基于PID溫度分級(jí)控制方法的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李文好

基于PID溫度分級(jí)控制方法的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李文好

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545006）

隧道式烘絲機(jī)是用于煙（梗）絲干燥加工的設(shè)備之一，溫度是其中最重要的控制參數(shù)，改進(jìn)前溫度PID控制模式一直沿用出廠設(shè)置，這種模式的特點(diǎn)是可靠、穩(wěn)定，但原料消耗偏高，不符合企業(yè)降本增效目標(biāo)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文章基于卷煙煙絲干燥環(huán)節(jié)溫度控制模式進(jìn)行的應(yīng)用研究，提出溫度控制應(yīng)分級(jí)實(shí)現(xiàn)，即設(shè)置一個(gè)閾值，在閾值左右側(cè)依次設(shè)置獨(dú)立的PID參數(shù)，在小于閾值時(shí)使用0代碼參數(shù)，在大于等于閾值時(shí)使用1代碼參數(shù)，具體的參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，通過(guò)溫度控制分級(jí)管理，減少了原料消耗，達(dá)到了降本的目標(biāo)。

PID；煙絲干燥；熱風(fēng)溫度；閾值；分級(jí)

引言

膨脹干燥是卷煙生產(chǎn)制造非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)葉（梗）絲的感官質(zhì)量的改進(jìn)及相應(yīng)物理指標(biāo)的提升具有重要作用[1]。綜合來(lái)看，葉（梗）絲膨脹干燥主要通過(guò)溫度、壓力等外界因素，使葉（梗）絲內(nèi)部發(fā)生物理、化學(xué)變化，從而達(dá)到或接近工藝標(biāo)準(zhǔn)的半加工卷煙產(chǎn)品。

目前，卷煙工廠葉（梗）絲干燥設(shè)備有隧道式烘絲機(jī)、氣流式烘絲機(jī)，主要依靠蒸汽熱風(fēng)溫度來(lái)對(duì)物料進(jìn)行干燥。以本企業(yè)為例SH86隧道式烘絲機(jī)為例，設(shè)備經(jīng)過(guò)預(yù)熱，一、二區(qū)達(dá)到固定溫度后（一區(qū)為150±5℃、二區(qū)為140±5℃）后自動(dòng)完成，當(dāng)整線聯(lián)動(dòng)物料進(jìn)入設(shè)備后，PID控制器通過(guò)控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)薄膜閥開(kāi)度使溫度保持穩(wěn)定，當(dāng)出口水分有異常（偏高或偏低）時(shí)，優(yōu)先調(diào)整一區(qū)溫度進(jìn)行水分控制，如果一區(qū)溫度控制不下則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)二區(qū)溫度控制[2]，其中，溫度控制系統(tǒng)由蒸汽管路、溫度傳感器、變頻PLC及其他附件設(shè)施組成，執(zhí)行PID控制器發(fā)出的指令調(diào)控蒸汽熱風(fēng)溫度。目前，行業(yè)關(guān)于隧道式烘絲機(jī)的研究主要涉及溫度和風(fēng)量?jī)身?xiàng)干燥條件，其中李曉剛等[3,4]對(duì)PID溫度控制模式進(jìn)行了探索，很有借鑒意義。

1 隧道式烘絲機(jī)存在的問(wèn)題

SH86隧道式烘絲機(jī)自投入使用以來(lái)，溫度控制模式一直沿用出廠設(shè)置，原有的PID參數(shù)在從生產(chǎn)開(kāi)始到結(jié)束使用用一套相同的參數(shù)，但隨著工藝加工、提質(zhì)降耗要求的提高，這種控制模式已不能完全適應(yīng)新要求。比如，在梗絲干燥過(guò)程中，目前針對(duì)梗絲干頭量（指梗絲水分小于8%）雖然沒(méi)有硬性工藝考核標(biāo)準(zhǔn)，但梗絲干頭量多，一方面不符合企業(yè)降耗的要求，另外一方面梗絲含水率對(duì)梗絲的各項(xiàng)物料指標(biāo)和綜合質(zhì)量均有很大關(guān)系，梗絲水分偏干不利于成品煙絲結(jié)構(gòu)、填充性能以及葉絲、梗絲、膨脹絲摻兌的均勻性[1]。通過(guò)查閱生產(chǎn)制造系統(tǒng)，從系統(tǒng)調(diào)取多批次物料料頭蒸汽熱風(fēng)溫度情況（過(guò)料15分鐘內(nèi)溫度曲線圖），以某牌號(hào)物料為例，蒸汽熱風(fēng)溫度如圖1所示。

圖1　某批次料頭溫度曲線圖

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽熱風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，溫度從波谷到波峰用時(shí)15秒～30秒，也就是說(shuō)溫度能在短時(shí)間達(dá)到目標(biāo)值，但出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致偏差明顯，可基本控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，但偏差較大，容易產(chǎn)生波動(dòng)。

從圖1對(duì)溫度控制情況進(jìn)行分析，成因總結(jié)歸納為表1。

表1　優(yōu)化前PID控制特點(diǎn)

2　解決方案

2.1　PID控制系統(tǒng)原理

一般來(lái)說(shuō)，PID控制器由三個(gè)單元組成實(shí)施，依次為比例、積分、微分，控制原理是將三個(gè)單元通過(guò)線性或非線性組合構(gòu)成控制模態(tài)，相應(yīng)作用如表2所示[5]。

表2　PID控制單元的相應(yīng)作用

2.2　PID參數(shù)優(yōu)化總體思路

基于PID參數(shù)的控制參數(shù)分析，要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精細(xì)化控制，必須對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。前提是溫度控制要以服務(wù)工藝質(zhì)量為目標(biāo)，溫度控制和工藝參數(shù)指標(biāo)呈正相關(guān)性。以本企業(yè)為例，對(duì)煙絲干燥過(guò)程來(lái)說(shuō)，以煙絲含水率8%為閾值，當(dāng)煙絲水分小于8%時(shí)，要避免溫度過(guò)沖大，避免料頭偏干，影響煙絲整體感觀質(zhì)量，當(dāng)煙絲水分大于8%時(shí)，也要防止加溫達(dá)不到目標(biāo)值，導(dǎo)致物料水平“冒泡”偏濕，產(chǎn)生質(zhì)量隱患。

考慮到PID控制是一種模糊中的精確控制方法，并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，目標(biāo)是通過(guò)篩選最佳參數(shù)區(qū)間來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)值，通過(guò)實(shí)際觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)直到、、最優(yōu)參數(shù)。

需要注意的是，為進(jìn)一步提高工作效率，更快找到合理的最優(yōu)參數(shù)值，可以參考出廠參數(shù)設(shè)置，結(jié)合日常參數(shù)控制實(shí)際情況，先設(shè)置一個(gè)大的參數(shù)區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行細(xì)調(diào)。

2.3　比例調(diào)節(jié)（P值）

代表比例系數(shù)，一般情況下呈線性關(guān)系，有較強(qiáng)的確定性，與溫度控制呈很強(qiáng)的正相關(guān)性，因此，參數(shù)調(diào)節(jié)先從入手。

根據(jù)控制原理，按照0.5、1、1.5順序進(jìn)行調(diào)整，值越大，溫度變化越大；值越小，變化越小，但值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致溫升響應(yīng)不夠及時(shí)，所以將P暫定設(shè)置為0.8≤≤1.2。

2.4　積分調(diào)節(jié)（I值）

為了確保現(xiàn)場(chǎng)整定實(shí)驗(yàn)的延續(xù)性、準(zhǔn)確性，在確定值的區(qū)間后，接下來(lái)對(duì)、的實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)固定的值。

根據(jù)I控制原理，按照1、4、7 順序進(jìn)行了調(diào)整。合理的值（1.5≤≤3）參數(shù)可以將溫度波動(dòng)周期延長(zhǎng)，波動(dòng)曲線較調(diào)整前更平緩，如圖2所示。

圖2　參數(shù)P、I調(diào)整后疊加溫度曲線圖

2.5　微分調(diào)節(jié)（D值）

同理，在確定、值的區(qū)間后，接下來(lái)對(duì)的實(shí)驗(yàn)，用固定的、值。

根據(jù)控制原理，按照3、6、9 順序進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整后的圖形顯示，D 值主要起提前預(yù)判作用，避免產(chǎn)生規(guī)律性的波動(dòng)，從而提高過(guò)程穩(wěn)定性，合理的值（3≤≤6）參數(shù)使溫度波動(dòng)曲線較平緩，避免出現(xiàn)頻繁波動(dòng)現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3　參數(shù)P、I、D三要素調(diào)整后疊加溫度曲線圖

進(jìn)一步，對(duì)優(yōu)化后的控制特點(diǎn)進(jìn)行了分析和歸納，如表3所示。

表3　優(yōu)化后PID控制特點(diǎn)

2.6　PID分級(jí)控制

根據(jù)料頭和過(guò)程控制的控制特點(diǎn)，分別以水分8%為臨界點(diǎn)建立兩套代碼為0和1的PID值，當(dāng)設(shè)備出口水分小于8%時(shí)，以代碼0程序?qū)嵤┱{(diào)控（具體流程見(jiàn)圖4），該程序的特點(diǎn)是適當(dāng)降低溫度控制的靈敏度，避免溫度響應(yīng)過(guò)快，當(dāng)設(shè)備出口水分大于8%時(shí)，以代碼1程序?qū)嵤┱{(diào)控，該程序的特點(diǎn)是縮短溫度加熱遲滯時(shí)間，溫度能較快達(dá)到目標(biāo)值，避免物料水分上升速度過(guò)快，即避免水分過(guò)沖大上下來(lái)回波動(dòng)，促進(jìn)物料水分穩(wěn)定達(dá)到目標(biāo)值（12±0.5）并保持連續(xù)、均勻、穩(wěn)定、受控的狀態(tài)。

當(dāng)然，上述控制關(guān)系是建立在整線受控的基礎(chǔ)上的，若當(dāng)日設(shè)備、物料等生產(chǎn)要素發(fā)生重大變更，已不滿足自動(dòng)分級(jí)控制條件時(shí)，這時(shí)候就需要進(jìn)行檔位切換，進(jìn)行手動(dòng)干涉，待物料水分回歸正常后再進(jìn)行切換，依次循環(huán)。

圖4　PID分級(jí)控制流程圖

2.6　PID確定及效果驗(yàn)證

綜合、、三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本確定了各個(gè)區(qū)間值，按照分級(jí)、分類管理的原則，進(jìn)行分類別確認(rèn)，具體數(shù)值如表4所示。

表4　優(yōu)化前后PID數(shù)值對(duì)比

PID優(yōu)化后，對(duì)每日生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，含水率小于8%梗絲基本控制在12 kg內(nèi)，同比減少了5 kg以上（如圖5），按照成品煙絲市場(chǎng)價(jià)35元/kg、工作日250天/年計(jì)算，年度降本超過(guò)4萬(wàn)元，基本形成了一套解決料頭偏干問(wèn)題的機(jī)制。

同時(shí)，為了跟蹤過(guò)程物料水分控制情況，調(diào)取了多批次物料過(guò)程控制水分曲線圖（如圖6所示），過(guò)程控制的均勻性、穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)，進(jìn)一步縮小了產(chǎn)品批次間質(zhì)量的差異性，產(chǎn)品同質(zhì)化、優(yōu)質(zhì)化同比增強(qiáng)，產(chǎn)品外觀柔軟，不扎手，質(zhì)量評(píng)價(jià)均處于優(yōu)秀層級(jí)，煙支重量誤差控制在0.1%內(nèi)，吸阻控制能力為優(yōu)良。

圖5 優(yōu)化后物料料頭水分控制圖

圖6 優(yōu)化后物料過(guò)程控制水分控制圖

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施基于PID溫度分級(jí)控制方法的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，葉（梗）絲膨脹干燥工藝質(zhì)量保證水平不斷提高，線上控制水平實(shí)現(xiàn)了持續(xù)改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量高于標(biāo)準(zhǔn)要求，工序CPK（過(guò)程控制能力指數(shù)）達(dá)到1.33以上，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的受控狀態(tài)。

基于PID溫度分級(jí)控制方法的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，轉(zhuǎn)變了企業(yè)質(zhì)量管理思路，不唯書、不唯標(biāo)準(zhǔn)、精益求精成為企業(yè)新的質(zhì)量管理理念，并以此倒逼企業(yè)質(zhì)量管理升級(jí)，企業(yè)質(zhì)量管理目標(biāo)更加明確、清晰，員工追求創(chuàng)新、卓越成為崗位基本工作需求，企業(yè)質(zhì)量管理體系向高效化邁進(jìn)。

[1]國(guó)家煙草專賣局. 卷煙工藝規(guī)范[M]. 北京: 中央文獻(xiàn)出版社，2003.

[2]秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司. SH86隧道式梗絲干燥機(jī)說(shuō)明書[Z]. 秦皇島: 秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，2003.

[3]戴滔. 模糊-PID控制在梗絲流化床中的應(yīng)用[J]. 煙草科技，2008(8): 24-28.

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[5]曾光奇，胡均安，王東. 模糊控制理論與工程應(yīng)用[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社，2006.

Design and Application of Temperature Hierarchical Control Method Based on PID

Tunnel dryer is one of the equipment used for tobacco (stem) drying and processing. Temperature is the most important control parameter. Before improvement, the temperature PID control mode has been set in the factory. This mode is characterized by reliability and stability, but the raw material consumption is high, which is not in line with the goal of reducing cost and increasing efficiency. To solve this problem, based on the application research of the temperature control mode of cut tobacco drying link, this paper puts forward that the temperature control should be realized in grades, that is, set a threshold, set independent PID parameters on the left and right sides of the threshold in turn, use 0 code parameters when it is less than the threshold, and use 1 code parameters when it is greater than or equal to the threshold. The specific parameters are determined by a large number of on-site experimental data and managed in grades through temperature control, the consumption of raw materials is reduced and the goal of cost reduction is achieved.

PID; tobacco drying; hot air temperature; threshold; classification

TS4

A

1008-1151(2022)04-0036-03

2022-01-28

李文好，男，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠安全工程師，經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)榘踩a(chǎn)管理。