基于自适应控制的本地风选器风量自动调节系统研究

尉泽民，吴波，张朋，张建超，吕龙

（山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，山东 济南 250114）

烟丝生产过程中的本地风选器可以将丝团打开，长丝打短，烟沫分离，有效地柔性分离出叶丝中的结团物（丝团、水洗球等）、焦片及大部分梗签，能够提高叶丝的纯净度和混丝均匀性，为提高烟支的卷制质量创造条件。本地柔性风选器在烟草行业多个工艺段得到了广泛的应用,但在制丝过程烘丝后的实际使用效果上褒贬不一。本地风选器安装好后，厂家技术人员根据经验对设备进行简单调试，设备的状态一般就固定下来。在日常生产中，操作工为了控制梗签及其它杂物的剔除量，需要通过调整风管上的风门开度来控制风选风量。由于风门开度每批次都可能不一样，无法对风门开度大小制定统一的标准，调节到最佳状态有一定难度。针对本地风选器风管风门开度调节存在的问题，郭永等提出了一种叶丝多级风选系统，在一级风选器后增加二级风选器对来料叶丝进行精选，有效的将叶丝中的梗签等杂物分离出来，提高剔梗签的效率，但受设备安装场地限制我厂还无法使用二级风选器。针对上述存在的现状，提出了一种本地风选器风量自适应控制的改进思路。通过研究烟丝流量、烟丝水分、除尘布袋通风能力等因素和风筒风量与变频器频率等各要素之间的关系，设计了本地风选器风量自适应控制系统。

1 存在的问题

济南卷烟厂6000kg/h生产线生产的烟丝品牌有10余种，多个品牌之间工艺参数如烟丝流量、烟丝水分差别很大，生产过程中本地风选器风管上的风门开度需要根据烟丝流量、烟丝水分和除尘布袋通风能力等因素的变化按批次频繁调节来保证梗签和其它杂物的剔除量。操作工通常会将风门开度调节的尽可能大一些，以防止烟丝在此堵塞而造成更大的麻烦。这往往会导致梗签及其它杂物的剔除量往往不尽人意，风选器的性能得不到最大限度的发挥，在细支烟卷制过程中出现了梗签穿透卷烟纸等问题，因此设计一套本地风选器风量自适应控制系统迫在眉睫。

2 改进方法

为了解决存在的问题，针对本地风选器的主要问题进行分析讨论，设定了以下两点设计目标：（1）本地风选器能够根据烟丝流量、烟丝水分、除尘布袋通风能力等因素变化自动调节风机风量，稳定地剔除梗签及其他杂物，实现就地风选设备自动化、精细化控制功能；（2）能够对风管风压、风机设定频率和风机运行频率等设备参数实现在线实时监控。

2.1 系统组成

采用基于自适应机制的风量调节控制算法对风选器的控制系统进行改进。改进后的本地风选器控制系统由以下五部分组成：控制部分、网络通信部分、过程监控部分、测量部分、执行机构。根据设计要求，该控制系统的控制模型如图1所示。

图1 本地风选器自适应风量调节控制算法框图

该控制系统中烟丝水分值及烟丝流量值经水分仪及电子皮带秤采集后，上传到PLC中，数据在PLC中经过处理计算，得出运行频率值，下发到变频器中实现变频调速，而光电检测传感器时刻对物料运行情况进行检测，反馈至PLC控制器。

2.2 系统设计

2.2.1 构建数学模型

2.2.1.1 变频器频率数学模型

图3

在变频器频率值计算中，需要根据一定的数学模型来确定计算结果，因此需要构建合适的数学模型。为了分析烟丝流量、出口温度、烟丝水分、变频器频率对杂物剔除率是否有显著性影响，设计了部分因子试验，进行关键因子筛选，选取了烟丝流量、出口温度、烟丝水分、变频器频率的低水平和高水平如表1所示。

表1 因子水平设置

依据上述因子水平设计了1/2部分试验，增加3次中心点试验， 利用MINITAB软件对试验结果进行分析，考虑所有主效应和二阶交互效应，分析结果如图2a）、b）。

图2

根据模型拟合结果，烟丝流量★出口温度、烟丝流量★烟丝水分、烟丝流量★变频器频率的交互作用的影响不显著，烟丝水分★变频器频率与烟丝流量★出口温度混杂，出口温度★变频器与烟丝流量★烟丝水分混杂，出口温度★烟丝水分与烟丝流量★烟丝水分混杂，说明这些交互作用均不显著，主效应出口温度的影响也不显著，应去除不显著项后重新拟合。逐步去除烟丝流量★出口温度、烟丝流量★烟丝水分、烟丝流量★变频器频率、出口温度项后，重新利用MINITAB进行拟合分析，最后结果如图3a）、b）所示。

通过分析可以判定烟丝流量、烟丝水分、变频器频率对剔除率影响显著，而出口温度对剔除率的影响不显著。通过对得到的实验数据进行多元回归分析，分析结果如图4所示。

得到剔除率的回归方程：

图4 剔除率主效应图

式中，f为剔除率；x为烟丝流量；y为烟丝水分；z为变频器频率。

由于在一定范围内,落丝量和剔除率成正相关关系，经实验验证,当落丝量大于5%易造成堵料,此时剔除率为最大值为45，此时变频器频率的数学模型为：

式中，x为烟丝流量；y为烟丝水分；z为变频器频率。

在实际生产过程中，烟丝流量是固定值，烟丝水分是微调值，因此将变频器频率解分为基本频率和调节频率。基本频率的计算以烟丝流量作为依据，调节频率由HXD出口水分仪计算出来。通过实验发现风机变频器频率不能低于32Hz，否则容易造成堵料，由于我国供电标准的限制，最大为50Hz，根据回归分析得到的回归方程，并通过进一步试验优化，确定变频器频率的数学模型为：

式中，z1为基本频率。

式中，z2为调节频率。

2.2.1.2 负压补偿值数学模型

通过实时检测风筒负压值，负压值传送到PLC控制器后需要对传入的数据进行处理，以便于后续使用，在风筒负压值的采集过程中，负压值会发生突变，因此需要对采集到的负压值进行均值计算后再进行频率值计算，在得到稳定的负压数据之后根据负压补偿计算公式：

式中，u为负压补偿值；v为负压平均值。

2.2.2 监控界面设计

为了能够对风管风压、风机设定频率和风机运行频率等设备参数实现在线实时监控，进行了监控界面的设计，由于控制系统可以实现自动控制，所以基本无需人工操作，但是为防止意外情况的发生，在系统中增加两处人工操作，一是可以对基础频率进行修改，二是在紧急情况下可以实现强制50Hz运行。在保存原有水分、流量、堵料检测等运行监控数据的基础上，增加生丝秤及主秤累积量显示功能。为显示各部分频率值的计算过程，增加基础频率计算、堵料提速、水分提速等功能，同时屏蔽设定频率的输入功能，只做最后频率值显示使用，本地风选器风量自动调节系统的监控界面如图5。

图5 本地风选器风量自动调节系统

3 效果验证

系统设计完成，经过一段时间的运行之后，对整个系统的性能进行了测试，本系统的主要目标是提高六千风选器的运行效率，提高梗签剔除率。如图6纯净度的箱线图所示，可以明显的看出系统运行之后，梗签剔除率有明显的上升，基本稳定在0.05%左右，达到了很好的剔除效果。同时通过质检人员对系统投入运行后的产品质量检验发现，在该系统投入使用之后，烟丝部分质量指标又有了一定的提升，特别是烟丝的整丝率、纯净度和碎丝率，都有不同程度的提高或降低，提高了叶丝风选后的质量。

图6 纯净度箱线图

4 结语

通过设计本地风选器风量自适应控制系统，实现了就地风选设备自动化、精细化控制功能，能对不同种类和不同流量的烟丝实现风量自动调节；实现了风管风压、风机设定频率和风机运行频率等设备参数的在线实时监控；最大限度的发挥就地风选设备的梗签和其它杂物的剔除能力，对提高烟丝的纯净度、稳定产品质量、减轻卷接除杂设备的压力和增加企业效益具有积极意义。