厂叶片复烤机先进控制与优化系统

1 烟叶复烤是烟叶从农产品转变到工业生产原料的一个整理和准备性的加工过程,是烟草整体加工中非常重要的环节,它是在烤烟生产的基础上形成的,同时烟叶复烤作为一个产业并逐步发展到规模化和工业化,与较大规模的烟叶商品化和卷烟的工业化是密不可分的.烟叶复烤主要用途是对打叶分离之后的烟叶片进行处理,使叶片的水分,温度达到规定的工艺技术指标.(国内某一复烤企业为例)烟叶复烤机按工艺特点主要分干燥段,冷却段和回潮段,烟叶复烤机干燥段分五个区,冷却段为一个区,回潮段有4个区. 2 目前复烤生产线主要采用 PLC 模块和单回路仪表等对复烤机的生产进行控制,现场配置了操作站,同时建立了中央监控系统,国内多数复烤企业生产线的自动化水平较高,但在一些环节上仍存在一定的问题:如回潮段烟叶出口水分控制目前处于人工调节,产品质量存在一定的波动,其控制依赖操作人员的水平高低及熟练程度,出口烟叶水分受操作员工对设备的熟悉程度,操作经验的多少,来料情况,设备工况等因素干扰 .因此对其进行研究改进,对提高产品质量,保持产品质量的稳定性及连续性,提高烟叶加工质量水平,具有较大的经济效益和品牌效益.与流程行业其他过程比较,烟叶复烤过程具有其明显的特点,是一个多干扰,强耦合,大滞后,非线性,不确定的大热容过程.在生产过程中,始终存在着具有一定温度,湿度,压力,流速的传热介质 ( 热气体 ) 与烟叶在相对运动过程中发生热交换作用,从而达到烟叶的干燥,冷却,回潮等目的.不同过程的任一区段温度,湿度的变化,都会影响到其后各区段参数的变化和出口烟叶水分含量的变化,这就使建立系统的机理模型变得相当复杂.因此复烤过程出口水分运用简单的 PID 控制算法难以达到闭环自动控制的目的,更无法保证控制的精度.具体表现在以下几个方面: 1 )干扰因素多:入口烟叶的水分,温度,产地,品种,等级对出口水分都有非常重要的影响;加热蒸汽和回潮蒸汽的压力,温度以及饱和程度直接影响出口烟叶的水分和温度;环境空气的温度,湿度对冷却阶段的烟叶水分和温度也有较大的间接影响. 2 )测量仪表存在一定的问题,特别是红外水分仪精度受外界的影响较大,基准值易发生漂移,冷房水分仪表测量值受电噪声的污染,测量值波动频繁,严重的影响了闭环控制的性能. 3 ) 生产过程特性多变 :受前部打叶过程的影响,烟叶进料流量,烟叶喂料机的速度有时需要进行调整来满足生产的连续,这样就导致了过程的特性参数发生改变;同时,烟叶复烤在高温,高湿和粉尘等环境下工作,设备也会发生异常,在这种情况下,操作人员需要随时改变工艺操作,使过程特性具有多样性,难以实现稳定的 PID 闭环控制. 4 ) 水分的控制是一个大滞后过程 :往往在出口水分发生变化后,再对其进行控制是不及时的,造成的直接后果是水分在设定值上下波动,不能稳定. 以上原因的存在提升了复烤出口水分控制的难度,运用简单的 PID 控制算法进行的闭环控制甚至不能保证系统的稳定,更谈不上控制的精度.必须借助先进的控制理论和算法,同时结合实际情况对其进行控制才能保证控制的品质和精度. PID 算法本身的局限性有很多,不能适用于复烤机控制系统,原因如下: 具有反向特性的非最小相位系统 具有严重频繁干扰的过程系统 多变量强耦合系统 带有约束的控制系统 大滞后系统 这也是目前无法实施烟叶出口水分闭环控制的原因. 3 由于烟叶复烤过程的复杂性,建立严格的机理模型难度非常大,而一般对于先进控制来说,不知道被控对象的模型是无法实施先进控制策略的.因此,模型的建立是实施先进控制算法的关键所在.模型的精确与否直接影响控制的品质.过程特性多变性要求所设计的控制算法具有较强的自适应功能,在过程特性发生变化时及时的更改控制策略或控制参数.水分测量的不准确给控制带来了极大的困难,在控制方案上必须采用手段对测量数据进行处理. 4 烟叶复烤出口水分控制系统最终的改造目的是实现整条生产线的全自动控制,正常工况下,操作人员根据加工烟叶的品种和等级选择一组参数后,由控制系统实施复烤机出口水分的自动控制,考虑到整个项目的复杂性,首先我们针对目前复烤机出口水分控制的难点 -- 回潮段烟叶出口水分的闭环控制,在成功实施回潮段烟叶出口水分控制的基础上,再逐步实施整个复烤机出口水分的全自动控制. 4.1 总体方案 目前烟叶复烤机控制系统主要采用PLC模块,单回路调节仪表,现场操作站等,主要的控制回路通过传统数据传输系统,Profibus DP网络,单回路调节仪表和变频器完成,中央控制室实施数据采集和监控,新的出口水分闭环控制系统将不改动和影响原系统,具体方案如下: 1 ) 增加一台高可靠性工业计算机,安装在生产装置现场,同时进行相应的配置,以便和原有控制系统进行数据交换. 2 )修改原控制系统配置和相关通讯程序等,加入新增的计算机节点. 3 )将工业计算机接入控制网络,采集有关复烤机的过程数据. 4 )适当修改原PLC程序,确保新老控制系统可互相切换,同时不影响原控制系统. 5)增加的工业计算机不仅可采集和分析有关复烤机过程数据,还完成复烤机烟叶出口水分的闭环控制,有关控制用数学模型也在此建立. 6 )该工业计算机同时可用于今后热风润叶筒的水分全自动控制,完全在项目的逐步实施过程中保证硬件投资高效益,同时以进一步提高整个生产线的自动化水平和提升生产产品质量,为企业创造更大的经济效益和品牌效益. 4.2闭环控制方案设计 针对以上对复烤过程的分析,以及我们在国内某知名卷烟厂成功应用的案例(烘丝机水分控制,该案例彻底解决了烘丝机水分控制的难题)我们认为采用模型预测控制的先进控制算法,可以对复烤水分进行闭环优化控制,提高控制的精度,减轻操作人员的劳动强度及对操作人员的依赖,提高复烤厂的经济效益.模型预测控制诞生于20世纪70年代,经过20多年的发展与应用,这种控制策略已经在复杂的工业过程中获得了广泛的应用.预测模型的功能是根据对象的历史信息和未来的输入来预测其未来的输出.这里强调模型的功能而不强调其结构形式.滚动优化与通常的离散最优控制算法不同,是在线反复进行优化计算,滚动实施,从而使模型失配,时变,干扰等引起的不确定性能及时得到弥补,提高了系统的控制效果. 5 实现回潮出口水分模型预测优化控制,可以减少现场操作人员的生产强度,降低生产成本,提高复烤烟叶质量及合格率.这种控制方案对优化复烤生产过程的产品质量,整体提升工厂的科技水平和竞争力有着十分重要的意义. 具体表现在以下几个方面: 降低烟叶水分控制的方差 : 使烟叶的水分,温度稳定地达到规定的工艺技术指标,提高水分的控制精度,提高烟叶的等级,减少烟叶原材料的损耗和浪费. 提高产品质量及合格率,极大地减少生产过程出现的水迹烟和返箱. 克服人为因素的影响:如果不实施先进控制方案,由于回潮水流量的参数设定值都是操作工凭经验给定,而不同的操作工的经验,操作熟练程度及责任心都不同,因此控制效果因人而异,产品批次质量也因人而异,反映在复烤机出口处就使烟叶水分值不稳定. 降低操作人员的劳动强度:现在操作人员的劳动强度较大,频繁的更改回潮水流量的参数设定值,如果实施先进控制,则由控制系统自动该设定值由机器进行更改操作人员只要对水分进行设定,减轻了操作强度. 减少设备的故障和事故,如果采用人工干预设置设定值参数,来适应外部因素变化,操作工是很困难的,造成操作幅度大,阀位波动大,易出现设备故障和事故,增加维护维修成本. 本方案保证工厂可以在较短的时间内回收项目投资,经济效益显著. 6 为确保烟叶复烤出口水分控制系统改造项目的顺利实施,同时不影响正常的生产和操作,本项目的实施将分以下几个阶段进行: 第一阶段主要是对复烤线控制系统和网络进行分析,增加工业控制器,实施烟叶复烤过程数据的采集和分析. 第二阶段主要进行出口水分闭环控制用数学模型的测试. 第三阶段将根据建立的数学模型进行控制算法仿真测试. 第四阶段将闭环控制系统投入现场模拟运行,但其控制信号并不真正输出,进一步根据实际生产情况验证出口水分闭环控制系统的可靠性. 第五阶段将先进控制系统切换到闭环控制系统,进行试运行,并进一步改进控制系统性能. 最后将烟叶出口水分闭环控制系统投入长期运行.