专利名称：物料烘缸设备的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物料烘缸设备的控制系统。
背景技术：
物料烘缸设备主要用于烟草、干货等物料的烘干。其设备犹如一个横卧圆柱体，内部为空心腔体，热蒸汽从腔体的一端流入使设备加热并形成蒸汽冷凝水再从另一端流出。也有蒸汽同时在一端流入在腔体内循环后再从同一端流出的设计。随着设备旋转，紧贴于被热蒸汽加热的设备表面的湿纸水分被蒸发，然后进入下一道工序。因此这种旋转式烘干加热设备通常也被称作烘缸。为了使烘干后的水分控制在工艺要求的范围内，需要对该烘缸工序应用水分自动控制系统。为了实现一个控制系统，需要准确测量被控对象的关键工艺参数，如经烘缸加热干燥后的烟草薄片水分，烘缸缸体的表面温度等；采集到这些数据后通过控制模型程序计算输出所需调节的控制量；而执行机构就是完成控制量输出作用的最终设备，从而形成一个闭环反馈自动控制系统。在烘缸的控制系统中，最直接的是物料的出口水分控制回路，但该回路没有直接可作为控制输出的执行机构，需要借助于烘缸的温度、出风速度等控制实现出口水分的控制。然而，在实际生产线上，这种控制系统只能单一的控制烘缸的温度或出风速度，对于烟草类的物料，由于输入物料的湿度范围很大，而对烘干后的物料湿度要求又很高，仅控制烘缸设备中的一种影响因素不能满足烘干后的物料的湿度要求，使得烘干后的烟草物料质量参差不齐，增加了差品率。此外，由于烘缸在生产过程中始终处于旋转状态，而缸体表面又被烟草薄片纸张所覆盖，因此旋转式设备表面温度的准确测量一直是一个被广为讨论的课题。目前，比较常见的温度测量方式是红外温度测量法。这种方法是在距离被测量物体表面一定范围内安装红外温度传感器，利用物体的辐射热效应，使探测元件接收辐射后，经变送器转换后得到测量温度。然而烟草薄片工艺在使用烘缸将烟浆抄造烘干成型过程中，会产生大量蒸腾的水蒸汽，水蒸汽极容易掩盖烘缸表面的真实温度，导致测量的温度可靠性很低。同时，烟草薄片加工现场大量飞扬的粉尘也很容易污染传感器的红外探头。因此，需要对现有的烘缸控制系统进行改进。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种物料烘缸设备的控制系统，用于解决现有技术中烘缸设备的控制系统无法满足烟草烘干的水分含量要求，以及现有的控制系统中烘缸表面的温度测量不准确等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种物料烘缸设备的控制系统，其中，烘缸设备包括:物料出口、物料入口、与物料出入口连接的滚筒式烘缸、用于烘干所述烘缸上的烟草的热风机、及用于排出烘缸内水分的蒸汽阀门，所述控制系统至少包括:采样单元，用于采样所述物料出口的水分测量值、物料入口的水分测量值、所述烘缸侧表面的温度测量值、所述热风机的出风温度测量值及出风速度测量值；与所述采样单元连接的出口水分控制单元，用于根据所采样的物料出口的水分测量值、物料入口的水分测量值的变化来修订所述热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值；与所述采样单元及出口水分控制单元连接的蒸汽阀门控制单元，用于根据所述烘缸表面温度设定值与所采样的温度测量值之差控制所述蒸汽阀门的开合大小，以调整烘缸内的蒸汽压力；与所述采样单元及出口水分控制单元连接的热风机控制单元，用于根据所述出风温度设定值与所采样的出风温度测量值之差来控制所述热风机改变出风温度，并根据出风速度设定值与所采样的出风速度测量值之差来控制所述热风机改变出风速度。优选地,所述采样单元包括:用于采样所述烘缸侧表面温度测量值的至少一个第一温度采样模块，包括:贴设于所述烘缸底面与烘缸侧表面的物料烘干区之间的侧表面的温度传感器；安装在所述温度传感器后端、且将所述温度传感器压在所述烘缸侧表面的弹簧装置；用于采样所述热风机的转速测量值的转速采样模块；用于采样所述热风机的出风温度测量值的第二温度采样模块；用于采样所述物料出口及物料入口的水分测量值的水分仪。优选地，所述温度传感器为有线的接触式温度传感器。优选地，所述出口水分控制单元包括:与所述采样单元连接的前馈补偿模块，用于利用PI控制算法来实时的对所采样的物料入口的水分测量值进行物料在烘干过程中的控制滞后的补偿预算，并输出预算结果；与所述采样单元及前馈补偿模块连接的出口水分控制模块，用于利用预设的比例积分微分控制算法来确定物料出口水分设定值与所采样的物料出口的水分测量值之差所对应的出口水分的控制分量，并根据所述控制分量与预算结果来修订热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值。优选地，所述出口水分控制模块还用于根据所述控制分量与预算结果各自所占的权重得到考虑了补偿预算的控制量，并将所述控制量分别与预设的热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值的放大系数进行放大运算，得到修正后的热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值。优选地，所述蒸汽阀门控制单元包括:与每一个所述温度传感器连接的第一温度变送器，用于根据各所述温度传感器所采样的温度测量值来确定所述烘缸侧表面的物料烘干区的温度测量值；与所述第一温度变送器连接的蒸汽阀门控制模块，用于根据多次采样所得到的多个温度测量值来进行PID控制运算，以得到所述蒸汽阀门的控制量，并根据所述蒸汽阀门的控制量来控制所述蒸汽阀门的开合度。优选地，所述热风机控制单元包括:与所述转速采样模块连接的风速变送器，根据预设的热风机的转速与出风速度的对应关系将所采样的热风机的转速测量值转换成所述热风机的出风速度测量值；与所述风速变送器连接的第一热风机控制模块，用于根据多次采样所得到的多个所述出风速度测量值来进行PID控制运算，以得到所述热风机中的送风电机的控制量，并根据所述送风电机的控制量来控制所述送风电机的输出功率。优选地，所述热风机控制单元包括:与所述第二温度采样模块连接的第二温度变送器，用于将所采样的热风机的出风温度测量值进行数字化及放大；与所述第二温度变送器连接的第二热风机控制模块，用于根据多次采样所得到的多个出风温度测量值来进行PID控制运算，以得到所述热风机中的加热器的控制量，并根据所述加热器的控制量来控制所述加热器的输出功率。如上所述，本发明的物料烘缸设备的控制系统，具有以下有益效果:实时采样烘缸设备中与出口水分相关的各测量值，并由出口水分控制单元根据测量值及预设的控制模型及控制电路对热风机控制单元、蒸汽阀门控制单元提供相应的设定值，并由热风机控制单元、蒸汽阀门控制单元各自根据所采样的测量值及设定值之差来控制相应的热风机和蒸汽阀门，如此同时对与物料烘干水分相关的烘缸设备中的多个装置进行控制，保证物料出口水分的最大偏差控制在1.5%以内。
图1显示为现有技术的物料烘缸设备结构示意图。图2显示为本发明的物料烘缸设备的控制系统的结构示意图。图3显示为本发明的物料烘缸设备的控制系统中第一温度采样模块的结构示意图。
具体实施例方式以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。本发明提供一种物料烘缸设备的控制系统。所述控制系统用于控制烘缸设备中所烘干的烟草物料的水分，使烘干后的烟草物料的水分保持在指定范围内，以提高烟草物料的质量。其中，如图1所示，所述烘缸设备包括:物料出口 23、物料入口 21、与物料出/入口连接的滚筒式烘缸22、用于烘干所述烘缸上的烟草的热风机25、及用于排出烘缸表面水分的蒸汽阀门24。其中，所述热风机包括加热器和送风电机。如图2所示，所述控制系统包括:采样单元11、出口水分控制单元12、热风机控制单元14、蒸汽阀门控制单元13。所述采样单元11用于采样所述物料出口 23的水分测量值、物料入口 21的水分测量值、所述烘缸22侧表面的温度测量值、所述热风机25的出风温度测量值及出风速度测量值。具体地，所述采样单元11包括:第一温度采样模块、转速采样模块、第二温度采样模块及水分仪。所述第一温度采样模块用于采样所述烘缸侧表面温度测量值。其数量可以是一个也可以是多个。如图3所示。所述第一温度采样模块包括:温度传感器111和弹簧装置112。具体地，所述温度传感器111贴设于所述烘缸底面与烘缸侧表面的物料烘干区之间的侧表面。所述温度传感器111主要为接触式温度传感器。所述接触式温度传感器优选为有线的接触式温度传感器。所述弹簧装置112安装在所述温度传感器111后端、且将所述温度传感器111压在所述烘缸侧表面。其中，所述弹簧装置112可以包括弹簧或弹簧片。具体地，所述弹簧装置112固定在所述烘缸的支架上，所述弹簧装置112中的弹簧被所述温度传感器111挤压变形，所述温度传感器111受弹簧的作用力紧贴在烘缸22的侧表面。当所述烘缸22转动时，所述温度传感器111与所述烘缸22的侧表面向摩擦，因此所述温度传感器111会被磨损，但由于弹簧的作用力，温度传感器111和所述烘缸22的侧表面之间不会产生缝隙，故能够准确地测出所述侧表面的温度测量值。所述转速采样模块用于采样所述热风机的转速测量值。具体地，所述转速采样模块与所述热风机的送风电机连接，通过获取送风电机的输出功率等参数来计算所述送风电机当前的转速。所述转速采样模块的硬件包括:与送风电机连接且用于获取送风电机输出电信号的采样电阻、与采样电阻连接且用于根据预设公式计算送风电机当前的转速的DSP。所述第二温度采样模块用于采样热风机的出风温度测量值。具体地，所述第二温度采样模块位于所述热风机的出风口，以获得热风机的出风口的出风温度测量值。所述第二温度采样模块可以为非接触式温度传感器。所述水分仪分别位于物料出口及物料入口，用于采样所述物料出口及物料入口的水分测量值。 所述出口水分控制单元12与所述采样单元11连接，用于根据所采样的物料出口的水分测量值、物料入口的水分测量值的变化来修订所述热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值。具体地，所述出口水分控制单元12将预设的物料入口、物料出口水分设定值分别与所述水分仪采样的物料入口的水分测量值、物料出口的水分测量值做差值计算，再根据预设的相应的差值区间分别与出风温度设定值、出风速度设定值及烘缸表面温度设定值的分段对应关系，来确定所得到的差值所对应的各设定值。优选地，所述出口水分控制单元12包括:前馈补偿模块、出口水分控制模块。所述前馈补偿模块与所述物料入口的水分仪连接，用于利用PI控制算法来实时的对所采样的物料入口的水分测量值进行物料在烘干过程中的控制滞后的补偿预算，并输出预算结果。其中，所述前馈补偿模块为能够按照预设的程序进行大量数值、逻辑运算的模块，其包括但不限于:处理器、FPGA、DSP等。具体地，所述前馈补偿模块利用公式(I): F1 (^) =7:,来进行补偿预算，其中，
人y + 1
Tin为物料入口的水分测量值，优选地，Tin为包含物料入口的水分测量值、烘缸转速、气罩热风温度、气罩热风风速的矩阵，表示所述前馈补偿模块的惯性环节，e_TS表示所述前馈补偿模块的滞后(延迟)环节，Kp表示比例环节(即比例系数)，Y1(S)为预算的结果，所述前馈补偿模块将Y1 (s)予以输出。所述出口水分控制模块与所述前馈补偿模块及所述物料出口的水分仪连接，用于利用预设的比例积分微分控制算法来确定物料出口水分设定值与所采样的物料出口的水分测量值之差所对应的物料出口水分的控制分量，并根据所述控制分量与预算结果来修订热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值。其中，所述出口水分控制模块包括减法器及与所述减法器输出端连接的处理器，所述处理器主要为一种能够按照预设的程序进行大量数值、逻辑运算的模块，其包括但不限于:FPGA、单片机等。具体地，所述出口水分控制模块利用公式
权利要求
1.一种物料烘缸设备的控制系统，其中，烘缸设备包括:物料出口、物料入口、与物料出入口连接的滚筒式烘缸、用于烘干所述烘缸上的烟草的热风机、及用于排出烘缸内水分的蒸汽阀门，其特征在于，所述控制系统至少包括: 采样单元，用于采样所述物料出口的水分测量值、物料入口的水分测量值、所述烘缸侧表面的温度测量值、所述热风机的出风温度测量值及出风速度测量值； 与所述采样单元连接的出口水分控制单元，用于根据所采样的物料出口的水分测量值、物料入口的水分测量值的变化来修订所述热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值； 与所述采样单元及出口水分控制单元连接的蒸汽阀门控制单元，用于根据所述烘缸表面温度设定值与所采样的温度测量值之差控制所述蒸汽阀门的开合大小，以调整烘缸内的蒸汽压力； 与所述采样单元及出口水分控制单元连接的热风机控制单元，用于根据所述出风温度设定值与所采样的出风温度测量值之差来控制所述热风机改变出风温度，并根据出风速度设定值与所采样的出风速度测量值之差来控制所述热风机改变出风速度。
2.根据权利要求1所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述采样单元包括: 用于采样所述烘缸侧表面温度测量值的至少一个第一温度采样模块，包括: 贴设于所述烘缸底面与烘缸侧表面的物料烘干区之间的侧表面的温度传感器； 安装在所述温度传感器后端、且将所述温度传感器压在所述烘缸侧表面的弹簧装置； 用于采样所述热风机的转速测量值的转速采样模块； 用于采样所述热风机的出风温度测量值的第二温度采样模块； 用于采样所述物料出口及物料入口的水分测量值的水分仪。
3.根据权利要求2所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述温度传感器为有线的接触式温度传感器。
4.根据权利要求1所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述出口水分控制单元包括: 与所述采样单元连接的前馈补偿模块，用于利用PI控制算法来实时的对所采样的物料入口的水分测量值进行物料在烘干过程中的控制滞后的补偿预算，并输出预算结果； 与所述采样单元及前馈补偿模块连接的出口水分控制模块，用于利用预设的比例积分微分控制算法来确定物料出口水分设定值与所采样的物料出口的水分测量值之差所对应的出口水分的控制分量，并根据所述控制分量与预算结果来修订热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值。
5.根据权利要求4所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述出口水分控制模块还用于根据所述控制分量与预算结果各自所占的权重得到考虑了补偿预算的控制量，并将所述控制量分别与预设的热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值的放大系数进行放大运算，得到修正后的热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值。
6.根据权利要求2所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述蒸汽阀门控制单元包括: 与每一个所述温度传感器连接的第一温度变送器，用于根据各所述温度传感器所采样的温度测量值来确定所述烘缸侧表面的物料烘干区的温度测量值； 与所述第一温度变送器连接的蒸汽阀门控制模块，用于根据多次采样所得到的多个温度测量值来进行PID控制运算，以得到所述蒸汽阀门的控制量，并根据所述蒸汽阀门的控制量来控制所述蒸汽阀门的开合度。
7.根据权利要求2所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述热风机控制单元包括: 与所述转速采样模块连接的风速变送器，根据预设的热风机的转速与出风速度的对应关系将所采样的热风机的转速测量值转换成所述热风机的出风速度测量值； 与所述风速变送器 连接的第一热风机控制模块，用于根据多次采样所得到的多个所述出风速度测量值来进行PID控制运算，以得到所述热风机中的送风电机的控制量，并根据所述送风电机的控制量来控制所述送风电机的输出功率。
8.根据权利要求2所述的物料烘缸设备的控制系统，其特征在于，所述热风机控制单元包括: 与所述第二温度采样模块连接的第二温度变送器，用于将所采样的热风机的出风温度测量值进行数字化及放大； 与所述第二温度变送器连接的第二热风机控制模块，用于根据多次采样所得到的多个出风温度测量值来进行PID控制运算，以得到所述热风机中的加热器的控制量，并根据所述加热器的控制量来控制所述加热器的输出功率。
全文摘要
本发明提供一种物料烘缸设备的控制系统。所述控制系统利用采样单元采样所述物料出口的水分测量值、烘缸侧表面的温度测量值、热风机的出风温度测量值及出风速度测量值；再由出口水分控制单元根据所采样的物料出口的水分测量值、物料入口的水分测量值的变化来修订所述热风机的出风温度设定值、热风机的出风速度设定值、及烘缸表面温度设定值；由蒸汽阀门控制单元根据所述烘缸表面温度设定值与所采样的温度测量值之差控制所述蒸汽阀门的开合大小；以及由热风机控制单元根据所述出风温度设定值与所采样的出风温度测量值之差来控制所述热风机改变出风温度，并根据出风速度设定值与所采样的出风速度测量值之差来控制所述热风机改变出风速度。
文档编号A24B3/04GK103217010SQ20131011970
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月8日 优先权日2013年4月8日
发明者徐鹤兵, 樊甲斌, 陆晓东, 金军辉, 于俊府, 宋成剑 申请人:上海烟草集团有限责任公司, 上海威士顿信息技术有限公司, 上海烟草集团太仓海烟烟草薄片有限公司