硅谷杂志：CEVJ薄板烘丝机控制模式应用分析 |
| 2012-12-17 08:43 作者：王昭焜 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，进入二十一世纪以后，在烟草行业中广泛使用滚筒式薄板烘丝机的发展也越来越快，其中由意大利COMAS公司制造的CEVJ型薄板烘丝机在保留过去优点的基础上，同时在自动控制系统方面有许多突破和优化，其先进的设计理念和细腻的自动控制模型系统以及多种控制状态的自动切换变化，较好地实现各种品质烟丝产品的烘丝工艺要求。经由其加工的烟丝能够达到适合生产工艺要求的填充值、感官质量以及水分要求，并拥有较好的稳定性，同时香气透发，减少杂气。
关键词：薄板烘丝机；自动控制系统；PID；生产状态
滚筒式薄板烘丝机在在烟草行业中的应用已经有多年的历史，其主要通过滚筒旋导热为主，热风导入为辅的烘丝方式在制丝生产线中得到广泛的使用。其为制丝生产线关键工艺设备，主要用于将加温加湿后的烟丝进行快速烘干，使烟丝含水率降至12%~14%，并使叶丝得到膨胀和卷曲，提高烟丝的填充能力。经过薄板烘丝机加工的烟丝具有良好的填充值和卷曲度，同时香气也能得到较好的保留，同时烟丝经过滚筒的旋转匀拌，也能使烟丝中不同的物料更加均匀，品味及感官效果更加一致。但是随着烟草加工技术的迅猛发展，传统的较粗放加工控制已经逐渐显露出弊端，另一方面，工艺质量上也对设备提出了越来越苛刻的要求。COMAS公司设计的CEVJ薄板烘丝机在传统烘丝机的基础上进行了创新设计，具备顺流模式、逆流模式和料头、料尾等各种状态动能，满足了不同产品加工特性的要求，解决了料头料尾质量缺陷的问题。这几种模式，状态的实现和切换都是通过自动控制来实现的。
1工作原理简介
CEVJ型烘丝机烘干烟丝的原理主要来自3部分，一部分是烟丝与筒壁温度接触的翻炒，一部分是滚筒将烟丝扬起来与热风悬浮接触脱水，还一部分是排潮系统，通过这三部分的共同作用来达到烘干的目的。此外CEVJ型烘丝机还设有很多辅助装置，如电动滚筒倾角调节、气动滚筒皮带自动张紧装置、气动滚筒顶升装置、排潮气尾气加热等。
在控制方式方面，CEVJ薄板烘丝机有许多创新，在基本功能实现的前提下，同时还设有很多辅助装置，如电动滚筒倾角调节、气动滚筒皮带自动张紧装置、气动滚筒顶升装置、排潮气尾气加热等，其结构原理如下图：
图1CEVJ型烘丝机结构图
W：4BAR的空压气Y：喷吹空压气3A：顺流风门打开逆流烘网排潮风门关闭3B：顺流风门关闭逆流烘网排潮风门打开4A：热风新风风门打开4B：热风新风风门关闭8：进料端喷吹排潮网21：热风温度调节风门22：排潮加热温度调节风门23：逆流模式热风调节风门24：顺流模式排潮调节风门25：逆流模式排潮调节风门M1：滚筒电机M2：热风机B1：热风温度检测B2：出口负压检测B3：排潮温度检测S1：筒壁蒸汽进口C1：筒壁冷凝水出口S2：热风热交换器蒸汽进口C2：热风热交换器冷凝水出口S3：排潮加热热交换器蒸汽进口C3：排潮加热热交换器冷凝水出口
CEVJ型烘丝机主要由滚筒、热风机系统、排潮系统等组成。其中滚筒为带夹层加热蒸汽俗称筒壁加热，并且在滚筒的入料端有一段排潮网，用于逆流排潮。热风系统由热风机M2、新风风门4A4B、热交换器S2、温度调节风门21、逆流调节风门23和顺流逆流模式切换风门3A3B组成。排潮系统由热交换器S3、排潮加热温度调节风门22、顺流排潮调节风门24、逆流排潮调节风门25组成。CEVJ薄板烘丝机也设计有顺流和逆流两种模式，以满足不同品质烟丝加工的需求，同时也设计了料头和料尾状态功能控制，解决了该状态的质量缺陷问题。
2顺流模式控制分析
在顺流模式下，热风从新风口吸风进来，经过热风机，由温度调节风门21调节温度，经过逆流调节风门23（顺流时完全打开）到达3A3B风门，从进料端吹入烘丝机，即顺流模式（热风和物料同方向）；排潮从出料端经过转网清扫，排潮调节风门24调节出口罩负压（逆流排潮调节风门25关闭），到达排潮总管，同时排潮加热系统加热一部分热空气与排潮气混合，防止排潮气冷凝堵塞除尘系统。其中转网清扫由两个电磁阀控制，一个控制喷嘴转动，一个控制喷吹压缩空气，在生产过程中始终间歇的在工作，防止排潮颗粒堵塞排潮网。滚筒通入夹层蒸汽加热筒壁，根据出口水分实时调节。控制系统设置了4个PID分别如下：
1）热风温度：由热风机M2、热交换器S1和温度调节风门21组成。热风机由变频器驱动，负责将工艺气循环起来；热交换器用于加热热风；温度调节风门负责对温度的调节。目的是产生恒温的热风，当温度低于设定值时，热风风门开大，让更多的气流经过热交换器S2加热，以提高温度，当温度高于设定值时，热风风门关小，让更多的气流直接旁路不经过热交换器和热风混合，以降低热风温度。控制模型如下图：
图2CEVJ型烘丝机热风温度控制图
2）筒壁压力：由蒸汽流量计B4、气动调节阀Y1和蒸汽压力传感器B5组成。
图3CEVJ型烘丝机蒸汽管路图
在预热筒壁增压时，蒸汽按设定的流量通入滚筒，此时系统做PID运算，由蒸汽流量计B4实时检测流量，调节阀Y1按设定的流量调节蒸汽阀开度。增压结束后，调节阀受控于蒸汽压力传感器B5，按筒壁压力给定的SP值做PID运算。其中筒壁压力的给定值来自两部分，一部分是生产参数设定的筒壁蒸汽压力，另一部分是出口水分调节的筒壁压力增量值。生产时的控制模型如下：
图4CEVJ型烘丝机顺流模式筒壁压力控制图
3）出口罩负压：主要由顺流排潮调节风门24和出口罩负压传感器B2组成。CEVJ型烘丝机采用恒压排潮，保证出料罩处微弱的负压，防止工艺气外冒，同时将烘丝过程中产生的潮气排往除尘，达到烘干烟丝的目的。控制模型如下：
图5CEVJ型烘丝机顺流模式出口罩负压控制图
4）出口水分：顺流模式出口水分根据设定的出口水分值和出口实际水分值来间接调节筒壁压力。当出口水分偏潮时，PID自动运算将筒壁压力增量值增大，当出口水分偏干时，将筒壁压力增量值减少，然后控制系统自动将此增量值叠加到筒壁压力控制PID的SP值上，再由筒壁压力控制回路自动控制。即此PID控制回路主要换算出筒壁压力增量值，再间接的控制筒壁压力。控制模型如图6：
图6CEVJ型烘丝机顺流模式出口水分控制图
在顺流模式下，滚筒的控制方式与传统的滚筒基本一致，而出口烟丝含水率的控制则是完全依靠筒壁温度，即筒壁蒸汽压力来调节的，这种调节方式可以给予更大的调节空间，但是调节的速度比较慢，即调节的周期较长。对于顺流模式，由于烟丝一进入滚筒就会与干燥的工艺气体接触脱去水分，因此在这种模式下，滚筒烘丝机前一般需要配置回潮设备，比如隧道式回潮机（HT）。
3逆流模式控制分析
在逆流模式下，热风从新风口吸风进来，经过热风机，由温度调节风门21调节温度，经过逆流调节风门23（逆流时处于调节状态），一部分从3B风门到入料端转网和排潮气混合从逆流排潮调节风门25排入除尘系统，一部分经过热风管道到达出料端，从出料端吹向进料端，即逆流模式（热风和物料逆向）；烘丝蒸发的排潮气从入料端经过滚筒转网清扫，经排潮调节风门25调节出口罩负压（顺流排潮调节风门24关闭），到达排潮总管，同时排潮加热系统加热一部分热空气与排潮气混合，防止排潮气冷凝堵塞除尘系统。其中转网清扫由喷吹阀8控制，在生产过程中始终间歇的在工作，防止排潮颗粒堵塞排潮网。滚筒通入夹层蒸汽加热筒壁，出口水分通过调节风门23来满足要求，当调节达到极限时，通过修改筒壁蒸汽压力的给定值来实现，可以理解为筒壁压力是粗调，调节风门23是细调。为了达到控制要求系统设置了4个PID分别如下：
1）热风温度：和顺流模式一样，详见顺流模式热风温度。
2）筒壁压力：和顺流模式类似，主要差别是筒壁压力的给定值来自两部分，一部分是生产参数设定的筒壁蒸汽压力，另一部分是出口水分调节风门23调节不过来修正的筒壁压力增量值，即水分粗调值。生产时的控制模型如图8：
图8CEVJ型烘丝机逆流模式筒壁压力控制图
3）出口罩负压：主要由逆流排潮调节风门25和出口罩负压传感器B2组成。CEVJ型烘丝机采用恒压排潮，排出的气体来自两部分，一部分是逆流调节风门23到3B风门进入进料端转网的气体，一部分是烘干烟丝蒸发出来的潮气。出料罩始终处于微弱的负压，通过调节风门25来满足，防止工艺气外冒，同时将烘丝过程中产生的潮气排往除尘，达到烘干烟丝的目的。控制模型与顺流模式下控制模型基本相同，只是输出的CV是由逆流排潮调节风门来反馈的。
4）出口水分：逆流模式出口水分是通过调节风门23来满足水分要求，当调节风门23到达设定的极限时，通过调节筒壁压力增量值来实现，然后控制系统将此增量值叠加到筒壁压力控制PID的SP值上，再由筒壁压力控制回路自动控制。即此PID控制回路有两路控制调节，一路是调节风门23在设定范围内自动调节出口水分，另一路是调节风门23超过调节范围调节筒壁压力增量值。当出口水分偏潮时调节风门23开大，当调节超出设定范围时，调节风门23暂停调节，然后筒壁压力增量值开始调节增大，当出口水分回到设定值时，调节风门23又开始调节，筒壁压力增量值暂停调节，如此周而复始。当出口水分偏干时也是同样。控制模型如图10：
10CEVJ型烘丝机逆流模式出口水分控制图
在逆流模式下，CEVJ型薄板烘丝机的控制方式有较大的不同，其最鲜明的特点就是针对出口烟丝含水率采用两级控制。在第一级控制中，控制系统仅通过调节工艺气体管路的风门来控制出口烟丝含水率。这种通过改变工艺气体进而调控出口含水率的方式反馈时间很短，相对修正筒壁蒸汽压力的方式能够给予更加稳定均衡的加工烟丝。另一方面就感官质量而言，相比改变筒壁蒸汽压力的控制方式，改变工艺气体的控制方式对感官抽吸的影响更小，更有利于实现产品的均质化。但是这种控制方式也有缺点，那就是调节的范围比较狭窄，当个别时候生产环境或来料烟丝与平常有较大不同时，往往会出现超出调节极限的情况。所以当这种情况出现的时候，控制系统则会自动进入第二级控制。在第二级控制中，系统依旧采用调节筒壁蒸汽压力的方式来控制出口烟丝含水率。这种双级控制方式，一方面可以提高反应速度、保证稳定输出，另一方面也能够保证反馈结果与设定值的一致，是一种比较传统控制模式更加合理的方法。
4料头料尾控制分析
料头状态主要指的是在烟丝开始送入滚筒时出口烟丝含水率尚未法达到设定值的这段实现。在料头状态，由于滚筒内并未充满烟丝，因此实际上在滚筒内烟丝所需要的加工强度以及工艺气体温度流量都是比较低的。相对于这种情况，CVEJ薄板烘丝机提供了几个参数来调整料头状态。这些参数不仅包括预热状态下影响出口含水率的几个主要参数——导入蒸汽压力，工艺气体温度，导入蒸汽流量，风门开度等等，还设置了延时时间，也就是在从预热状态进入料头状态后具体控制点变化的延时时间设置，具体包括导入蒸汽压力变化延时以及工艺气体温度变化延时。另外CVEJ烘丝机还设置了最短料头时间以及最长料头时间来控制料头时间。
这种设计通过延时时间的设定，使得料头的烟丝能够依旧保持在预热状态时的设定参数通过烘丝滚筒，也就是以预热时的，较低的加工强度来加工料头阶段的烟丝，来避免干头问题的产生。
对于料尾控制，CVEJ薄板烘丝机同样也提供了与料头相同参数来调整料尾状态，其中当然包括影响出口含水率的几个主要参数----导入蒸汽压力，工艺气体温度，导入蒸汽流量，风门开度等等，但最重要的还是延时时间，也就是在滚筒入口端已经无料进入滚筒后，延时一段时候后则进入料尾状态。在料尾状态下，工艺气体温度较低，导入蒸汽压力PID控制也会停用，同时滚筒转速加快，让尾料的烟丝尽速通过滚筒。
5整体应用控制分析
为了实现各种情况中，不同状态下物料不同加工方式，CEVJ型烘丝机在工作过程中通过6种不同状态的切换来进行控制，分别是预热状态、空闲状态、料头状态、生产状态、料尾状态、冷却状态。
预热状态表示的是物料在进入滚筒之前，滚筒保持较低能量提升温度的状态；空闲状态就是滚筒完成预热，已经做好准备加工烟丝时的状态；料头状态指的则是物料刚刚进入滚筒时的状态；料尾指的是滚筒入口已无烟丝进入滚筒，将滚筒内剩余的物料送出滚筒的状态；冷却状态则是当滚筒完成生产，设备自动降温准备关机的状态。上述状态的变化具体是通过各种参数的设定以判断各种状态变化进而对设备进行控制，同时针对料头料尾等特殊状态进行特殊设置，以满足不同的加工要求。
6结束语
CEVJ型薄板烘丝机位于叶丝生产段最末，在制丝工艺流程中起脱去烟丝中多余的水分作用，其通过比较先进的设计理念和细腻的自动控制模型系统，两种热风流向----顺流和逆流模式的灵活可选，以及多种控制状态的自动切换变化，较好地实现了各种品质烟丝产品的烘丝工艺要求。经由其加工的烟丝能够达到适合生产工艺要求的填充值、感官质量以及水分要求，并拥有较好的稳定性，同时香气透发，减少杂气。
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