基于PID温度分级控制方法的设计及应用

李文好

基于PID温度分级控制方法的设计及应用

李文好

（广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西 柳州 545006）

隧道式烘丝机是用于烟（梗）丝干燥加工的设备之一，温度是其中最重要的控制参数，改进前温度PID控制模式一直沿用出厂设置，这种模式的特点是可靠、稳定，但原料消耗偏高，不符合企业降本增效目标。针对这个问题，文章基于卷烟烟丝干燥环节温度控制模式进行的应用研究，提出温度控制应分级实现，即设置一个阈值，在阈值左右侧依次设置独立的PID参数，在小于阈值时使用0代码参数，在大于等于阈值时使用1代码参数，具体的参数通过现场大量实验数据确定，通过温度控制分级管理，减少了原料消耗，达到了降本的目标。

PID；烟丝干燥；热风温度；阈值；分级

引言

膨胀干燥是卷烟生产制造非常关键的环节，对叶（梗）丝的感官质量的改进及相应物理指标的提升具有重要作用[1]。综合来看，叶（梗）丝膨胀干燥主要通过温度、压力等外界因素，使叶（梗）丝内部发生物理、化学变化，从而达到或接近工艺标准的半加工卷烟产品。

目前，卷烟工厂叶（梗）丝干燥设备有隧道式烘丝机、气流式烘丝机，主要依靠蒸汽热风温度来对物料进行干燥。以本企业为例SH86隧道式烘丝机为例，设备经过预热，一、二区达到固定温度后（一区为150±5℃、二区为140±5℃）后自动完成，当整线联动物料进入设备后，PID控制器通过控制系统控制气动薄膜阀开度使温度保持稳定，当出口水分有异常（偏高或偏低）时，优先调整一区温度进行水分控制，如果一区温度控制不下则系统自动启动二区温度控制[2]，其中，温度控制系统由蒸汽管路、温度传感器、变频PLC及其他附件设施组成，执行PID控制器发出的指令调控蒸汽热风温度。目前，行业关于隧道式烘丝机的研究主要涉及温度和风量两项干燥条件，其中李晓刚等[3,4]对PID温度控制模式进行了探索，很有借鉴意义。

1 隧道式烘丝机存在的问题

SH86隧道式烘丝机自投入使用以来，温度控制模式一直沿用出厂设置，原有的PID参数在从生产开始到结束使用用一套相同的参数，但随着工艺加工、提质降耗要求的提高，这种控制模式已不能完全适应新要求。比如，在梗丝干燥过程中，目前针对梗丝干头量（指梗丝水分小于8%）虽然没有硬性工艺考核标准，但梗丝干头量多，一方面不符合企业降耗的要求，另外一方面梗丝含水率对梗丝的各项物料指标和综合质量均有很大关系，梗丝水分偏干不利于成品烟丝结构、填充性能以及叶丝、梗丝、膨胀丝掺兑的均匀性[1]。通过查阅生产制造系统，从系统调取多批次物料料头蒸汽热风温度情况（过料15分钟内温度曲线图），以某牌号物料为例，蒸汽热风温度如图1所示。

图1　某批次料头温度曲线图

从图1中可以发现，蒸汽热风温度在一定范围内上下波动，温度从波谷到波峰用时15秒～30秒，也就是说温度能在短时间达到目标值，但出现超调现象，导致偏差明显，可基本控制在目标范围内，但偏差较大，容易产生波动。

从图1对温度控制情况进行分析，成因总结归纳为表1。

表1　优化前PID控制特点

2　解决方案

2.1　PID控制系统原理

一般来说，PID控制器由三个单元组成实施，依次为比例、积分、微分，控制原理是将三个单元通过线性或非线性组合构成控制模态，相应作用如表2所示[5]。

表2　PID控制单元的相应作用

2.2　PID参数优化总体思路

基于PID参数的控制参数分析，要实现对温度的精细化控制，必须对PID参数进行优化。前提是温度控制要以服务工艺质量为目标，温度控制和工艺参数指标呈正相关性。以本企业为例，对烟丝干燥过程来说，以烟丝含水率8%为阈值，当烟丝水分小于8%时，要避免温度过冲大，避免料头偏干，影响烟丝整体感观质量，当烟丝水分大于8%时，也要防止加温达不到目标值，导致物料水平“冒泡”偏湿，产生质量隐患。

考虑到PID控制是一种模糊中的精确控制方法，并非简单的线性关系，因此在参数优化过程中，目标是通过筛选最佳参数区间来确定最优参数值，通过实际观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节直到、、最优参数。

需要注意的是，为进一步提高工作效率，更快找到合理的最优参数值，可以参考出厂参数设置，结合日常参数控制实际情况，先设置一个大的参数区间，在区间内进行细调。

2.3　比例调节（P值）

代表比例系数，一般情况下呈线性关系，有较强的确定性，与温度控制呈很强的正相关性，因此，参数调节先从入手。

根据控制原理，按照0.5、1、1.5顺序进行调整，值越大，温度变化越大；值越小，变化越小，但值过小会导致温升响应不够及时，所以将P暂定设置为0.8≤≤1.2。

2.4　积分调节（I值）

为了确保现场整定实验的延续性、准确性，在确定值的区间后，接下来对、的实验，用一个固定的值。

根据I控制原理，按照1、4、7 顺序进行了调整。合理的值（1.5≤≤3）参数可以将温度波动周期延长，波动曲线较调整前更平缓，如图2所示。

图2　参数P、I调整后叠加温度曲线图

2.5　微分调节（D值）

同理，在确定、值的区间后，接下来对的实验，用固定的、值。

根据控制原理，按照3、6、9 顺序进行了调整。调整后的图形显示，D 值主要起提前预判作用，避免产生规律性的波动，从而提高过程稳定性，合理的值（3≤≤6）参数使温度波动曲线较平缓，避免出现频繁波动现象，如图3所示。

图3　参数P、I、D三要素调整后叠加温度曲线图

进一步，对优化后的控制特点进行了分析和归纳，如表3所示。

表3　优化后PID控制特点

2.6　PID分级控制

根据料头和过程控制的控制特点，分别以水分8%为临界点建立两套代码为0和1的PID值，当设备出口水分小于8%时，以代码0程序实施调控（具体流程见图4），该程序的特点是适当降低温度控制的灵敏度，避免温度响应过快，当设备出口水分大于8%时，以代码1程序实施调控，该程序的特点是缩短温度加热迟滞时间，温度能较快达到目标值，避免物料水分上升速度过快，即避免水分过冲大上下来回波动，促进物料水分稳定达到目标值（12±0.5）并保持连续、均匀、稳定、受控的状态。

当然，上述控制关系是建立在整线受控的基础上的，若当日设备、物料等生产要素发生重大变更，已不满足自动分级控制条件时，这时候就需要进行档位切换，进行手动干涉，待物料水分回归正常后再进行切换，依次循环。

图4　PID分级控制流程图

2.6　PID确定及效果验证

综合、、三个实验结果，基本确定了各个区间值，按照分级、分类管理的原则，进行分类别确认，具体数值如表4所示。

表4　优化前后PID数值对比

PID优化后，对每日生产数据进行分析，含水率小于8%梗丝基本控制在12 kg内，同比减少了5 kg以上（如图5），按照成品烟丝市场价35元/kg、工作日250天/年计算，年度降本超过4万元，基本形成了一套解决料头偏干问题的机制。

同时，为了跟踪过程物料水分控制情况，调取了多批次物料过程控制水分曲线图（如图6所示），过程控制的均匀性、稳定性进一步加强，进一步缩小了产品批次间质量的差异性，产品同质化、优质化同比增强，产品外观柔软，不扎手，质量评价均处于优秀层级，烟支重量误差控制在0.1%内，吸阻控制能力为优良。

图5 优化后物料料头水分控制图

图6 优化后物料过程控制水分控制图

3　结束语

通过实施基于PID温度分级控制方法的设计及应用，叶（梗）丝膨胀干燥工艺质量保证水平不断提高，线上控制水平实现了持续改进，产品质量高于标准要求，工序CPK（过程控制能力指数）达到1.33以上，实现了连续、均匀、稳定的受控状态。

基于PID温度分级控制方法的设计及应用，转变了企业质量管理思路，不唯书、不唯标准、精益求精成为企业新的质量管理理念，并以此倒逼企业质量管理升级，企业质量管理目标更加明确、清晰，员工追求创新、卓越成为岗位基本工作需求，企业质量管理体系向高效化迈进。

[1]国家烟草专卖局. 卷烟工艺规范[M]. 北京: 中央文献出版社，2003.

[2]秦皇岛烟草机械有限责任公司. SH86隧道式梗丝干燥机说明书[Z]. 秦皇岛: 秦皇岛烟草机械有限责任公司，2003.

[3]戴滔. 模糊-PID控制在梗丝流化床中的应用[J]. 烟草科技，2008(8): 24-28.

[4]李晓刚，詹建胜，张伟，等. FBD双回路控制系统的设计应用[J]. 烟草科技，2009(3): 22-25.

[5]曾光奇，胡均安，王东. 模糊控制理论与工程应用[M]. 武汉: 华中科技大学出版社，2006.

Design and Application of Temperature Hierarchical Control Method Based on PID

Tunnel dryer is one of the equipment used for tobacco (stem) drying and processing. Temperature is the most important control parameter. Before improvement, the temperature PID control mode has been set in the factory. This mode is characterized by reliability and stability, but the raw material consumption is high, which is not in line with the goal of reducing cost and increasing efficiency. To solve this problem, based on the application research of the temperature control mode of cut tobacco drying link, this paper puts forward that the temperature control should be realized in grades, that is, set a threshold, set independent PID parameters on the left and right sides of the threshold in turn, use 0 code parameters when it is less than the threshold, and use 1 code parameters when it is greater than or equal to the threshold. The specific parameters are determined by a large number of on-site experimental data and managed in grades through temperature control, the consumption of raw materials is reduced and the goal of cost reduction is achieved.

PID; tobacco drying; hot air temperature; threshold; classification

TS4

A

1008-1151(2022)04-0036-03

2022-01-28

李文好，男，广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂安全工程师，经济师，研究方向为安全生产管理。