1 煙葉復烤是煙葉從農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變到工業(yè)生產(chǎn)原料的一個整理和準備性的加工過程,是煙草整體加工中非常重要的環(huán)節(jié),它是在烤煙生產(chǎn)的基礎上形成的,同時煙葉復烤作為一個產(chǎn)業(yè)并逐步發(fā)展到規(guī)?；凸I(yè)化,與較大規(guī)模的煙葉商品化和卷煙的工業(yè)化是密不可分的.煙葉復烤主要用途是對打葉分離之后的煙葉片進行處理,使葉片的水分,溫度達到規(guī)定的工藝技術指標.(國內(nèi)某一復烤企業(yè)為例)煙葉復烤機按工藝特點主要分干燥段,冷卻段和回潮段,煙葉復烤機干燥段分五個區(qū),冷卻段為一個區(qū),回潮段有4個區(qū). 2 目前復烤生產(chǎn)線主要采用 PLC 模塊和單回路儀表等對復烤機的生產(chǎn)進行控制,現(xiàn)場配置了操作站,同時建立了中央監(jiān)控系統(tǒng),國內(nèi)多數(shù)復烤企業(yè)生產(chǎn)線的自動化水平較高,但在一些環(huán)節(jié)上仍存在一定的問題:如回潮段煙葉出口水分控制目前處于人工調(diào)節(jié),產(chǎn)品質(zhì)量存在一定的波動,其控制依賴操作人員的水平高低及熟練程度,出口煙葉水分受操作員工對設備的熟悉程度,操作經(jīng)驗的多少,來料情況,設備工況等因素干擾 .因此對其進行研究改進,對提高產(chǎn)品質(zhì)量,保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性及連續(xù)性,提高煙葉加工質(zhì)量水平,具有較大的經(jīng)濟效益和品牌效益.與流程行業(yè)其他過程比較,煙葉復烤過程具有其明顯的特點,是一個多干擾,強耦合,大滯后,非線性,不確定的大熱容過程.在生產(chǎn)過程中,始終存在著具有一定溫度,濕度,壓力,流速的傳熱介質(zhì) ( 熱氣體 ) 與煙葉在相對運動過程中發(fā)生熱交換作用,從而達到煙葉的干燥,冷卻,回潮等目的.不同過程的任一區(qū)段溫度,濕度的變化,都會影響到其后各區(qū)段參數(shù)的變化和出口煙葉水分含量的變化,這就使建立系統(tǒng)的機理模型變得相當復雜.因此復烤過程出口水分運用簡單的 PID 控制算法難以達到閉環(huán)自動控制的目的,更無法保證控制的精度.具體表現(xiàn)在以下幾個方面: 1 )干擾因素多:入口煙葉的水分,溫度,產(chǎn)地,品種,等級對出口水分都有非常重要的影響;加熱蒸汽和回潮蒸汽的壓力,溫度以及飽和程度直接影響出口煙葉的水分和溫度;環(huán)境空氣的溫度,濕度對冷卻階段的煙葉水分和溫度也有較大的間接影響. 2 )測量儀表存在一定的問題,特別是紅外水分儀精度受外界的影響較大,基準值易發(fā)生漂移,冷房水分儀表測量值受電噪聲的污染,測量值波動頻繁,嚴重的影響了閉環(huán)控制的性能. 3 ) 生產(chǎn)過程特性多變 :受前部打葉過程的影響,煙葉進料流量,煙葉喂料機的速度有時需要進行調(diào)整來滿足生產(chǎn)的連續(xù),這樣就導致了過程的特性參數(shù)發(fā)生改變;同時,煙葉復烤在高溫,高濕和粉塵等環(huán)境下工作,設備也會發(fā)生異常,在這種情況下,操作人員需要隨時改變工藝操作,使過程特性具有多樣性,難以實現(xiàn)穩(wěn)定的 PID 閉環(huán)控制. 4 ) 水分的控制是一個大滯后過程 :往往在出口水分發(fā)生變化后,再對其進行控制是不及時的,造成的直接后果是水分在設定值上下波動,不能穩(wěn)定. 以上原因的存在提升了復烤出口水分控制的難度,運用簡單的 PID 控制算法進行的閉環(huán)控制甚至不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,更談不上控制的精度.必須借助先進的控制理論和算法,同時結合實際情況對其進行控制才能保證控制的品質(zhì)和精度. PID 算法本身的局限性有很多,不能適用于復烤機控制系統(tǒng),原因如下: 具有反向特性的非最小相位系統(tǒng) 具有嚴重頻繁干擾的過程系統(tǒng) 多變量強耦合系統(tǒng) 帶有約束的控制系統(tǒng) 大滯后系統(tǒng) 這也是目前無法實施煙葉出口水分閉環(huán)控制的原因. 3 由于煙葉復烤過程的復雜性,建立嚴格的機理模型難度非常大,而一般對于先進控制來說,不知道被控對象的模型是無法實施先進控制策略的.因此,模型的建立是實施先進控制算法的關鍵所在.模型的精確與否直接影響控制的品質(zhì).過程特性多變性要求所設計的控制算法具有較強的自適應功能,在過程特性發(fā)生變化時及時的更改控制策略或控制參數(shù).水分測量的不準確給控制帶來了極大的困難,在控制方案上必須采用手段對測量數(shù)據(jù)進行處理. 4 煙葉復烤出口水分控制系統(tǒng)最終的改造目的是實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的全自動控制,正常工況下,操作人員根據(jù)加工煙葉的品種和等級選擇一組參數(shù)后,由控制系統(tǒng)實施復烤機出口水分的自動控制,考慮到整個項目的復雜性,首先我們針對目前復烤機出口水分控制的難點 -- 回潮段煙葉出口水分的閉環(huán)控制,在成功實施回潮段煙葉出口水分控制的基礎上,再逐步實施整個復烤機出口水分的全自動控制. 4.1 總體方案 目前煙葉復烤機控制系統(tǒng)主要采用PLC模塊,單回路調(diào)節(jié)儀表,現(xiàn)場操作站等,主要的控制回路通過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),Profibus DP網(wǎng)絡,單回路調(diào)節(jié)儀表和變頻器完成,中央控制室實施數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,新的出口水分閉環(huán)控制系統(tǒng)將不改動和影響原系統(tǒng),具體方案如下: 1 ) 增加一臺高可靠性工業(yè)計算機,安裝在生產(chǎn)裝置現(xiàn)場,同時進行相應的配置,以便和原有控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換. 2 )修改原控制系統(tǒng)配置和相關通訊程序等,加入新增的計算機節(jié)點. 3 )將工業(yè)計算機接入控制網(wǎng)絡,采集有關復烤機的過程數(shù)據(jù). 4 )適當修改原PLC程序,確保新老控制系統(tǒng)可互相切換,同時不影響原控制系統(tǒng). 5)增加的工業(yè)計算機不僅可采集和分析有關復烤機過程數(shù)據(jù),還完成復烤機煙葉出口水分的閉環(huán)控制,有關控制用數(shù)學模型也在此建立. 6 )該工業(yè)計算機同時可用于今后熱風潤葉筒的水分全自動控制,完全在項目的逐步實施過程中保證硬件投資高效益,同時以進一步提高整個生產(chǎn)線的自動化水平和提升生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量,為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和品牌效益. 4.2閉環(huán)控制方案設計 針對以上對復烤過程的分析,以及我們在國內(nèi)某知名卷煙廠成功應用的案例(烘絲機水分控制,該案例徹底解決了烘絲機水分控制的難題)我們認為采用模型預測控制的先進控制算法,可以對復烤水分進行閉環(huán)優(yōu)化控制,提高控制的精度,減輕操作人員的勞動強度及對操作人員的依賴,提高復烤廠的經(jīng)濟效益.模型預測控制誕生于20世紀70年代,經(jīng)過20多年的發(fā)展與應用,這種控制策略已經(jīng)在復雜的工業(yè)過程中獲得了廣泛的應用.預測模型的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來的輸入來預測其未來的輸出.這里強調(diào)模型的功能而不強調(diào)其結構形式.滾動優(yōu)化與通常的離散最優(yōu)控制算法不同,是在線反復進行優(yōu)化計算,滾動實施,從而使模型失配,時變,干擾等引起的不確定性能及時得到彌補,提高了系統(tǒng)的控制效果. 5 實現(xiàn)回潮出口水分模型預測優(yōu)化控制,可以減少現(xiàn)場操作人員的生產(chǎn)強度,降低生產(chǎn)成本,提高復烤煙葉質(zhì)量及合格率.這種控制方案對優(yōu)化復烤生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量,整體提升工廠的科技水平和競爭力有著十分重要的意義. 具體表現(xiàn)在以下幾個方面: 降低煙葉水分控制的方差 : 使煙葉的水分,溫度穩(wěn)定地達到規(guī)定的工藝技術指標,提高水分的控制精度,提高煙葉的等級,減少煙葉原材料的損耗和浪費. 提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率,極大地減少生產(chǎn)過程出現(xiàn)的水跡煙和返箱. 克服人為因素的影響:如果不實施先進控制方案,由于回潮水流量的參數(shù)設定值都是操作工憑經(jīng)驗給定,而不同的操作工的經(jīng)驗,操作熟練程度及責任心都不同,因此控制效果因人而異,產(chǎn)品批次質(zhì)量也因人而異,反映在復烤機出口處就使煙葉水分值不穩(wěn)定. 降低操作人員的勞動強度:現(xiàn)在操作人員的勞動強度較大,頻繁的更改回潮水流量的參數(shù)設定值,如果實施先進控制,則由控制系統(tǒng)自動該設定值由機器進行更改操作人員只要對水分進行設定,減輕了操作強度. 減少設備的故障和事故,如果采用人工干預設置設定值參數(shù),來適應外部因素變化,操作工是很困難的,造成操作幅度大,閥位波動大,易出現(xiàn)設備故障和事故,增加維護維修成本. 本方案保證工廠可以在較短的時間內(nèi)回收項目投資,經(jīng)濟效益顯著. 6 為確保煙葉復烤出口水分控制系統(tǒng)改造項目的順利實施,同時不影響正常的生產(chǎn)和操作,本項目的實施將分以下幾個階段進行: 第一階段主要是對復烤線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡進行分析,增加工業(yè)控制器,實施煙葉復烤過程數(shù)據(jù)的采集和分析. 第二階段主要進行出口水分閉環(huán)控制用數(shù)學模型的測試. 第三階段將根據(jù)建立的數(shù)學模型進行控制算法仿真測試. 第四階段將閉環(huán)控制系統(tǒng)投入現(xiàn)場模擬運行,但其控制信號并不真正輸出,進一步根據(jù)實際生產(chǎn)情況驗證出口水分閉環(huán)控制系統(tǒng)的可靠性. 第五階段將先進控制系統(tǒng)切換到閉環(huán)控制系統(tǒng),進行試運行,并進一步改進控制系統(tǒng)性能. 最后將煙葉出口水分閉環(huán)控制系統(tǒng)投入長期運行.