葉片加料工序出口含水率控制研究

姚 睿 馮煥芬 唐文堯 向有萬 馮 剛

（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司遵義卷煙廠，遵義 563000）

制絲生產(chǎn)線可分為制葉片段、制葉絲段、制梗絲段及摻配加香段，其中制梗絲及制葉片段都具有加料工序。加料工序出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)直接影響后續(xù)烘絲工序的來料含水率穩(wěn)定性[1-4]，間接影響最終成品煙絲的穩(wěn)定性及合格率。遵義卷煙廠制絲A 線為 5 000 kg·h-1生產(chǎn)線，葉片加料工序使用SJ1201 型葉片加料機(jī)，可以通過控制加水執(zhí)行器調(diào)整加水量以平衡出口含水率。當(dāng)前控制模式下，反饋速度慢，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間前出口含水率會(huì)有較大的波動(dòng)。本文從分析控制思路著手，探求控制對(duì)出口含水率的影響，提出優(yōu)化措施，進(jìn)而改善出口含水率的穩(wěn)定性。

1 存在的問題

1.1 現(xiàn)狀調(diào)查

加料工序目前對(duì)出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差合格率及優(yōu)秀率要求分別為低于0.17 和0.11。對(duì)2021 年9 月的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。

表1 改善前A 線加料機(jī)出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)表

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：出口含水率的合格率及優(yōu)秀率都很低，改進(jìn)空間較大。如圖1 所示，分析出口含水率趨勢(shì)圖，發(fā)現(xiàn)批次內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間所需的時(shí)間過長(zhǎng)，料頭波動(dòng)整幅過大，是導(dǎo)致出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差過低的主要原因。

1.2 控制模型分析

為解決料頭波動(dòng)問題，對(duì)現(xiàn)控制模型（圖2）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加料機(jī)出口含水率的控制主要受加水量的控制影響。

加水量的計(jì)算主要分為兩個(gè)部分，分別為初始加水量（計(jì)算加水量）與調(diào)節(jié)補(bǔ)償加水（PID 控制加水）[5]。初始加水量計(jì)算由目標(biāo)含水率、來料流量和來料含水率計(jì)算所得。加料工序前設(shè)有定量喂料系統(tǒng)，可保障來料流量的穩(wěn)定性。在進(jìn)入加料工序前有混絲工序，可保障來料含水率的穩(wěn)定性。但是，由于天氣、物料組分及預(yù)混處理時(shí)間（葉片在貯柜中存放的時(shí)長(zhǎng)，會(huì)直接影響到物料的含水率）的差異，加水量的計(jì)算準(zhǔn)確性浮動(dòng)依然較大[6-8]。PID 調(diào)節(jié)補(bǔ)償水的計(jì)算，含水率檢測(cè)點(diǎn)距離筒體出口約3 m，實(shí)際情況下物料加水后至檢測(cè)點(diǎn)通過時(shí)間大約需要90 s，因此導(dǎo)致反饋時(shí)間過長(zhǎng)、料頭含水率較低時(shí)，反饋結(jié)果與筒體內(nèi)部物料含水率的情況差異較大，容易導(dǎo)致料頭加水量過大和含水率過沖。

2 模型優(yōu)化

2.1 加水量轉(zhuǎn)化系數(shù)

在原有的加水量計(jì)算公式中，有一個(gè)加水量轉(zhuǎn)化水分常數(shù)。但是，由于天氣、物料組分和預(yù)混處理時(shí)間，加水量轉(zhuǎn)化效率并不能保證其穩(wěn)定性?？諝鉂穸?、溫度及生產(chǎn)安排都會(huì)對(duì)含水率有直接影響[9-11]，而這些影響因素很難量化融入計(jì)算公式。于是，將此常數(shù)設(shè)置為外置可修改的系數(shù)，在不同品牌及環(huán)境下，操作人員可以預(yù)估轉(zhuǎn)化效率（操作工可以參照最近數(shù)據(jù)得出較為合理的評(píng)估），最大可能降低環(huán)境干擾等對(duì)初始加水量準(zhǔn)確性的影響。

2.2 延后PID 運(yùn)算接管時(shí)間

檢測(cè)點(diǎn)與加水區(qū)域距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致反饋滯后。在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間前，出口沒有物料時(shí)，含水率檢測(cè)為0，但此時(shí)PID 已經(jīng)開始接管計(jì)算，導(dǎo)致修正幅度極高，過量加水后出現(xiàn)含水率過沖現(xiàn)象。由于筒體屬于高溫高濕環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了含水檢測(cè)設(shè)備的安裝環(huán)境溫濕度，無法通過調(diào)整含水率檢測(cè)點(diǎn)改善問題。

嘗試調(diào)試PID 參數(shù)，增大積分參數(shù)后，過沖情況有所改善，這是因?yàn)閰?shù)的增大會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，所以增大參數(shù)后對(duì)原本穩(wěn)態(tài)時(shí)間的系統(tǒng)性能產(chǎn)生了影響。穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程中，標(biāo)準(zhǔn)偏差下滑[12]。

從另一個(gè)方向考慮，延后PID 運(yùn)算接管的時(shí)間。設(shè)置一個(gè)PID 進(jìn)入計(jì)算的條件，當(dāng)?shù)竭_(dá)條件后，PID運(yùn)算結(jié)果才能輸出到執(zhí)行器。下面嘗試將節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)于時(shí)間或含水率上。關(guān)聯(lián)時(shí)間時(shí)，由于不同品牌的物料密度不同導(dǎo)致物料體積不同，難以控制實(shí)際出料時(shí)間，效果不理想，而含水率可以有效反映物料通過的實(shí)際情況[13]。最終，將節(jié)點(diǎn)設(shè)置為：當(dāng)檢測(cè)含水率與目標(biāo)值的差值大于2.4%時(shí)，輸出PID 運(yùn)算結(jié)果；起始值為目標(biāo)含水率與2.4%的差值。修改后的模型，如圖3 所示。優(yōu)化模型后，統(tǒng)計(jì)當(dāng)月數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2 所示。

表2 改善后A 線加料機(jī)出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)表

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化過后合格率和優(yōu)秀率均有較大提升，但提升空間依然較大，可能需要對(duì)加料工序前工序進(jìn)行分析，改善來料的流量、含水率和糖料液加料的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

通過調(diào)查分析結(jié)果可以看出，采用調(diào)整初始加水穩(wěn)定性及PID 輸出時(shí)間的方式優(yōu)化模型，能夠較好地解決加料工序出口含水率料頭過沖等問題。目前，該工作穩(wěn)定良好，已通過了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的考驗(yàn)。本此優(yōu)化調(diào)試成本低，以對(duì)軟件程序的調(diào)試優(yōu)化取代對(duì)設(shè)備硬件的修改，并合理運(yùn)用了現(xiàn)有的硬件條件，滿足了工藝需求，有利于保障在制品的過程質(zhì)量。