膨胀烟丝加工过程的模糊PID控制系统

肖荣和，吴玉生，舒强，廖文良，孔庆霖，雷国伟*

1.厦门烟草工业有限责任公司（厦门 361022）；2.集美大学理学院（厦门 361021）

卷烟生产包括制丝、卷接、包装等几个流程。其中，制丝工序是卷烟生产过程中的一个关键工序，在制丝过程中，需要对烟丝进行加湿、加温及干燥处理，这种温度、湿度等不断变换的过程，会使得烟草中的成分发生变化[1-3]。因此，如何优化膨胀烟丝的加工过程，将直接影响烟丝的品质。燃烧炉是膨胀烟丝的关键设备，除了满足干冰烟丝连续膨胀的工艺热能要求，还能焚烧掉工艺气体中的有机物，减少排放气体中有害物质排放到环境中。经过液态二氧化碳浸渍的干冰烟丝被送入升华器，在升华管中与空气、二氧化碳、蒸汽接触并被充分加热，随着干冰急剧升华，水分急剧蒸发，烟丝得以充分膨胀。因此，燃烧炉作为工艺气体的加温设备，一旦出现熄火或不稳定因素，就会造成燃烧炉工作状况和燃烧稳定性差，难以满足生产和工艺的要求，烟丝的质量就会受到影响[4-5]。

除了燃烧炉是膨胀烟丝的关键设备外，升华器对膨胀烟丝的作用也非常重要。干冰烟丝的升华，可以促使烟丝膨胀[6]。一般来说，升华管道系统装有3个电动风门，用以调整气体流速、压力和温度。不过，一旦压力检测出现故障，负压波动变大，风门调节受影响，势必造成系统停机[7]。现在卷烟机吸风室的负压，基本上都是采用集中供给形式。虽然提高负压，有助于空头烟的减少，但不能一味提高负压，否则将大幅度增加电力的消耗和真空设备的维保难度[8]。因此，针对负压的检测和处理就变得尤为重要[9]。

在工业控制领域，针对锅炉的负压控制并不少见，但是在烟草烟丝加工中，一般采用人工观察和经验操作，无论从时间效率或控制精度上，都存在改进的空间。为此，试验首先针对燃烧炉进行故障分析，然后提出改进措施，最后采用模糊PID控制的方法，对升华系统中容易出现的负压波动快速、精准地调节。

1 故障分析与改进

1.1 故障分析

燃油燃烧炉燃烧过程中，0#柴油是可燃物，压缩空气是助燃物，起始燃烧温度由引燃火提供。0#柴油与压缩空气在喷枪内部混合后形成油气混合物，从喷油枪前端喷出后进行燃烧。燃烧炉正常燃烧时的油压与气压之间要存在0.1 MPa左右的压差，也就是说要通过差压式调节阀BV8调整油气的燃烧混合比。但是通过现场观察发现，燃烧炉燃烧时，油压在0.70～0.64 MPa之间变化，而气压没有发生变化，始终为0.6 MPa，即差压式调节阀没有起到调节作用。根据管道内流体流量方程，对于管道内的柴油，忽略压力损失，可视为层流流动，柴油流量按式（1）计算。

式中：q为柴油流量，m4/s；μ为柴油的黏度，N·s/m2；d为管道直径，m；ΔPλ为管端压降，MPa。

由式（1）可知，柴油压力发生变化，即管端的压降ΔPλ发生变化时，流量也发生线性变化，而压缩空气压力不变，流量不变，导致柴油和压缩空气的配比发生变化。在燃烧炉开始动作时，由于工艺气体温度较低，控制系统处于饱和状态，燃油控制阀开到最大（ΔPλ=0.7 MPa），这种情况下压缩空气的压力为0.6 MPa，还可以与油压配合，但随着温度的上升，油压渐渐下降；随着ΔPλ的下降，柴油流量q也下降。而压缩空气流量没有任何改变，导致了油气混合配比发生变化，火焰就会悬浮起来，最终导致熄火。对设备运行状态和故障停机现象进行观察，发现两个问题：

一是燃烧炉的炉头温度设定为700 ℃，生产过程中联动风门开度在36%±1%。这说明升华后的工艺气体温度较高，只有36%的工艺气体经过换热升温，燃油燃烧后的热能利用率低。二是燃烧炉的炉头温度设定值为600 ℃，生产中的联动风门开度可以提升至55%，提高热能利用率，降低油耗，但在过程中容易出现熄火现象。

产生这两个问题的主要诱因是升华管内负压波动大。要解决该问题，就必须改善废气风门执行器控制的精度，调节风门开度的步进刻度值；优化控制执行器的PID参数，使之达到最佳的调节参数。

1.2 改进措施

1.2.1 升华系统参数的改进

连续一个月对燃烧炉炉头温度设定值进行调整优化，炉温设定值与柴油消耗的关系见图1。当炉头温度降至620 ℃之后，油耗下降较慢，当炉头温度降至600 ℃时，虽然油耗有所下降，但容易出现熄火情况，故炉头温度设定为620 ℃。

图1 燃烧炉炉头温度设定值与油耗的对应关系

1.2.2 废气风门参数优化

废弃风门执行器的结构如图2所示。废气风门执行器上有摆臂式齿轮箱，其摆臂的长度可以调节，将球型铰链位置安装于最内侧的铰链孔，使得执行器输出步进刻度减小，从而提高负压调节精度。

图2 废气风门执行器示意图

另外，通过废气风门执行器PID参数进行优化调整，提升执行器的响应速度。此次研究采用模糊PID控制进行参数调制，如图3所示。

图3 模糊PID控制参数调整模型

PID模糊控制的首要任务，是找出P，I和D三个参数与误差e和误差变化δe之间的模糊关系，并在运行中不断检测e和误差变化率δe[10]。考虑KP、KI、KD之间的关系，输入变量选择e和δe，模糊语言变量取值{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}这7个值，输出变量选择ΔKP、ΔKI、ΔKD，模糊语言变量也同样选择7个值。模糊规则见表1～表3。

表1 ΔKP模糊规则表

表2 ΔKI模糊规则表

表3 ΔKD模糊规则表

由模糊规则表1～表3，对KP、KI、KD进行调整，选择合适的模糊规则方法后，模糊PID参数按式（2）计算。

通过模糊规则表1～表3，对KP、KI、KD进行调整后，得到优化曲线图，如图4所示。观察工艺气负压值曲线，单位时间内工艺气波动较大。需要降低PID控制器的P值，但是当前的P值为0.01，达到参数设定的下限值，无法继续调整。继续观察发现曲线波动周期较长，需要增加I值。经过观察，工艺气负压曲线趋于平稳，参数调整结果为最优。此时如表4所示，P为0.01，I为15，D为3。

图4 KP，KI，KD优化曲线图

表4 优化前后的PID参数值

2 试验结果与讨论

2.1 燃烧炉熄火故障停机次数对比

对升华系统和废气风门进行改进后，得到2020年7月至2020年12月的膨胀线设备运行故障情况统计表。从表5可看出，优化改进后燃烧炉熄火故障次数从7次降至1次，大幅降低了燃烧炉的熄火次数，保证了设备稳定运行，减小了燃烧炉对产品质量的影响。

表5 改进前后膨胀线设备故障停机次数统计对比

2.2 燃烧炉的油耗对比

对升华系统和废气风门进行改进后，得到2020年5月至2020年10月的膨胀线燃油消耗情况表。从表6可看出，改进前燃烧炉平均油耗792.03 L/104kg烟丝，改进后燃烧炉平均油耗690.34 L/104kg烟丝，节约油耗101.69 L/104kg烟丝，下降12.84%。

表6 改进前后膨胀线燃烧炉油耗统计数据对比

2.3 负压波动情况

改进前，工艺气体风速设定为34 m/s，负压设定为1 200 Pa，标准偏差为137 Pa，波动较大，波动率达11.42%，影响工艺气体的稳定性，物料在升华管道内停留时间的波动，最终导致膨胀后出口水分的稳定性较差。改进后，波动明显减小，负压标偏均值降到了56.2 Pa，波动率由11.42%降至4.68%。

表7 升华管内负压标偏统计数据对比

3 结论

通过对燃烧炉的燃油管路分析，找出燃烧炉生产过程熄火的问题，主要是因为升华管内负压波动大。要解决该问题，就必须改善废气风门执行器控制的精度，调节风门开度的步进刻度值，优化模糊PID控制系统参数。通过废气风门执行器连杆调整和PID参数的优化，提升了负压稳定性，确保了烟丝在升华管内的加工时间稳定，降低了升华后的水分波动，波动率由11.42%降至4.68%，工艺热风的稳定性显著提升引起出口烟丝含水率的提升。燃烧炉在油耗降低的同时，大幅降低了燃烧炉熄火故障次数，优化后燃烧炉熄火故障次数从7次降至1次，近8个月来已杜绝了燃烧炉熄火情况的发生。