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前言
制絲線是保證卷煙質(zhì)量穩(wěn)定一致的生產(chǎn)線，而葉片加料工序又是制絲工藝中的關(guān)鍵、最難控制的工序之一，葉片加料的準(zhǔn)確度對卷煙的感官質(zhì)量具有相當(dāng)重要的影響作用。葉片加料的自動控制方式為：設(shè)置料液施加比例，通過電子控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，使輸出料液流量隨葉片質(zhì)量的多少而改變，實(shí)現(xiàn)葉片加料的自動控制。當(dāng)前，在國內(nèi)卷煙行業(yè)內(nèi)葉片加料系統(tǒng)中所使用的電子控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵器件為差壓變送器、DR24回路控制器。
現(xiàn)有加料系統(tǒng)簡介及問題分析
卷煙廠加料系統(tǒng)
卷煙廠加料系統(tǒng)是卷煙廠制絲生產(chǎn)線上的重要工序，它要求系統(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)線上皮帶秤測量的煙絲（煙葉）實(shí)際流量和工藝要求的香料配比系數(shù)計算得出理論加香加料流量，據(jù)此控制實(shí)際的加香加料流量。系統(tǒng)示意圖如圖1。
圖1；卷煙廠加香加料系統(tǒng)示意圖
原系統(tǒng)由電子皮帶秤、差壓變送器、計量罐組成測量系統(tǒng)；由氣動柱塞泵、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥等組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)；以回路控制器DR24作為控制器。
加料系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)開始工作，柱塞泵作往復(fù)運(yùn)動，把料液壓入管道，單向閥打開，料液從計量罐流向加料系統(tǒng)，差壓變送器測得單位時間內(nèi)計量罐底壓強(qiáng)的變化，送入控制器DR24中，得出實(shí)際加香加料流量；同時電子皮帶秤將測得的煙葉流量信號輸入DR24，DR24根據(jù)加料比例及皮帶秤信號計算出理論加香加料量。DR24控制器根據(jù)理論與實(shí)際流量的偏差e進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算產(chǎn)生的數(shù)字閥位以模擬電流信號輸出，經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，把電流信號變成氣壓信號，去控制氣動薄膜閥的開度，使料液的噴加量隨煙葉的流量的變化而變化，使實(shí)際流量盡量與理論流量相符，以滿足該工序的工藝要求。
系統(tǒng)存在的問題
在該加料系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作質(zhì)量的好壞關(guān)鍵取決于差壓變送器以及電子皮帶秤的精確程度。差壓變送器根據(jù)一段時間內(nèi)的流量變化計算出瞬時流量，這種流量的計量方式有一定的滯后性，使得系統(tǒng)的控制精度變差，造成加料量不準(zhǔn)確。另一方面，由于系統(tǒng)料液濃度大，時間久后，會因結(jié)垢而使精度降低。料液流經(jīng)差壓變送器時，其中的顆粒狀物質(zhì)會使變送器的膜片擠壓而影響精度，而且管道安裝要求苛刻，如果過程管道內(nèi)的殘液或沉淀物流入導(dǎo)壓管內(nèi)，壓力測量就會產(chǎn)生誤差。另外， DR24控制器的人機(jī)界面簡單粗糙，不能直觀地顯示生產(chǎn)過程中的各種工況，也無法顯示各種參數(shù)、報警等信息；它用于網(wǎng)絡(luò)通訊需要專用的硬件與軟件，較為繁雜，難于維護(hù)，而且不適于大量數(shù)據(jù)的傳輸要求，無法適應(yīng)目前較為先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)。
新系統(tǒng)的設(shè)計
測量機(jī)構(gòu)選擇
考慮到卷煙廠各種香精、糖料的密度各不相同，經(jīng)分析研究，測量裝置決定采用質(zhì)量流量計測量流量去取代原系統(tǒng)中用差壓變送器加計量罐來測量流量的測量方法。用質(zhì)量流量計的測量方法，不受密度、氣泡、溫度、雜質(zhì)等的影響，本身精度達(dá)到0.1%,能很好地解決系統(tǒng)測量精度差的問題。
控制器選擇
本系統(tǒng)需控制二十多個開關(guān)量、四個模擬量，需完成多種算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及控制運(yùn)算，而且需要較強(qiáng)的通訊功能以便通過現(xiàn)場總線交換大量數(shù)據(jù)，另外考慮到工業(yè)現(xiàn)場溫度較高，濕度較大，且粉塵較大，故選用PLC作為控制器，加上觸摸屏作人機(jī)界面。可維護(hù)性較好，且編程語言較符合電氣維修人員工作習(xí)慣。PLC選用符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
執(zhí)行器選擇
原系統(tǒng)中使用柱塞泵作為液體流動的動力，液體的流動存在一定的脈動現(xiàn)象。這種現(xiàn)象將會干擾系統(tǒng)的測量與控制計算。所以改進(jìn)后的系統(tǒng)使用壓縮空氣作為動力，這種動力在車間很容易得到，而且相對系統(tǒng)要求非常平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，實(shí)際系統(tǒng)中使用了一個密閉的計量罐（下配差壓變送器）、一個敞口儲料罐。開機(jī)之前，要先把料液打入儲料罐中。儲料罐旁有一磁性浮子液位計，可顯示罐內(nèi)液位高度，儲料罐內(nèi)最多可盛滿刻度的80%。當(dāng)料液溫度低于設(shè)定溫度時，控制器自動打開氣動閥向儲料罐夾層通入蒸汽，加熱料液，達(dá)到設(shè)定溫度后，關(guān)掉氣動閥。當(dāng)計量罐內(nèi)料液達(dá)到設(shè)定下限時，過程控制器自動啟動上料泵電機(jī)，使儲料罐內(nèi)料液向計量罐內(nèi)補(bǔ)充，直到計量罐內(nèi)料液達(dá)到設(shè)定上限，或儲料罐內(nèi)無料為止。單向閥使料液單向流動，但計量罐壓力不可回返。計量罐內(nèi)需恒定氣壓，一般設(shè)定為0.5MPa。直接控制液體流量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用拋物線型閥芯的線性氣動調(diào)節(jié)閥。控制器將閥門開度以4-20mADC電信號的方式輸出給電氣轉(zhuǎn)換器,電氣轉(zhuǎn)換器將電信號對應(yīng)轉(zhuǎn)換成0.02-0.1MPa的氣壓信號，驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥動作。
工作原理
工作開始后，電子秤將煙葉瞬時流量送到控制器，經(jīng)過延時，然后與預(yù)先設(shè)定好的配比系數(shù)相乘，就得到理論瞬時流量值。值得一提的是，電子秤延時是必要的，因?yàn)殡娮映优c噴嘴之間有時間差，只有延時準(zhǔn)確，才能更好的完成控制的動態(tài)對應(yīng)。質(zhì)量流量計將反饋信號送入控制器，反饋信號代表料液的實(shí)際瞬時流量。將瞬時值與設(shè)定量進(jìn)行比較，以它們的差值作為偏差量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。輸出4-20mA的電流信號給電氣轉(zhuǎn)換器，電氣轉(zhuǎn)換器將此電流信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.1MPa的氣壓信號，用此氣壓去啟動氣動調(diào)節(jié)閥，使其線性對應(yīng)0-100%地控制閥門開度。流出的料液經(jīng)浮子流量計進(jìn)入噴嘴，通過空壓氣霧化噴到葉片上。在這個系統(tǒng)中，差壓變送器只是用來測量計量罐中的料液重量。工作原理圖見圖2。
系統(tǒng)實(shí)施
保證控制精度
為了提高系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)葉片（葉絲）的流量、計量罐內(nèi)氣體壓力、計量罐內(nèi)液位等條件加上了一級前饋。系統(tǒng)首先根據(jù)前饋值迅速將閥門開度粗調(diào)到正確位置附近，然后由PID調(diào)節(jié)達(dá)到平衡位置。前饋值的計算模仿自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，控制器記憶100個離散的狀態(tài)點(diǎn)，每次達(dá)到控制平衡則部分修正記憶值。這種方法較好的解決了影響加香加料系統(tǒng)精度的一個重要問題，即皮帶秤來料波動問題。
為了使系統(tǒng)自身擁有自檢能力，本系統(tǒng)利用裝置在計量罐下的差壓變送器定時檢測質(zhì)量流量計是否出現(xiàn)故障。這樣就避免了由于測量裝置出現(xiàn)故障造成的事故。另外，依靠PLC相對強(qiáng)大的編程能力，本系統(tǒng)除了完成主要控制工作外，還依靠多個光電傳感器以及程序內(nèi)邏輯判斷對可能出現(xiàn)的故障、漂移進(jìn)行監(jiān)視，大大提高了系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)精度。
圖2：新加料系統(tǒng)工作原理圖
圖3：堆棧工作原理圖
液料溫度控制
溫度控制屬于大滯后調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用的控制方法利用溫度變化速率，進(jìn)行預(yù)測控制。即根據(jù)溫度上升或下降速度判斷一段時間后罐內(nèi)液體溫度的值，從而提前控制閥門的開度，避免了傳統(tǒng)方法中溫度超調(diào)的問題。
控制難點(diǎn)
電子稱瞬時流量的延時是必須進(jìn)行的步驟。在此采用堆棧方式，電子稱的瞬時流量信號送至加料系統(tǒng)PLC，再經(jīng)堆棧處理（采用先入先出）進(jìn)行延時。原理如下：一個堆棧中最多有100個變量，根據(jù)時鐘脈沖的信號，這100個變量按照先后順序存入堆棧中，存滿后依據(jù)先進(jìn)先出的原則，最先存入的變量最先輸出。根據(jù)需要可以調(diào)整時鐘脈沖的長短，在這里使用的是秒脈沖，最長可以延時100秒，這對本系統(tǒng)已經(jīng)夠用了。經(jīng)過堆棧處理后變成延時后的電子稱瞬時流量信號。堆棧工作原理如圖3。
改進(jìn)效果
新的加料系統(tǒng)采用質(zhì)量流量計測量加料流量，精度提高了很多，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求；人機(jī)界面友好，通訊功能使車間總控室可以實(shí)時監(jiān)視現(xiàn)場生產(chǎn)情況；用壓縮空氣作為供應(yīng)料液的動力源，代替了原系統(tǒng)的柱塞泵，經(jīng)濟(jì)可靠。經(jīng)過一年多的使用，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
