1 煙葉復(fù)烤是煙葉從農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變到工業(yè)生產(chǎn)原料的一個(gè)整理和準(zhǔn)備性的加工過(guò)程,是煙草整體加工中非常重要的環(huán)節(jié),它是在烤煙生產(chǎn)的基礎(chǔ)上形成的,同時(shí)煙葉復(fù)烤作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)并逐步發(fā)展到規(guī)模化和工業(yè)化,與較大規(guī)模的煙葉商品化和卷煙的工業(yè)化是密不可分的.煙葉復(fù)烤主要用途是對(duì)打葉分離之后的煙葉片進(jìn)行處理,使葉片的水分,溫度達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo).(國(guó)內(nèi)某一復(fù)烤企業(yè)為例)煙葉復(fù)烤機(jī)按工藝特點(diǎn)主要分干燥段,冷卻段和回潮段,煙葉復(fù)烤機(jī)干燥段分五個(gè)區(qū),冷卻段為一個(gè)區(qū),回潮段有4個(gè)區(qū). 2 目前復(fù)烤生產(chǎn)線主要采用 PLC 模塊和單回路儀表等對(duì)復(fù)烤機(jī)的生產(chǎn)進(jìn)行控制,現(xiàn)場(chǎng)配置了操作站,同時(shí)建立了中央監(jiān)控系統(tǒng),國(guó)內(nèi)多數(shù)復(fù)烤企業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平較高,但在一些環(huán)節(jié)上仍存在一定的問(wèn)題:如回潮段煙葉出口水分控制目前處于人工調(diào)節(jié),產(chǎn)品質(zhì)量存在一定的波動(dòng),其控制依賴操作人員的水平高低及熟練程度,出口煙葉水分受操作員工對(duì)設(shè)備的熟悉程度,操作經(jīng)驗(yàn)的多少,來(lái)料情況,設(shè)備工況等因素干擾 .因此對(duì)其進(jìn)行研究改進(jìn),對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量,保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性及連續(xù)性,提高煙葉加工質(zhì)量水平,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和品牌效益.與流程行業(yè)其他過(guò)程比較,煙葉復(fù)烤過(guò)程具有其明顯的特點(diǎn),是一個(gè)多干擾,強(qiáng)耦合,大滯后,非線性,不確定的大熱容過(guò)程.在生產(chǎn)過(guò)程中,始終存在著具有一定溫度,濕度,壓力,流速的傳熱介質(zhì) ( 熱氣體 ) 與煙葉在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生熱交換作用,從而達(dá)到煙葉的干燥,冷卻,回潮等目的.不同過(guò)程的任一區(qū)段溫度,濕度的變化,都會(huì)影響到其后各區(qū)段參數(shù)的變化和出口煙葉水分含量的變化,這就使建立系統(tǒng)的機(jī)理模型變得相當(dāng)復(fù)雜.因此復(fù)烤過(guò)程出口水分運(yùn)用簡(jiǎn)單的 PID 控制算法難以達(dá)到閉環(huán)自動(dòng)控制的目的,更無(wú)法保證控制的精度.具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 1 )干擾因素多:入口煙葉的水分,溫度,產(chǎn)地,品種,等級(jí)對(duì)出口水分都有非常重要的影響;加熱蒸汽和回潮蒸汽的壓力,溫度以及飽和程度直接影響出口煙葉的水分和溫度;環(huán)境空氣的溫度,濕度對(duì)冷卻階段的煙葉水分和溫度也有較大的間接影響. 2 )測(cè)量?jī)x表存在一定的問(wèn)題,特別是紅外水分儀精度受外界的影響較大,基準(zhǔn)值易發(fā)生漂移,冷房水分儀表測(cè)量值受電噪聲的污染,測(cè)量值波動(dòng)頻繁,嚴(yán)重的影響了閉環(huán)控制的性能. 3 ) 生產(chǎn)過(guò)程特性多變 :受前部打葉過(guò)程的影響,煙葉進(jìn)料流量,煙葉喂料機(jī)的速度有時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整來(lái)滿足生產(chǎn)的連續(xù),這樣就導(dǎo)致了過(guò)程的特性參數(shù)發(fā)生改變;同時(shí),煙葉復(fù)烤在高溫,高濕和粉塵等環(huán)境下工作,設(shè)備也會(huì)發(fā)生異常,在這種情況下,操作人員需要隨時(shí)改變工藝操作,使過(guò)程特性具有多樣性,難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 PID 閉環(huán)控制. 4 ) 水分的控制是一個(gè)大滯后過(guò)程 :往往在出口水分發(fā)生變化后,再對(duì)其進(jìn)行控制是不及時(shí)的,造成的直接后果是水分在設(shè)定值上下波動(dòng),不能穩(wěn)定. 以上原因的存在提升了復(fù)烤出口水分控制的難度,運(yùn)用簡(jiǎn)單的 PID 控制算法進(jìn)行的閉環(huán)控制甚至不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,更談不上控制的精度.必須借助先進(jìn)的控制理論和算法,同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行控制才能保證控制的品質(zhì)和精度. PID 算法本身的局限性有很多,不能適用于復(fù)烤機(jī)控制系統(tǒng),原因如下: 具有反向特性的非最小相位系統(tǒng) 具有嚴(yán)重頻繁干擾的過(guò)程系統(tǒng) 多變量強(qiáng)耦合系統(tǒng) 帶有約束的控制系統(tǒng) 大滯后系統(tǒng) 這也是目前無(wú)法實(shí)施煙葉出口水分閉環(huán)控制的原因. 3 由于煙葉復(fù)烤過(guò)程的復(fù)雜性,建立嚴(yán)格的機(jī)理模型難度非常大,而一般對(duì)于先進(jìn)控制來(lái)說(shuō),不知道被控對(duì)象的模型是無(wú)法實(shí)施先進(jìn)控制策略的.因此,模型的建立是實(shí)施先進(jìn)控制算法的關(guān)鍵所在.模型的精確與否直接影響控制的品質(zhì).過(guò)程特性多變性要求所設(shè)計(jì)的控制算法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)功能,在過(guò)程特性發(fā)生變化時(shí)及時(shí)的更改控制策略或控制參數(shù).水分測(cè)量的不準(zhǔn)確給控制帶來(lái)了極大的困難,在控制方案上必須采用手段對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 4 煙葉復(fù)烤出口水分控制系統(tǒng)最終的改造目的是實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的全自動(dòng)控制,正常工況下,操作人員根據(jù)加工煙葉的品種和等級(jí)選擇一組參數(shù)后,由控制系統(tǒng)實(shí)施復(fù)烤機(jī)出口水分的自動(dòng)控制,考慮到整個(gè)項(xiàng)目的復(fù)雜性,首先我們針對(duì)目前復(fù)烤機(jī)出口水分控制的難點(diǎn) -- 回潮段煙葉出口水分的閉環(huán)控制,在成功實(shí)施回潮段煙葉出口水分控制的基礎(chǔ)上,再逐步實(shí)施整個(gè)復(fù)烤機(jī)出口水分的全自動(dòng)控制. 4.1 總體方案 目前煙葉復(fù)烤機(jī)控制系統(tǒng)主要采用PLC模塊,單回路調(diào)節(jié)儀表,現(xiàn)場(chǎng)操作站等,主要的控制回路通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),Profibus DP網(wǎng)絡(luò),單回路調(diào)節(jié)儀表和變頻器完成,中央控制室實(shí)施數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,新的出口水分閉環(huán)控制系統(tǒng)將不改動(dòng)和影響原系統(tǒng),具體方案如下: 1 ) 增加一臺(tái)高可靠性工業(yè)計(jì)算機(jī),安裝在生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng),同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的配置,以便和原有控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換. 2 )修改原控制系統(tǒng)配置和相關(guān)通訊程序等,加入新增的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn). 3 )將工業(yè)計(jì)算機(jī)接入控制網(wǎng)絡(luò),采集有關(guān)復(fù)烤機(jī)的過(guò)程數(shù)據(jù). 4 )適當(dāng)修改原PLC程序,確保新老控制系統(tǒng)可互相切換,同時(shí)不影響原控制系統(tǒng). 5)增加的工業(yè)計(jì)算機(jī)不僅可采集和分析有關(guān)復(fù)烤機(jī)過(guò)程數(shù)據(jù),還完成復(fù)烤機(jī)煙葉出口水分的閉環(huán)控制,有關(guān)控制用數(shù)學(xué)模型也在此建立. 6 )該工業(yè)計(jì)算機(jī)同時(shí)可用于今后熱風(fēng)潤(rùn)葉筒的水分全自動(dòng)控制,完全在項(xiàng)目的逐步實(shí)施過(guò)程中保證硬件投資高效益,同時(shí)以進(jìn)一步提高整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和提升生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量,為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和品牌效益. 4.2閉環(huán)控制方案設(shè)計(jì) 針對(duì)以上對(duì)復(fù)烤過(guò)程的分析,以及我們?cè)趪?guó)內(nèi)某知名卷煙廠成功應(yīng)用的案例(烘絲機(jī)水分控制,該案例徹底解決了烘絲機(jī)水分控制的難題)我們認(rèn)為采用模型預(yù)測(cè)控制的先進(jìn)控制算法,可以對(duì)復(fù)烤水分進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化控制,提高控制的精度,減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及對(duì)操作人員的依賴,提高復(fù)烤廠的經(jīng)濟(jì)效益.模型預(yù)測(cè)控制誕生于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展與應(yīng)用,這種控制策略已經(jīng)在復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程中獲得了廣泛的應(yīng)用.預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)對(duì)象的歷史信息和未來(lái)的輸入來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)的輸出.這里強(qiáng)調(diào)模型的功能而不強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)形式.滾動(dòng)優(yōu)化與通常的離散最優(yōu)控制算法不同,是在線反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,滾動(dòng)實(shí)施,從而使模型失配,時(shí)變,干擾等引起的不確定性能及時(shí)得到彌補(bǔ),提高了系統(tǒng)的控制效果. 5 實(shí)現(xiàn)回潮出口水分模型預(yù)測(cè)優(yōu)化控制,可以減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員的生產(chǎn)強(qiáng)度,降低生產(chǎn)成本,提高復(fù)烤煙葉質(zhì)量及合格率.這種控制方案對(duì)優(yōu)化復(fù)烤生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量,整體提升工廠的科技水平和競(jìng)爭(zhēng)力有著十分重要的意義. 具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 降低煙葉水分控制的方差 : 使煙葉的水分,溫度穩(wěn)定地達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo),提高水分的控制精度,提高煙葉的等級(jí),減少煙葉原材料的損耗和浪費(fèi). 提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率,極大地減少生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的水跡煙和返箱. 克服人為因素的影響:如果不實(shí)施先進(jìn)控制方案,由于回潮水流量的參數(shù)設(shè)定值都是操作工憑經(jīng)驗(yàn)給定,而不同的操作工的經(jīng)驗(yàn),操作熟練程度及責(zé)任心都不同,因此控制效果因人而異,產(chǎn)品批次質(zhì)量也因人而異,反映在復(fù)烤機(jī)出口處就使煙葉水分值不穩(wěn)定. 降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度:現(xiàn)在操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較大,頻繁的更改回潮水流量的參數(shù)設(shè)定值,如果實(shí)施先進(jìn)控制,則由控制系統(tǒng)自動(dòng)該設(shè)定值由機(jī)器進(jìn)行更改操作人員只要對(duì)水分進(jìn)行設(shè)定,減輕了操作強(qiáng)度. 減少設(shè)備的故障和事故,如果采用人工干預(yù)設(shè)置設(shè)定值參數(shù),來(lái)適應(yīng)外部因素變化,操作工是很困難的,造成操作幅度大,閥位波動(dòng)大,易出現(xiàn)設(shè)備故障和事故,增加維護(hù)維修成本. 本方案保證工廠可以在較短的時(shí)間內(nèi)回收項(xiàng)目投資,經(jīng)濟(jì)效益顯著. 6 為確保煙葉復(fù)烤出口水分控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目的順利實(shí)施,同時(shí)不影響正常的生產(chǎn)和操作,本項(xiàng)目的實(shí)施將分以下幾個(gè)階段進(jìn)行: 第一階段主要是對(duì)復(fù)烤線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,增加工業(yè)控制器,實(shí)施煙葉復(fù)烤過(guò)程數(shù)據(jù)的采集和分析. 第二階段主要進(jìn)行出口水分閉環(huán)控制用數(shù)學(xué)模型的測(cè)試. 第三階段將根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制算法仿真測(cè)試. 第四階段將閉環(huán)控制系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)模擬運(yùn)行,但其控制信號(hào)并不真正輸出,進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況驗(yàn)證出口水分閉環(huán)控制系統(tǒng)的可靠性. 第五階段將先進(jìn)控制系統(tǒng)切換到閉環(huán)控制系統(tǒng),進(jìn)行試運(yùn)行,并進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)性能. 最后將煙葉出口水分閉環(huán)控制系統(tǒng)投入長(zhǎng)期運(yùn)行.