(yàn)， 利用MINITAB軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，考慮所有主效應(yīng)和二階交互效應(yīng)，分析結(jié)果如圖2a）、b）。

圖2

根據(jù)模型擬合結(jié)果，煙絲流量★出口溫度、煙絲流量★煙絲水分、煙絲流量★變頻器頻率的交互作用的影響不顯著，煙絲水分★變頻器頻率與煙絲流量★出口溫度混雜，出口溫度★變頻器與煙絲流量★煙絲水分混雜，出口溫度★煙絲水分與煙絲流量★煙絲水分混雜，說明這些交互作用均不顯著，主效應(yīng)出口溫度的影響也不顯著，應(yīng)去除不顯著項(xiàng)后重新擬合。逐步去除煙絲流量★出口溫度、煙絲流量★煙絲水分、煙絲流量★變頻器頻率、出口溫度項(xiàng)后，重新利用MINITAB進(jìn)行擬合分析，最后結(jié)果如圖3a）、b）所示。

通過分析可以判定煙絲流量、煙絲水分、變頻器頻率對(duì)剔除率影響顯著，而出口溫度對(duì)剔除率的影響不顯著。通過對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，分析結(jié)果如圖4所示。

得到剔除率的回歸方程：

圖4 剔除率主效應(yīng)圖

式中，f為剔除率；x為煙絲流量；y為煙絲水分；z為變頻器頻率。

由于在一定范圍內(nèi),落絲量和剔除率成正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)落絲量大于5%易造成堵料,此時(shí)剔除率為最大值為45，此時(shí)變頻器頻率的數(shù)學(xué)模型為：

式中，x為煙絲流量；y為煙絲水分；z為變頻器頻率。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煙絲流量是固定值，煙絲水分是微調(diào)值，因此將變頻器頻率解分為基本頻率和調(diào)節(jié)頻率?；绢l率的計(jì)算以煙絲流量作為依據(jù)，調(diào)節(jié)頻率由HXD出口水分儀計(jì)算出來。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變頻器頻率不能低于32Hz，否則容易造成堵料，由于我國(guó)供電標(biāo)準(zhǔn)的限制，最大為50Hz，根據(jù)回歸分析得到的回歸方程，并通過進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)化，確定變頻器頻率的數(shù)學(xué)模型為：

式中，z1為基本頻率。

式中，z2為調(diào)節(jié)頻率。

2.2.1.2 負(fù)壓補(bǔ)償值數(shù)學(xué)模型

通過實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)筒負(fù)壓值，負(fù)壓值傳送到PLC控制器后需要對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便于后續(xù)使用，在風(fēng)筒負(fù)壓值的采集過程中，負(fù)壓值會(huì)發(fā)生突變，因此需要對(duì)采集到的負(fù)壓值進(jìn)行均值計(jì)算后再進(jìn)行頻率值計(jì)算，在得到穩(wěn)定的負(fù)壓數(shù)據(jù)之后根據(jù)負(fù)壓補(bǔ)償計(jì)算公式：

式中，u為負(fù)壓補(bǔ)償值；v為負(fù)壓平均值。

2.2.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)︼L(fēng)管風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)設(shè)定頻率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率等設(shè)備參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行了監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，由于控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所以基本無需人工操作，但是為防止意外情況的發(fā)生，在系統(tǒng)中增加兩處人工操作，一是可以對(duì)基礎(chǔ)頻率進(jìn)行修改，二是在緊急情況下可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制50Hz運(yùn)行。在保存原有水分、流量、堵料檢測(cè)等運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加生絲秤及主秤累積量顯示功能。為顯示各部分頻率值的計(jì)算過程，增加基礎(chǔ)頻率計(jì)算、堵料提速、水分提速等功能，同時(shí)屏蔽設(shè)定頻率的輸入功能，只做最后頻率值顯示使用，本地風(fēng)選器風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖5。

圖5 本地風(fēng)選器風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3 效果驗(yàn)證

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行之后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試，本系統(tǒng)的主要目標(biāo)是提高六千風(fēng)選器的運(yùn)行效率，提高梗簽剔除率。如圖6純凈度的箱線圖所示，可以明顯的看出系統(tǒng)運(yùn)行之后，梗簽剔除率有明顯的上升，基本穩(wěn)定在0.05%左右，達(dá)到了很好的剔除效果。同時(shí)通過質(zhì)檢人員對(duì)系統(tǒng)投入運(yùn)行后的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)投入使用之后，煙絲部分質(zhì)量指標(biāo)又有了一定的提升，特別是煙絲的整絲率、純凈度和碎絲率，都有不同程度的提高或降低，提高了葉絲風(fēng)選后的質(zhì)量。

圖6 純凈度箱線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)本地風(fēng)選器風(fēng)量自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了就地風(fēng)選設(shè)備自動(dòng)化、精細(xì)化控制功能，能對(duì)不同種類和不同流量的煙絲實(shí)現(xiàn)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)了風(fēng)管風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)設(shè)定頻率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率等設(shè)備參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；最大限度的發(fā)揮就地風(fēng)選設(shè)備的梗簽和其它雜物的剔除能力，對(duì)提高煙絲的純凈度、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、減輕卷接除雜設(shè)備的壓力和增加企業(yè)效益具有積極意義。