膨脹煙絲加工過程的模糊PID控制系統

肖榮和，吳玉生，舒強，廖文良，孔慶霖，雷國偉*

1.廈門煙草工業有限責任公司（廈門 361022）；2.集美大學理學院（廈門 361021）

卷煙生產包括制絲、卷接、包裝等幾個流程。其中，制絲工序是卷煙生產過程中的一個關鍵工序，在制絲過程中，需要對煙絲進行加濕、加溫及干燥處理，這種溫度、濕度等不斷變換的過程，會使得煙草中的成分發生變化[1-3]。因此，如何優化膨脹煙絲的加工過程，將直接影響煙絲的品質。燃燒爐是膨脹煙絲的關鍵設備，除了滿足干冰煙絲連續膨脹的工藝熱能要求，還能焚燒掉工藝氣體中的有機物，減少排放氣體中有害物質排放到環境中。經過液態二氧化碳浸漬的干冰煙絲被送入升華器，在升華管中與空氣、二氧化碳、蒸汽接觸并被充分加熱，隨著干冰急劇升華，水分急劇蒸發，煙絲得以充分膨脹。因此，燃燒爐作為工藝氣體的加溫設備，一旦出現熄火或不穩定因素，就會造成燃燒爐工作狀況和燃燒穩定性差，難以滿足生產和工藝的要求，煙絲的質量就會受到影響[4-5]。

除了燃燒爐是膨脹煙絲的關鍵設備外，升華器對膨脹煙絲的作用也非常重要。干冰煙絲的升華，可以促使煙絲膨脹[6]。一般來說，升華管道系統裝有3個電動風門，用以調整氣體流速、壓力和溫度。不過，一旦壓力檢測出現故障，負壓波動變大，風門調節受影響，勢必造成系統停機[7]。現在卷煙機吸風室的負壓，基本上都是采用集中供給形式。雖然提高負壓，有助于空頭煙的減少，但不能一味提高負壓，否則將大幅度增加電力的消耗和真空設備的維保難度[8]。因此，針對負壓的檢測和處理就變得尤為重要[9]。

在工業控制領域，針對鍋爐的負壓控制并不少見，但是在煙草煙絲加工中，一般采用人工觀察和經驗操作，無論從時間效率或控制精度上，都存在改進的空間。為此，試驗首先針對燃燒爐進行故障分析，然后提出改進措施，最后采用模糊PID控制的方法，對升華系統中容易出現的負壓波動快速、精準地調節。

1 故障分析與改進

1.1 故障分析

燃油燃燒爐燃燒過程中，0#柴油是可燃物，壓縮空氣是助燃物，起始燃燒溫度由引燃火提供。0#柴油與壓縮空氣在噴槍內部混合后形成油氣混合物，從噴油槍前端噴出后進行燃燒。燃燒爐正常燃燒時的油壓與氣壓之間要存在0.1 MPa左右的壓差，也就是說要通過差壓式調節閥BV8調整油氣的燃燒混合比。但是通過現場觀察發現，燃燒爐燃燒時，油壓在0.70～0.64 MPa之間變化，而氣壓沒有發生變化，始終為0.6 MPa，即差壓式調節閥沒有起到調節作用。根據管道內流體流量方程，對于管道內的柴油，忽略壓力損失，可視為層流流動，柴油流量按式（1）計算。

式中：q為柴油流量，m4/s；μ為柴油的黏度，N·s/m2；d為管道直徑，m；ΔPλ為管端壓降，MPa。

由式（1）可知，柴油壓力發生變化，即管端的壓降ΔPλ發生變化時，流量也發生線性變化，而壓縮空氣壓力不變，流量不變，導致柴油和壓縮空氣的配比發生變化。在燃燒爐開始動作時，由于工藝氣體溫度較低，控制系統處于飽和狀態，燃油控制閥開到最大（ΔPλ=0.7 MPa），這種情況下壓縮空氣的壓力為0.6 MPa，還可以與油壓配合，但隨著溫度的上升，油壓漸漸下降；隨著ΔPλ的下降，柴油流量q也下降。而壓縮空氣流量沒有任何改變，導致了油氣混合配比發生變化，火焰就會懸浮起來，最終導致熄火。對設備運行狀態和故障停機現象進行觀察，發現兩個問題：

一是燃燒爐的爐頭溫度設定為700 ℃，生產過程中聯動風門開度在36%±1%。這說明升華后的工藝氣體溫度較高，只有36%的工藝氣體經過換熱升溫，燃油燃燒后的熱能利用率低。二是燃燒爐的爐頭溫度設定值為600 ℃，生產中的聯動風門開度可以提升至55%，提高熱能利用率，降低油耗，但在過程中容易出現熄火現象。

產生這兩個問題的主要誘因是升華管內負壓波動大。要解決該問題，就必須改善廢氣風門執行器控制的精度，調節風門開度的步進刻度值；優化控制執行器的PID參數，使之達到最佳的調節參數。

1.2 改進措施

1.2.1 升華系統參數的改進

連續一個月對燃燒爐爐頭溫度設定值進行調整優化，爐溫設定值與柴油消耗的關系見圖1。當爐頭溫度降至620 ℃之后，油耗下降較慢，當爐頭溫度降至600 ℃時，雖然油耗有所下降，但容易出現熄火情況，故爐頭溫度設定為620 ℃。

圖1 燃燒爐爐頭溫度設定值與油耗的對應關系

1.2.2 廢氣風門參數優化

廢棄風門執行器的結構如圖2所示。廢氣風門執行器上有擺臂式齒輪箱，其擺臂的長度可以調節，將球型鉸鏈位置安裝于最內側的鉸鏈孔，使得執行器輸出步進刻度減小，從而提高負壓調節精度。

圖2 廢氣風門執行器示意圖

另外，通過廢氣風門執行器PID參數進行優化調整，提升執行器的響應速度。此次研究采用模糊PID控制進行參數調制，如圖3所示。

圖3 模糊PID控制參數調整模型

PID模糊控制的首要任務，是找出P，I和D三個參數與誤差e和誤差變化δe之間的模糊關系，并在運行中不斷檢測e和誤差變化率δe[10]。考慮KP、KI、KD之間的關系，輸入變量選擇e和δe，模糊語言變量取值{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}這7個值，輸出變量選擇ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊語言變量也同樣選擇7個值。模糊規則見表1～表3。

表1 ΔKP模糊規則表

表2 ΔKI模糊規則表

表3 ΔKD模糊規則表

由模糊規則表1～表3，對KP、KI、KD進行調整，選擇合適的模糊規則方法后，模糊PID參數按式（2）計算。

通過模糊規則表1～表3，對KP、KI、KD進行調整后，得到優化曲線圖，如圖4所示。觀察工藝氣負壓值曲線，單位時間內工藝氣波動較大。需要降低PID控制器的P值，但是當前的P值為0.01，達到參數設定的下限值，無法繼續調整。繼續觀察發現曲線波動周期較長，需要增加I值。經過觀察，工藝氣負壓曲線趨于平穩，參數調整結果為最優。此時如表4所示，P為0.01，I為15，D為3。

圖4 KP，KI，KD優化曲線圖

表4 優化前后的PID參數值

2 試驗結果與討論

2.1 燃燒爐熄火故障停機次數對比

對升華系統和廢氣風門進行改進后，得到2020年7月至2020年12月的膨脹線設備運行故障情況統計表。從表5可看出，優化改進后燃燒爐熄火故障次數從7次降至1次，大幅降低了燃燒爐的熄火次數，保證了設備穩定運行，減小了燃燒爐對產品質量的影響。

表5 改進前后膨脹線設備故障停機次數統計對比

2.2 燃燒爐的油耗對比

對升華系統和廢氣風門進行改進后，得到2020年5月至2020年10月的膨脹線燃油消耗情況表。從表6可看出，改進前燃燒爐平均油耗792.03 L/104kg煙絲，改進后燃燒爐平均油耗690.34 L/104kg煙絲，節約油耗101.69 L/104kg煙絲，下降12.84%。

表6 改進前后膨脹線燃燒爐油耗統計數據對比

2.3 負壓波動情況

改進前，工藝氣體風速設定為34 m/s，負壓設定為1 200 Pa，標準偏差為137 Pa，波動較大，波動率達11.42%，影響工藝氣體的穩定性，物料在升華管道內停留時間的波動，最終導致膨脹后出口水分的穩定性較差。改進后，波動明顯減小，負壓標偏均值降到了56.2 Pa，波動率由11.42%降至4.68%。

表7 升華管內負壓標偏統計數據對比

3 結論

通過對燃燒爐的燃油管路分析，找出燃燒爐生產過程熄火的問題，主要是因為升華管內負壓波動大。要解決該問題，就必須改善廢氣風門執行器控制的精度，調節風門開度的步進刻度值，優化模糊PID控制系統參數。通過廢氣風門執行器連桿調整和PID參數的優化，提升了負壓穩定性，確保了煙絲在升華管內的加工時間穩定，降低了升華后的水分波動，波動率由11.42%降至4.68%，工藝熱風的穩定性顯著提升引起出口煙絲含水率的提升。燃燒爐在油耗降低的同時，大幅降低了燃燒爐熄火故障次數，優化后燃燒爐熄火故障次數從7次降至1次，近8個月來已杜絕了燃燒爐熄火情況的發生。