基于自適應控制的本地風選器風量自動調節系統研究

尉澤民，吳波，張朋，張建超，呂龍

（山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250114）

煙絲生產過程中的本地風選器可以將絲團打開，長絲打短，煙沫分離，有效地柔性分離出葉絲中的結團物（絲團、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量創造條件。本地柔性風選器在煙草行業多個工藝段得到了廣泛的應用,但在制絲過程烘絲后的實際使用效果上褒貶不一。本地風選器安裝好后，廠家技術人員根據經驗對設備進行簡單調試，設備的狀態一般就固定下來。在日常生產中，操作工為了控制梗簽及其它雜物的剔除量，需要通過調整風管上的風門開度來控制風選風量。由于風門開度每批次都可能不一樣，無法對風門開度大小制定統一的標準，調節到最佳狀態有一定難度。針對本地風選器風管風門開度調節存在的問題，郭永等提出了一種葉絲多級風選系統，在一級風選器后增加二級風選器對來料葉絲進行精選，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，但受設備安裝場地限制我廠還無法使用二級風選器。針對上述存在的現狀，提出了一種本地風選器風量自適應控制的改進思路。通過研究煙絲流量、煙絲水分、除塵布袋通風能力等因素和風筒風量與變頻器頻率等各要素之間的關系，設計了本地風選器風量自適應控制系統。

1 存在的問題

濟南卷煙廠6000kg/h生產線生產的煙絲品牌有10余種，多個品牌之間工藝參數如煙絲流量、煙絲水分差別很大，生產過程中本地風選器風管上的風門開度需要根據煙絲流量、煙絲水分和除塵布袋通風能力等因素的變化按批次頻繁調節來保證梗簽和其它雜物的剔除量。操作工通常會將風門開度調節的盡可能大一些，以防止煙絲在此堵塞而造成更大的麻煩。這往往會導致梗簽及其它雜物的剔除量往往不盡人意，風選器的性能得不到最大限度的發揮，在細支煙卷制過程中出現了梗簽穿透卷煙紙等問題，因此設計一套本地風選器風量自適應控制系統迫在眉睫。

2 改進方法

為了解決存在的問題，針對本地風選器的主要問題進行分析討論，設定了以下兩點設計目標：（1）本地風選器能夠根據煙絲流量、煙絲水分、除塵布袋通風能力等因素變化自動調節風機風量，穩定地剔除梗簽及其他雜物，實現就地風選設備自動化、精細化控制功能；（2）能夠對風管風壓、風機設定頻率和風機運行頻率等設備參數實現在線實時監控。

2.1 系統組成

采用基于自適應機制的風量調節控制算法對風選器的控制系統進行改進。改進后的本地風選器控制系統由以下五部分組成：控制部分、網絡通信部分、過程監控部分、測量部分、執行機構。根據設計要求，該控制系統的控制模型如圖1所示。

圖1 本地風選器自適應風量調節控制算法框圖

該控制系統中煙絲水分值及煙絲流量值經水分儀及電子皮帶秤采集后，上傳到PLC中，數據在PLC中經過處理計算，得出運行頻率值，下發到變頻器中實現變頻調速，而光電檢測傳感器時刻對物料運行情況進行檢測，反饋至PLC控制器。

2.2 系統設計

2.2.1 構建數學模型

2.2.1.1 變頻器頻率數學模型

圖3

在變頻器頻率值計算中，需要根據一定的數學模型來確定計算結果，因此需要構建合適的數學模型。為了分析煙絲流量、出口溫度、煙絲水分、變頻器頻率對雜物剔除率是否有顯著性影響，設計了部分因子試驗，進行關鍵因子篩選，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 因子水平設置

依據上述因子水平設計了1/2部分試驗，增加3次中心點試驗， 利用MINITAB軟件對試驗結果進行分析，考慮所有主效應和二階交互效應，分析結果如圖2a）、b）。

圖2

根據模型擬合結果，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，主效應出口溫度的影響也不顯著，應去除不顯著項后重新擬合。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、出口溫度項后，重新利用MINITAB進行擬合分析，最后結果如圖3a）、b）所示。

通過分析可以判定煙絲流量、煙絲水分、變頻器頻率對剔除率影響顯著，而出口溫度對剔除率的影響不顯著。通過對得到的實驗數據進行多元回歸分析，分析結果如圖4所示。

得到剔除率的回歸方程：

圖4 剔除率主效應圖

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,落絲量和剔除率成正相關關系，經實驗驗證,當落絲量大于5%易造成堵料,此時剔除率為最大值為45，此時變頻器頻率的數學模型為：

式中，x為煙絲流量；y為煙絲水分；z為變頻器頻率。

在實際生產過程中，煙絲流量是固定值，煙絲水分是微調值，因此將變頻器頻率解分為基本頻率和調節頻率。基本頻率的計算以煙絲流量作為依據，調節頻率由HXD出口水分儀計算出來。通過實驗發現風機變頻器頻率不能低于32Hz，否則容易造成堵料，由于我國供電標準的限制，最大為50Hz，根據回歸分析得到的回歸方程，并通過進一步試驗優化，確定變頻器頻率的數學模型為：

式中，z1為基本頻率。

式中，z2為調節頻率。

2.2.1.2 負壓補償值數學模型

通過實時檢測風筒負壓值，負壓值傳送到PLC控制器后需要對傳入的數據進行處理，以便于后續使用，在風筒負壓值的采集過程中，負壓值會發生突變，因此需要對采集到的負壓值進行均值計算后再進行頻率值計算，在得到穩定的負壓數據之后根據負壓補償計算公式：

式中，u為負壓補償值；v為負壓平均值。

2.2.2 監控界面設計

為了能夠對風管風壓、風機設定頻率和風機運行頻率等設備參數實現在線實時監控，進行了監控界面的設計，由于控制系統可以實現自動控制，所以基本無需人工操作，但是為防止意外情況的發生，在系統中增加兩處人工操作，一是可以對基礎頻率進行修改，二是在緊急情況下可以實現強制50Hz運行。在保存原有水分、流量、堵料檢測等運行監控數據的基礎上，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算過程，增加基礎頻率計算、堵料提速、水分提速等功能，同時屏蔽設定頻率的輸入功能，只做最后頻率值顯示使用，本地風選器風量自動調節系統的監控界面如圖5。

圖5 本地風選器風量自動調節系統

3 效果驗證

系統設計完成，經過一段時間的運行之后，對整個系統的性能進行了測試，本系統的主要目標是提高六千風選器的運行效率，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運行之后，梗簽剔除率有明顯的上升，基本穩定在0.05%左右，達到了很好的剔除效果。同時通過質檢人員對系統投入運行后的產品質量檢驗發現，在該系統投入使用之后，煙絲部分質量指標又有了一定的提升，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，提高了葉絲風選后的質量。

圖6 純凈度箱線圖

4 結語

通過設計本地風選器風量自適應控制系統，實現了就地風選設備自動化、精細化控制功能，能對不同種類和不同流量的煙絲實現風量自動調節；實現了風管風壓、風機設定頻率和風機運行頻率等設備參數的在線實時監控；最大限度的發揮就地風選設備的梗簽和其它雜物的剔除能力，對提高煙絲的純凈度、穩定產品質量、減輕卷接除雜設備的壓力和增加企業效益具有積極意義。