HAUNI 松散回潮設(shè)備熱風(fēng)溫度穩(wěn)定性的研究

*朱辰杰，劉 晟，王勝亮，胡俐帆，劉躍慶

（江西中煙井岡山卷煙廠，江西，吉安343009）

0 前言

在卷煙制絲生產(chǎn)過(guò)程中，松散回潮是煙葉片預(yù)處理段的關(guān)鍵工序，其工藝任務(wù)是提高切片后片煙的含水率和溫度，提高片煙的耐加工性，改善片煙的感官質(zhì)量[1-2]。近年來(lái)，隨著煙草行業(yè)逐漸提高水平的要求，國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)對(duì)松散回潮工序過(guò)程進(jìn)行了大量的工藝參數(shù)優(yōu)化研究，并取得了一定的進(jìn)展。如陳杰等人[3]研究了不同工藝參數(shù)對(duì)片煙加工物理性能的影響，容秀英等人[4]對(duì)熱風(fēng)溫度極值的控制方法進(jìn)行了研究，李秀芳[5]對(duì)松散回潮關(guān)鍵工藝參數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)置合理的熱風(fēng)溫度能改善煙葉在滾筒內(nèi)的回潮效果，還能夠提升煙葉煙絲的內(nèi)在質(zhì)量。此外，俞仁皓等人[6]還針對(duì)WQ3115 型松散回潮熱風(fēng)溫度PID 控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但未同時(shí)考慮到預(yù)熱偏差。一旦熱風(fēng)溫度控制失衡，不但會(huì)降低煙葉的質(zhì)量，還會(huì)影響后續(xù)的生產(chǎn)[7]。因此，在進(jìn)行松散回潮工序的過(guò)程控制時(shí)，要控制熱風(fēng)溫度，以穩(wěn)定產(chǎn)品的感官質(zhì)量[8-9]。本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)德國(guó)產(chǎn)的HAUNI 松散回潮設(shè)備如何控制合理預(yù)熱溫度偏差設(shè)計(jì)、優(yōu)化熱風(fēng)系統(tǒng)的PID 控制、降低片煙熱風(fēng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)于提高片煙的質(zhì)量具有重要的價(jià)值。

1 熱風(fēng)系統(tǒng)控制原理及存在的問(wèn)題

1.1 熱風(fēng)系統(tǒng)控制原理

熱風(fēng)系統(tǒng)由熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)M3、循環(huán)熱風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)Y29、溫度傳感器、熱交換器和循環(huán)熱風(fēng)熱交換器調(diào)節(jié)閥Y7 組成。圖1 為熱風(fēng)系統(tǒng)控制原理示意圖。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)熱交換器調(diào)節(jié)閥Y7 來(lái)滿足熱風(fēng)溫度的要求。熱風(fēng)系統(tǒng)是為物料加熱提供熱風(fēng)的裝置，熱風(fēng)系統(tǒng)采用熱風(fēng)循環(huán)方式，循環(huán)風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻器控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)熱風(fēng)的風(fēng)量。熱風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)管道上設(shè)置有溫度傳感器，用于檢測(cè)風(fēng)溫參與控制循環(huán)風(fēng)溫度。當(dāng)溫度與設(shè)定值偏低時(shí)，控制系統(tǒng)將適當(dāng)開(kāi)啟補(bǔ)償蒸汽直接進(jìn)入筒體進(jìn)行增溫。補(bǔ)償蒸汽加入量受熱風(fēng)溫度的控制，影響熱風(fēng)溫度控制的主要因素有、初始階段設(shè)定的預(yù)熱偏差、蒸汽補(bǔ)償添加量、散熱器開(kāi)度、鉑電阻顯示等。

圖1 熱風(fēng)系統(tǒng)控制原理 Fig.1 Control principle of hot air system

1.2 存在的主要問(wèn)題

（1）由于設(shè)備進(jìn)廠初期的調(diào)整是技術(shù)人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，并不完全符合當(dāng)?shù)丶竟?jié)環(huán)境因素，所以當(dāng)季節(jié)變化，內(nèi)外環(huán)境溫濕度相差較大時(shí)，造成進(jìn)料初期熱風(fēng)溫度的料頭曲線波動(dòng)較大，影響批次熱風(fēng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（2）根據(jù)對(duì)松散回潮設(shè)備熱風(fēng)溫度PID 控制的研究，當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定值有偏差時(shí)，控制系統(tǒng)將適當(dāng)開(kāi)啟補(bǔ)償蒸汽直接進(jìn)入筒體進(jìn)行增溫或關(guān)閉補(bǔ)償蒸汽閥門(mén)，但當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中補(bǔ)償蒸汽閥門(mén)變化率和變化速度過(guò)快或過(guò)慢時(shí)，都會(huì)影響熱風(fēng)溫度的過(guò)程控制。

2 一種改進(jìn)的基于PID 和預(yù)熱偏差的熱風(fēng)控制系統(tǒng)

2.1 熱風(fēng)控制系統(tǒng)改進(jìn)思路

2.1.1 熱風(fēng)溫度預(yù)熱偏差的設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到所設(shè)置值時(shí),冷物料開(kāi)始進(jìn)入滾筒內(nèi)部，滾筒內(nèi)部溫度會(huì)有一定程度的降低，這就造成了過(guò)料初期滾筒內(nèi)熱風(fēng)溫度不穩(wěn)定，通過(guò)合理設(shè)計(jì)預(yù)熱偏差值，使得在過(guò)料初期熱風(fēng)溫度能夠快速降低至中心值附近。

2.1.2 PID 調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)

PID 調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果用于控制輸出[10]。在生產(chǎn)過(guò)程中，PID 參數(shù)控制補(bǔ)償蒸汽閥門(mén)變化情況，根據(jù)實(shí)際情況按照先比例、后積分、再微分的順序，依次對(duì)控制補(bǔ)償蒸汽的閥門(mén)開(kāi)度變化程度P值、熱風(fēng)溫度波動(dòng)的周期I值、微調(diào)熱風(fēng)溫度曲線的平整度D值等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)調(diào)節(jié)直到確定PID 參數(shù)。

2.2 單因素方差分析預(yù)熱偏差的設(shè)定

為了探索熱風(fēng)溫度預(yù)熱偏差設(shè)定值對(duì)料頭過(guò)渡時(shí)間的影響，分別設(shè)定偏差值為8 K、7 K、6 K、5 K、4 K 等五個(gè)梯度，并分析料頭期溫度的波動(dòng)幅度及回歸設(shè)定中心值的時(shí)間，當(dāng)熱風(fēng)溫度預(yù)熱偏差設(shè)定值為4 K 時(shí)，如圖2 所示，進(jìn)料后迅速降溫，超過(guò)設(shè)定值下限，溫度波動(dòng)幅度最大，回歸至設(shè)定中心值的時(shí)間最長(zhǎng)。因此將4 K 作為下一步試驗(yàn)設(shè)計(jì)的下限。

圖2 預(yù)熱偏差為4K 時(shí)的料頭曲線 Fig.2 Head curve of preheating deviation is 4K

設(shè)置從4K-8K 不同預(yù)熱溫度偏差值，驗(yàn)證不同條件下熱風(fēng)溫度回歸設(shè)定中心值的時(shí)間，具體結(jié)果可見(jiàn)表1。

表1 預(yù)熱溫度偏差對(duì)波動(dòng)時(shí)間的影響 Table 1 Influence of preheating temperature deviation on fluctuation time

每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自每批物料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可認(rèn)為相互獨(dú)立的隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)。為研究單一變量預(yù)熱溫度偏差值對(duì)料頭波動(dòng)時(shí)間的影響，通過(guò)Minitab軟件對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)。如圖3所示，在不同的預(yù)熱溫度偏差值條件下，各組數(shù)據(jù)P值均大于0.05，說(shuō)明各組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布；如圖4 所示，對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，P值為0.98，說(shuō)明在顯著性水平α 為0.05 的前提下，表示5 個(gè)水平下總體方差相等，即不同預(yù)熱溫度值條件下的料頭波動(dòng)時(shí)間來(lái)自于等方差的不同總體。

圖3 正態(tài)分布檢驗(yàn) Fig.3 Normal distribution test

圖4 等方差檢驗(yàn) Fig.4 Test for equal variances

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)果滿足對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。由表2 和表3 可知，在顯著性水平α為0.05 的前提下，P值小于α，拒絕原假設(shè)，故認(rèn)為在不同的預(yù)熱溫度偏差值條件下料頭波動(dòng)時(shí)間具有顯著性差異。

表2 單因素方差分析: 時(shí)間與預(yù)熱偏差 Table 2 One-way ANOVA:time and preheat deviation

表3 平均值（基于合并標(biāo)準(zhǔn)差）的單組 95% 置信區(qū)間 Table 3Average (based on consolidated standard deviation)of single group 95% confidence interval

從箱線圖（圖5）中可以看出，當(dāng)預(yù)熱偏差為6K 時(shí)，熱風(fēng)溫度回歸設(shè)定中心值的時(shí)間是最短的。因此將預(yù)熱偏差設(shè)定為6K。

圖5 時(shí)間的箱線圖 Fig.5 Boxplot of time

2.3 熱風(fēng)控制系統(tǒng)的PID 參數(shù)優(yōu)化

目前回潮設(shè)備使用的PID 參數(shù)為[3.2，32，10]，是驗(yàn)收前廠家根據(jù)其他煙廠經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)，對(duì)于廠設(shè)備的適應(yīng)性沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。為檢驗(yàn)參數(shù)是否合適，對(duì)其PID 控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)表格（表4）中可以看出PID 控制參數(shù)不精確對(duì)熱風(fēng)溫度穩(wěn)定性影響較大，所以還要進(jìn)一步優(yōu)化PID 控制參數(shù)。為了找到最優(yōu)化的PID 控制參數(shù)，實(shí)驗(yàn)研究對(duì)過(guò)程P值，I值，D值參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表4 不同P I D 參數(shù)改變時(shí)熱風(fēng)溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差 Table 4 Standard deviation of hot air temperature with different PID parameters

3 基于PID 的熱風(fēng)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 找因數(shù)，選位數(shù)，制定因數(shù)位級(jí)表

根據(jù)我們?cè)趯?shí)際操作中的經(jīng)驗(yàn)值可推出PID 控制參數(shù)P值通?？刂圃?.2～3.6 之間，I值在32～38之間，D值在8～12 之間較佳。因此，制作了因素位級(jí)表（表5）。

表5 因素位級(jí)表 Table 5 Factor level table

3. 2 正交試驗(yàn)

根據(jù)因素位級(jí)表，對(duì)P值分別在3.2，3.4，3.6；I值分別在32，36，38；D值分別在8，10，12 的情況下進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)批次熱風(fēng)溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行采集。結(jié)果如表6 所示：

表6 正交試驗(yàn)表 Table 6 Orthogonal experiment table

經(jīng)過(guò)分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：A 因素為K3＞K1＞ K2，B 因素為K3＞K1＞K2，C 因素為K1＞K2 ＞K3。本次正交試驗(yàn)的最佳參數(shù)組合為A2B2C3，對(duì)應(yīng)PID 值分別為3.4、36、12。

我們把PID 固定為3.4、36、12，隨機(jī)抽取5批進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：

表7 隨機(jī)抽取批次熱風(fēng)溫度標(biāo)準(zhǔn)批偏差值統(tǒng)計(jì)表 Table 7 Random batch hot air temperature standard deviation of statistical table

從統(tǒng)計(jì)表中可以看出，優(yōu)化后對(duì)所檢驗(yàn)批次的熱風(fēng)溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差最低控制在0.42，而最高可控制在0.53，說(shuō)明優(yōu)化后的PID 控制參數(shù)能夠很好的控制熱風(fēng)系統(tǒng)的波動(dòng)，保證了片煙質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過(guò)研究，針對(duì)松散回潮設(shè)備熱風(fēng)溫度控制的穩(wěn)定性問(wèn)題，提出了兩種控制方法：

（1）預(yù)熱溫度偏差的設(shè)置對(duì)進(jìn)料初期熱風(fēng)溫度的穩(wěn)定性影響較大，合理地設(shè)置偏差值能夠有效降低熱風(fēng)溫度回歸中心值的時(shí)間。

（2）對(duì)PID 參數(shù)設(shè)置優(yōu)化可以有效控制回風(fēng)溫度的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)偏差由改進(jìn)前的0.4～0.8 減少到0.4～0.6，有效提高了加工過(guò)程控制的穩(wěn)定性，為后期工序打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。