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前言 

    制絲線是保證卷煙質量穩定一致的生產線，而葉片加料工序又是制絲工藝中的關鍵、最難控制的工序之一，葉片加料的準確度對卷煙的感官質量具有相當重要的影響作用。葉片加料的自動控制方式為：設置料液施加比例，通過電子控制系統進行處理，使輸出料液流量隨葉片質量的多少而改變，實現葉片加料的自動控制。當前，在國內卷煙行業內葉片加料系統中所使用的電子控制系統，其關鍵器件為差壓變送器、DR24回路控制器。 

    現有加料系統簡介及問題分析 

    卷煙廠加料系統 

    卷煙廠加料系統是卷煙廠制絲生產線上的重要工序，它要求系統能根據生產線上皮帶秤測量的煙絲（煙葉）實際流量和工藝要求的香料配比系數計算得出理論加香加料流量，據此控制實際的加香加料流量。系統示意圖如圖1。 

圖1；卷煙廠加香加料系統示意圖

    原系統由電子皮帶秤、差壓變送器、計量罐組成測量系統；由氣動柱塞泵、氣動薄膜調節閥等組成執行機構；以回路控制器DR24作為控制器。 

    加料系統的工作過程為：系統開始工作，柱塞泵作往復運動，把料液壓入管道，單向閥打開，料液從計量罐流向加料系統，差壓變送器測得單位時間內計量罐底壓強的變化，送入控制器DR24中，得出實際加香加料流量；同時電子皮帶秤將測得的煙葉流量信號輸入DR24，DR24根據加料比例及皮帶秤信號計算出理論加香加料量。DR24控制器根據理論與實際流量的偏差e進行PID運算，并將運算產生的數字閥位以模擬電流信號輸出，經電氣轉換器轉換后，把電流信號變成氣壓信號，去控制氣動薄膜閥的開度，使料液的噴加量隨煙葉的流量的變化而變化，使實際流量盡量與理論流量相符，以滿足該工序的工藝要求。 

    系統存在的問題 

    在該加料系統中，系統工作質量的好壞關鍵取決于差壓變送器以及電子皮帶秤的精確程度。差壓變送器根據一段時間內的流量變化計算出瞬時流量，這種流量的計量方式有一定的滯后性，使得系統的控制精度變差，造成加料量不準確。另一方面，由于系統料液濃度大，時間久后，會因結垢而使精度降低。料液流經差壓變送器時，其中的顆粒狀物質會使變送器的膜片擠壓而影響精度，而且管道安裝要求苛刻，如果過程管道內的殘液或沉淀物流入導壓管內，壓力測量就會產生誤差。另外， DR24控制器的人機界面簡單粗糙，不能直觀地顯示生產過程中的各種工況，也無法顯示各種參數、報警等信息；它用于網絡通訊需要專用的硬件與軟件，較為繁雜，難于維護，而且不適于大量數據的傳輸要求，無法適應目前較為先進的現場總線技術。 

    新系統的設計 

    測量機構選擇 

    考慮到卷煙廠各種香精、糖料的密度各不相同，經分析研究，測量裝置決定采用質量流量計測量流量去取代原系統中用差壓變送器加計量罐來測量流量的測量方法。用質量流量計的測量方法，不受密度、氣泡、溫度、雜質等的影響，本身精度達到0.1%,能很好地解決系統測量精度差的問題。
 
    控制器選擇 

    本系統需控制二十多個開關量、四個模擬量，需完成多種算術運算、邏輯運算及控制運算，而且需要較強的通訊功能以便通過現場總線交換大量數據，另外考慮到工業現場溫度較高，濕度較大，且粉塵較大，故選用PLC作為控制器，加上觸摸屏作人機界面。可維護性較好，且編程語言較符合電氣維修人員工作習慣。PLC選用符合IEC標準的產品。 

    執行器選擇 

    原系統中使用柱塞泵作為液體流動的動力，液體的流動存在一定的脈動現象。這種現象將會干擾系統的測量與控制計算。所以改進后的系統使用壓縮空氣作為動力，這種動力在車間很容易得到，而且相對系統要求非常平穩，易于實現系統的控制目標，實際系統中使用了一個密閉的計量罐（下配差壓變送器）、一個敞口儲料罐。開機之前，要先把料液打入儲料罐中。儲料罐旁有一磁性浮子液位計，可顯示罐內液位高度，儲料罐內最多可盛滿刻度的80%。當料液溫度低于設定溫度時，控制器自動打開氣動閥向儲料罐夾層通入蒸汽，加熱料液，達到設定溫度后，關掉氣動閥。當計量罐內料液達到設定下限時，過程控制器自動啟動上料泵電機，使儲料罐內料液向計量罐內補充，直到計量罐內料液達到設定上限，或儲料罐內無料為止。單向閥使料液單向流動，但計量罐壓力不可回返。計量罐內需恒定氣壓，一般設定為0.5MPa。直接控制液體流量的執行機構采用拋物線型閥芯的線性氣動調節閥。控制器將閥門開度以4-20mADC電信號的方式輸出給電氣轉換器,電氣轉換器將電信號對應轉換成0.02-0.1MPa的氣壓信號，驅動氣動調節閥動作。 

    工作原理 

    工作開始后，電子秤將煙葉瞬時流量送到控制器，經過延時，然后與預先設定好的配比系數相乘，就得到理論瞬時流量值。值得一提的是，電子秤延時是必要的，因為電子秤與噴嘴之間有時間差，只有延時準確，才能更好的完成控制的動態對應。質量流量計將反饋信號送入控制器，反饋信號代表料液的實際瞬時流量。將瞬時值與設定量進行比較，以它們的差值作為偏差量進行PID調節。輸出4-20mA的電流信號給電氣轉換器，電氣轉換器將此電流信號轉換為0.02-0.1MPa的氣壓信號，用此氣壓去啟動氣動調節閥，使其線性對應0-100%地控制閥門開度。流出的料液經浮子流量計進入噴嘴，通過空壓氣霧化噴到葉片上。在這個系統中，差壓變送器只是用來測量計量罐中的料液重量。工作原理圖見圖2。 

    系統實施 

    保證控制精度 

    為了提高系統的實時響應，本系統在傳統PID調節的基礎上，根據葉片（葉絲）的流量、計量罐內氣體壓力、計量罐內液位等條件加上了一級前饋。系統首先根據前饋值迅速將閥門開度粗調到正確位置附近，然后由PID調節達到平衡位置。前饋值的計算模仿自學習系統，控制器記憶100個離散的狀態點，每次達到控制平衡則部分修正記憶值。這種方法較好的解決了影響加香加料系統精度的一個重要問題，即皮帶秤來料波動問題。 

    為了使系統自身擁有自檢能力，本系統利用裝置在計量罐下的差壓變送器定時檢測質量流量計是否出現故障。這樣就避免了由于測量裝置出現故障造成的事故。另外，依靠PLC相對強大的編程能力，本系統除了完成主要控制工作外，還依靠多個光電傳感器以及程序內邏輯判斷對可能出現的故障、漂移進行監視，大大提高了系統可靠性和系統精度。 

圖2：新加料系統工作原理圖 

圖3：堆棧工作原理圖 

    液料溫度控制 

    溫度控制屬于大滯后調節，本系統采用的控制方法利用溫度變化速率，進行預測控制。即根據溫度上升或下降速度判斷一段時間后罐內液體溫度的值，從而提前控制閥門的開度，避免了傳統方法中溫度超調的問題。 

    控制難點 

    電子稱瞬時流量的延時是必須進行的步驟。在此采用堆棧方式，電子稱的瞬時流量信號送至加料系統PLC，再經堆棧處理（采用先入先出）進行延時。原理如下：一個堆棧中最多有100個變量，根據時鐘脈沖的信號，這100個變量按照先后順序存入堆棧中，存滿后依據先進先出的原則，最先存入的變量最先輸出。根據需要可以調整時鐘脈沖的長短，在這里使用的是秒脈沖，最長可以延時100秒，這對本系統已經夠用了。經過堆棧處理后變成延時后的電子稱瞬時流量信號。堆棧工作原理如圖3。 

    改進效果 

    新的加料系統采用質量流量計測量加料流量，精度提高了很多，達到國家標準要求；人機界面友好，通訊功能使車間總控室可以實時監視現場生產情況；用壓縮空氣作為供應料液的動力源，代替了原系統的柱塞泵，經濟可靠。經過一年多的使用，整套系統運行穩定。