专利名称:热风润叶机新型水分控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于卷烟厂复烤车间润叶机的控制系统。
背景技术：
经过我们对复烤企业的调研，收集到同本课题研究有关的信息大致如下A润叶机一润入口有皮带秤进行流量初控；二润入口有皮带秤进行流量精控；一润、二润的控制以操作工为主、增湿蒸汽回路PID调控，出口水分、温度由于操作工积累多年的操作经验，可以控制在工艺的要求范围内。不同的操做工润叶机操作方式上各有不同。
B复烤机入口配置红外水分仪，出口配置微波水分仪，较为独特的是在回潮区加湿蒸汽采用9台气动薄膜调节阀，由人工在现场操作站设定经验值进行PID调节控制，气动薄膜调节阀PID控制的目标为出口水分，但操作工还需要手动调整回潮各区的加水手动阀，整个控制仍然以人工为主，自动辅助进行。就复烤机而言，没有做真正意义闭环自动控制。复烤机操作方式上因人而异，各有不同，有流派之分一润入口有皮带秤进行流量方面初控；二润入口有皮带秤进行流量精控；一润、二润的控制以操作工为主、增湿蒸汽回路PID调控方面基本与天合一致，复烤机在冷房取样间采用一台原来在用的红外水分仪进行干燥结束水分测量，同时指导回潮前段控制，虽然水分仪使用时间较长，测量值并不准但可以告之操作工水分变化趋势，对回潮、干燥、冷却的操作指导作用较明显。保山在回潮第一区内还采用高压微雾增湿系统直接增湿的办法，局部调整湿度，设计将高压微雾受控于冷房红外水分仪，但是由于冷房红外水分仪测量值变化较大，高压微雾只是靠自带的湿度传感器信号进行增湿，且增湿量较小。除复烤机温度控制个别回路实现PID外，主要还是依赖人工进行调控。复烤机操作工个人的操作方式不尽相同。
3、在线水分检测大多数复烤车间采用MMA-4040微波水分仪进行复烤机出口在线水分检测。由于红外水分仪还受烟叶色泽影响，其检测直径约为6cm大小，基本上是以一个点的水分值代替整个物料水分，测量偶然性较大，波动较大，故测量值不能准确、全面反映出口实际水分变化。而微波水分仪的测量方式为穿透式，对输送带上烟叶进行整体水分检测，不受烟叶色泽、流量大小、等级变化的影响，精度高、稳定性好，应用于所有打叶配方物料的水分检测。
因此我们可以看出各家企业的生产过程控制在润叶段、复烤段基本还是在依赖有经验的操作工进行调控，控制方式上基本上没有实现自动控制，控制技术上讲仍旧是采用PID调节的单回路控制，由于PID控制的局限，水分过程无法实现自动控制，基本上处于人工控制状态。从前是以控好烟叶温度、水分、大片率、出叶率、造碎等工艺指标为考核依据，现在的客户还要对复烤企业在加工过程中烟叶的内在理化指标变化提出考核要求，并且越来越严、越来越细。配打的叶组配方呈多样化、配方采用的烟叶等级复杂、配打加工批次变化大的趋势；同时由于不同的操作工在操作时依照各自的经验进行操作，方式方法不尽相同，烟叶的内在理化指标也无法用科学、合理的方法进行控制。
因此就会导致烟叶加工质量低，工艺指标达不到，质量低，这样就影响到了整个企业的未来发展前景。
发明内容因此本发明目的是通过提出一种新型热风润叶机控制系统来克服和解决以上所存在的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一润水分过程控制的设计1.需要建立的模型对润叶过程实施多变量约束模型预测控制最主要的工作是建立对象的模型。这些模型包括(1)入口水分对出口水分的模型、(2)烟叶输送速度对出口水分的模型、(3)润叶桶的转速对出口水分的模型、(4)加水流量对出口水分的模型、(5)加湿蒸汽压力对出口水分的模型(新增压力变送器)(6)加热蒸汽压力对出口水分的模型(新增压力变送器)(7)入口水分仪数据处理模型(新增水分仪)(8)出口水分仪数据处理模型(9)联控关系模型(10)热风温度对出口水分的模型(11)循环风量对出口水分的模型(12)断料对出口水分影响模型(13)环境条件对出口水分影响模型
(14)开机进料加工参数模型(15)设备特征变化对出口水分影响模型2.控制算法控制算法及控制模型都放在新的控制器中。为克服润叶水分控制过程中存在的非线性和滞后，兼顾复烤生产过程流量不稳定的特性，同时使控制系统具有抗干扰能力强、能适应各种工况的变化，新系统应具有较好的自适应性和可扩展性，并可大大减少人工干预。
3.水分测量数据的处理润叶筒入口和出口水分等过程数据在测量的时候会出现噪声的干扰，严重影响控制系统的正常工作。我们拟采用卡尔曼滤波数值滤波方法来消除噪声的干扰，提高抗干扰的能力。
4.顺序控制逻辑润叶筒的顺序控制与电气联锁仍由原系统执行，新系统的控制动作服从原系统的逻辑联锁。考虑到生产过程复杂性，我们在润叶筒入口皮带机上新增一个光电开关，当在运行过程突然出现来料中断时，位于前端的光电开关发出断料信号，新系统将立即自动关闭入口加湿蒸汽管路上的电磁阀；在来料恢复之后，系统会自动打开电磁阀，由蒸汽管路上加湿蒸汽调节阀接管，继续水分闭环控制。
5.润叶出口水分控制程序主要包括以下功能模块润叶筒启动阶段出口水分预测控制；润叶筒润叶阶段出口水分闭环控制；润叶筒收尾阶段出口水分顺序控制；水分控制自学习。
6.除水分控制外，系统还含有以下闭环控制回路加湿蒸汽压力控制(可选)；
加热蒸汽压力控制(可选)；润叶筒转速控制；热风温度控制；出口烟叶温度控制。
一润水分控制的技术方案整个控制系统设计将有关数学模型、自学习模块和先进控制模块放在一台控制器上实现，一些原有的逻辑联锁模块仍放到原系统PLC中实现，新旧控制系统可实现无扰动切换，新控制系统的调试几乎不影响正常的生产运行。
在蒸汽阀后新增蒸汽压力检测点，构建压力控制内回路，分别与水分控制和风温控制一起形成串级控制(这种结构的好处是可以克服由蒸汽汽源压力波动造成的扰动)。当然，若能保证蒸汽管道的有足够的蒸汽压力，也可不用新增蒸汽压力检测装置。在条件允许的情况下，将入口水分和进料流量等作为前馈控制变量以克服这两种因素对出口水分造成的波动。
1.润叶启动阶段水分控制从润叶筒进料，到润叶筒出口水分仪检测到信号，这个过程大约需要1-2分钟左右的时间。在此阶段，由于没有反馈检测信号，水分控制回路实际处于开环控制。必须根据能量守恒定律计算需去除的水分和需要的热量，建立润叶加湿量和升温数学模型，进而确定加湿蒸汽压力和筒壁温度设定值曲线，实现润叶筒启动阶段出口水分的准确控制。
当然在实际运行中，为克服白噪声干扰，有关计算数据还须进行数字滤波和加权平均等处理。
在实际生产中，本升温过程还具有以下特性1)控制对象的动态特性是不断变化的，且无法精确地描述其变化规律；
2)整个系统存在各种扰动因素，而且有些扰动的变化规律无法预知；3)系统的工况条件会发生一定的变化。因此，还须通过自学习对有关升温数学模型不断进行校正，同时适当考虑烟叶品牌和环境的温、湿度等影响因素，使润叶启动阶段的出口水分控制更加精准，并可减少人工干预和不符合工艺要求的烟叶量(返料量)。
2.润叶阶段出口水分控制当润叶出口可以检测到水分值，并且该值达到一定范围时，整个润叶水分控制系统以出口水分为控制目标，加湿蒸汽调节阀的开度为调节手段，采用模型预测控制算法结合卡尔曼滤波进行闭环控制。由于在润叶筒入口和出口都布置了加湿蒸汽喷嘴，而这两个喷嘴对出口水分的调节作用是不同的出口喷嘴的调节作用比较明显、反应较快，便于控制；但从工艺角度看，入口加湿的润湿作用时间更长，更有利于提高烟叶的润透率。因此在控制策略的设计中，优先考虑采用入口蒸汽阀进行水分控制。为防止出现水渍烟，由操作人员根据经验设定入口加湿蒸汽阀的开度极限值。控制系统根据极限值，优先调整入口蒸汽阀的开度。在入口加湿蒸汽阀开度达到设定的极限值时，出口水分仍不能满足工艺要求，此时，出口加湿蒸汽阀才参与水分控制过程。来料流量的波动对出口水分的影响也是不可忽视的一个扰动因素。一般在润叶入口前设置电子皮带秤，结合皮带秤的重量和带速随时监视进料流量，并按该流量的变化调整加湿蒸汽。但实际上，操作工会根据人工摆把的情况调整振动槽的快慢，使进筒的烟叶流量保持在一定数值上，润叶筒内的烟叶存量一般不会在短时间内发生突然的变化。筒内烟叶存量累计变化引起的出口水分变化，完全可以由闭环控制得以解决。因此本方案没有坚持增设电子皮带秤。润叶筒的转速却直接影响烟叶在润叶筒内的停留时间，进而引起出口水分的变化，因此本系统以润筒转速作为水分控制的前馈变量之一。换言之，润筒转速变慢，加湿量减小。
由于采用MPC模型预测控制器，系统的控制结构简单，抗干扰性、抗非线性和抗滞后等方面大大加强，系统的适应性和快速性均可得到提高。预计出口水分的控制精度可达到设定值±0.5％。
3.润叶收尾阶段出口水分控制当新增的断料检测装置发现进料皮带上没有烟叶的时候，控制系统会自动判断润叶过程是否进入尾部阶段。为减少尾部过湿或过干烟叶的数量，主要采用加快尾部烟叶流速的方法，缩短烟叶在润叶筒中的停留时间。为此，采用多变量协调控制方式，自动控制加湿蒸汽阀、热风温度、润叶筒转速、热风流量等变量，以减少人工干预。
4.热风温度控制在原有系统热风温度控制回路的基础上，增加了蒸汽压力控制内回路以克服蒸汽管网压力波动的影响，提高了热风温度的控制质量。
5.润叶温度控制润叶温度是润叶工艺的又一项重要质量指标。目前尚未配置专用的检测仪表，无法直接测量筒内的烟叶温度，操作工根据出口处烟叶的颜色、手感以及热风温度去判断润叶温度是否合适，调节的手段是先循环风量再加热蒸汽。通过对原控制系统分析，发现已经由数学模型建立了一个虚拟的筒壁温度，并通过加热蒸汽控制筒壁温度。考虑到操作习惯，新系统仍利用原有的筒壁温度作为控制目标，以热风温度作为调节手段，采用MPC模型预测算法取代原有的PID算法，实现其闭环自动控制。而循环风量则根据经验值自动设定；以此实现对润叶温度的间接控制，预计润叶温度的波动范围将被控制在±3℃以内。
6.系统连接方案控制网烙上新增一个节点，选ABB的AC500系列PLC作为先进控制器，该PLC配置相应的模块，与原系统PLC通讯，并采集新增的入口水分仪、出口水分仪、出口烟叶温度、加湿蒸汽压力和加热蒸汽压力、断料检测光电开关等信号；一台工业PC作为实时数据库工作站，通过以太网与先进控制器PLC相连，该工作站装有iFIX监控软件，用于保存和查询历史数据，为本控制系统的效果评价提供数据，也作为今后配方打叶、内在理化指标的数据平台；一台HMI人机界面，通过串行通讯方式连接到先进控制器PLC，为现场人员提供操作平台，实时显示出口水分、出口温度的趋势曲；原系统操作界面上新增一个系统切换按钮“MPC”，由操作人员决定何时切入润叶新型水分先进控制；先进控制器所有输出信号通过原系统的现场控制总线传送给原系统PLC，现场执行器仍连接在原有PLC上。对原PLC组态做少量修改，使得这些输出信号能根据“MPC”按钮的状态，受控于新系统或老系统；原PLC采集的相关测信号经原系统的现场控制总线传递给新系统PLC；新旧系统之间建立相互跟踪机制，可在需要时，确保系统双向的无扰动切换，保证生产的顺利进行。
图1是系统网络连接示意图，其中(1)工作站PC(2)新增水分控制器(3)现场操作站(4)现场控制总线(5)原系统控制器(6)现场执行机构(7)分布式L/O模块(8)分布式L/O模块。
具体实施1.增添所需的设备控制器PLC，现场人机界面，监控PC，总线电缆及接插件，电气柜，光电传感器，环境温湿度传感器。
2.硬件安装定制电气柜，柜内装有先进控制器、人机操作界面、先进控制站。安装在一润设备附近合适的地点。
在2个加湿蒸汽阀和1个加热蒸汽阀后部加装压力变送器。
在润叶机入口处加装在线式水分仪。
在润叶机入口前安装断料检测光电传感器。
在润叶机出口处安装精度较高的微波水分仪。
上述设备的供电及信号电缆全部接入新增电气柜。
电气柜附近安装环境温湿度传感器在原系统控制柜与新增电气柜之间敷设总线电缆。
3.软件编程建立所需的各个模型预测控制算法；共计15个编写水分先进控制器程序和新、老系统接口程序；编写人机界面程序；监控系统开发；组态相关变量；先进工作站软件组态及通讯连接；建立过程控制参数数据库(提供未来的内在理化指标研究基础数据)对进行新系统仿真试验测试；4.现场调试新系统现场安装完毕后，通电调试；请原控制系统承包商配合建立新老系统之间通讯及数据交换准备；系统内部及新老系统之间的通讯调试；在原系统控制状态下，用新系统记录原系统的控制情况，
在不影响原系统工作的前提下，进行所有数学模型的调试；在润叶设备正常情况下，切入新系统控制，调整各控制器参数。
权利要求
1.一种用于烟厂复烤车间润叶机的控制系统其特征是(1)增添所需的设备控制器PLC，现场人机界面，监控PC，总线电缆及接插件，电气柜，光电传感器，环境温湿度传感器；(2)硬件安装定制电气柜，柜内装有先进控制器、人机操作界面、先进控制站；安装在一润设备附近合适的地点；在2个加湿蒸汽阀和1个加热蒸汽阀后部加装压力变送器；在润叶机入口处加装在线式水分仪；在润叶机入口前安装断料检测光电传感器；在润叶机出口处安装精度较高的微波水分仪；上述设备的供电及信号电缆全部接入新增电气柜；电气柜附近安装环境温湿度传感器；在原系统控制柜与新增电气柜之间敷设总线电缆。
2.根据权利要求
1所述的润叶机的控制系统，其特征是进行软件编程建立所需的各个模型预测控制算法；共计15个编写水分先进控制器程序和新、老系统接口程序；编写人机界面程序；监控系统开发；组态相关变量；先进工作站软件组态及通讯连接；建立过程控制参数数据库(提供未来的内在理化指标研究基础数据)对进行新系统仿真试验测试。
3.根据权利要求
1所述的生产设备进行现场调试新系统现场安装完毕后，通电调试；请原控制系统承包商配合建立新老系统之间通讯及数据交换准备；系统内部及新老系统之间的通讯调试；在原系统控制状态下，用新系统记录原系统的控制情况，在不影响原系统工作的前提下，进行所有数学模型的调试；在润叶设备正常情况下，切入新系统控制，调整各控制器参数。
专利摘要
一种用于卷烟厂复烤生产线上的润叶控制系统，使烟叶的内在理化指标也用科学、合理的方法进行控制来实现自动化控制，代替了人工控制的一种新型的控制系统。
文档编号G05B19/418GK1994156SQ200610163804
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月13日
发明者常东 申请人:常东导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan