基于PID控制的新型风力送丝平衡系统的研究和应用 |
| 2013-01-19 10:20 作者：吕伟 徐伟民 方柏杨 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，德国虹霓公司的PROTOS70、PROTOS1-8和PROTOS-M8是目前杭州卷烟厂的主要生产机型，生产能力分别达到7000支/分钟、8500支/分钟和20000支/分钟。在保证这些设备自身稳定运行的同时，外围烟丝供应是否充足、顺畅是影响设备运行效率和生产作业率的重要因素之一。
是以杭州卷烟厂卷包车间风力送丝项目为研究背景，对此进行研究和应用，该系统是基于PID控制，集自动检测、自动控制、自动故障提示为一体的新型风力送丝平衡系统。通过实验数据对比验证，该系统能够有效减少烟丝在风力送丝过程中的造碎，增加烟丝的长丝率，对提升我厂整体卷烟质量水平有显著效果。
关键词：风力送丝；PID；LSD；LST
1概述
作为制丝与卷接之间连接的重要环节之一，烟丝输送的稳定与否是影响卷接设备高速和连续生产的重要制约因素。烟丝输送有多种形式，例如小车送丝、风力送丝、皮带送丝等，其中风力送丝因其维护方便、稳定性较高等特点被大多数卷烟制造企业所采用。但是风力送丝也有其缺点，例如在风力送丝过程中不同卷烟机组风速大小不一或同一机组不同时段风速大小不一就会导致烟丝香精香料的挥发和水分指标的波动，对卷烟吸味等内在品质产生影响；同时，因为风力送丝过程中风速不平衡产生的部分机组风速过大导致烟丝造碎加大，直接影响烟支端部落丝量和硬、软点等质量指标，使空头等次品量增多，增加了生产成本。因此，怎样使烟丝输送过程中的风速达到理想状态（一般为18～20米/秒），有效减少烟丝造碎，增加烟丝长丝率，使烟支的端部落丝量、空头等工艺指标都有一定的提升，是本篇论文所研究的重点。
2对存在问题的分析
我厂原风力送丝系统对风速的控制程度不高，风速不够稳定、系统的自动化控制程序较低，主要表现为：
1）在卷烟机要料的过程中，烟丝在送丝管的三通及弯管处风速会发生了很大的变化，如果风速过低，会出现供丝不足或烟丝堵塞的现象，如果风速过高，会加大烟丝之间、烟丝与管道之间摩擦与碰撞，减少了烟丝的填充值与整丝率，增加了烟丝的造碎。
2）由于送丝风速不稳定间接影响烟丝的温湿度，造成烟丝水分、香精香料等成分的流失，影响卷烟吸食口味等物理及化学工艺技术指标。
3）系统中无风速监测装置和闭环控制装置，不能及时了解回风管电磁阀和补风阀风门的运行情况和故障。
4）对风速只能采用人工控制，风速测量也只能采用风速仪，测量值在人工读数时存在误差，无法准确和实时显示当前风速。
5）烟丝通过送丝管到达卷烟机集丝箱，由于送丝管内无法控制风速，只能在回风管中安装气动阀门，通过调节气动阀门的开度来控制回风管的风速，由于卷烟机集丝箱存在不同程度的漏风，并且整个风送管道也存在漏风现象，这就造成风量很难控制，风速不稳定等问题。
3基于PID控制的风力送丝平衡系统的研究
3.1PID控制器介绍
PID控制器是最普遍的经典控制器。它的优点是结合了比例，积分和微分控制。采用PID控制器的风力送丝平衡系统能够自动调节送丝风速、自动漏风检测。PID控制的理论公式如下：
其中，y（t）=输出（计算驱动变量），e（t）=故障信号（当超过设定风速时），Kp=比例增益（最大阀门开度反馈信号），Ki=微分增益（最小阀门开度反馈信号），Kd=积分增益（阀门关闭反馈信号）。
图1新型风力送丝平衡系统结构图
3.2风速调节
如图1，在各组风力送丝平衡系统上都安装有一个PID控制器，该控制器包括送丝管控制单元（FT）和回风管控制单元（FD）。通过测量FD内的风压，风压的模拟量信号传输至输入模块，同样送丝管的测量单元测量送丝管内的风压（FT），将两者风压模拟量信号经PID运算后得出一个数值，由此传输至FD的定位器，再由定位器控制气缸动作，最后气缸来调节FD阀门开度，来调节FD上的气动/电动调节阀开度，实现每组卷烟机风速微调的功能。从而调节送丝风速。气动/电动调节阀在要丝结束时即保持此时开度，下次要丝时调节阀即从该位置进行调节。
3.3实时监视
实时监视界面采用人工及自动控制两种模式，它设计了漏风检测、阀门开度显示、压力显示及风速控制等功能。监视界面用来监测每条生产线的风机频率，各机组送丝分管的即时风速、流量、风压、漏风情况等数据，另外还有报警提示功能，例如当风力送丝平衡控制单元监测到当前卷烟机组漏风量较大时，就会相应出现报警提示信息。
4应用效果
我们对安装了新风力送丝系统和原风力送丝系统的卷烟机（B1#和C1#）分别进行风速、烟丝水分波动和端部落丝量三个测试数据的比较。
4.1新老风力送丝平衡系统的风速比较
对B1#和C1#机组的风速进行3次采样，风速统计结果见表1。根据表1统计的数据我们可以看到，使用新的风力送丝系统后卷烟机组送丝管（feedingduct）风速被有效地控制在16.5m/s～18m/s之间，既能够满足卷烟机对风速的要求，又不至于出现风速过大的情况。
表1风速比较表
机台号 第一次测试 第二次测试 第三次测试
B1 16.5 17 17.2
C1 21 19.5 22
4.2新老风力送丝平衡系统的水分波动比较
分别对B1#和C1#机组进行烟丝水分的测量统计，取样个数均为3O，结果见表2，根据表2统计的数据可以看到，采用新风力送丝系统的烟丝水分波动更小。
表2烟丝水分波动比较表
机台号 平均值 中位数 最小值 最大值 极差 方差 标准差
B1 12.2538 12.431 11.81 12.01 1.02 0.025794 0.314767
C1 12.3167 12.512 11.89 12.02 1.89 0.105382 0.49880
4.3新老风力送丝平衡系统的端部落丝量比较
分别对B1#和C1#机组进行烟支端部落丝量的测量统计，取样个数均为3O，结果见表3，根据表3统计的数据可以看到，采用新风力送丝系统的端部落丝量更少。
表3烟支端部落丝量比较表
机台号 平均值 中位数 最小值 最大值 极差 方差 标准差
B1 4.436 5.21 2.24 8.18 5.74 3.448762 1.931826
C1 5.847 5.79 2.31 9.17 6.56 3.867649 2.035828
5应用效果总结
使用基于PID控制的新型风力送丝平衡系统后，我们成功地解决了原风力送丝系统中风速不稳定、自动化控制程序较低的问题，使因为风速不稳定给产品质量带来的负面影响在很大程度上得到了有效降低。到目前为止，我们已经将该成果在杭州卷烟厂卷包车间进行了全面推广，并对车间陆续新增的PROTOS-M8超高速卷接机组也进行了相应的配置，对提升我厂整体卷烟质量水平有显著效果。
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