CN108669616B - 一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法，所述的方法分别获取实时的烘丝机进口热风含湿量和烘丝机出口排潮风含湿量，并通过测量获取实时的烘丝机进口烟丝质量流量，烘丝机进口烟丝的湿基含水率，烘丝机出口烟丝的湿基含水率，车间空气密度，排潮风空气密度。基于水分平衡原理，根据获取的数据，计算出烘丝机排潮风量理论值，实时调节烘丝机风机运转频率，使烘丝机当前的排潮风量值与排潮风量理论值保持一致。本发明调节反应速度更快，有效的提升控制系统响应速度，更大程度地避免了同批次烟丝在加工中产生品质差异。

Description

一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法

技术领域

本发明涉及烟草加工技术领域，尤其涉及一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法。

背景技术

烘丝是烟丝制作过程中的一道重要工序，通过对烟丝加热干燥，使其含水率控制在一定范围内，才能满足烟丝的弹性和填充能力。滚筒式烘丝机是国内常见的烘丝设备，它通过蒸汽加热的筒壁和热风为烟丝提供干燥热源，烘丝机工作时，烘丝机内烟丝受薄板夹层蒸汽的热辐射产生大量的水蒸汽，烟丝散发出的水蒸汽被贯穿于整个烘丝机的热风从排潮口带出，从而完成烟丝的脱水干燥过程。

目前，滚筒式烘丝机烘丝时，烟丝含水率的控制模式主要有保持热风温度恒定控制筒壁温度和保持筒壁温度恒定控制热风温度两种。为了保证出口烟丝含水率，有时不得不提高筒壁温度或者热风温度，筒壁或热风温度的变化会导致烟丝工艺品质特性波动，对卷烟品质产生较大影响，提高筒壁或热风温度还会造成能源消耗过高，且筒壁或热风温度的改变存在一定的滞后性。因此，仅通过改变薄板温度或热风风温实现烟丝脱水干燥的控制方式已无法满足工艺品质的更高要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法，通过改变排潮风量控制烟丝含水率，控制过程响应及时。

本发明采用的技术方案为：

一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法，包括以下步骤：

步骤A：分别获取实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂，并通过测量获取实时的烘丝机进口烟丝质量流量M₁，烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁，烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂，车间空气密度ρ₁，排潮风空气密度ρ₂。

步骤B：基于水分平衡原理，根据出口烟丝目标含水率，利用步骤A中获取的实时烘丝机进口热风含湿量d₁、烘丝机出口排潮风含湿量d₂、烘丝机进口烟丝质量流量M₁、烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁、烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂以及车间空气密度ρ₁，排潮风空气密度ρ₂，计算出烘丝机排潮风量理论值L₂。

步骤C：根据计算出的烘丝机排潮风量理论值L₂，实时调节烘丝机风机运转频率，使烘丝机当前的排潮风量值与排潮风量理论值保持一致。

优选的，所述的步骤A中实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂的获取具体包括以下步骤：

a1：通过测量获取烘丝机进口热风的水蒸气分压力P_q1和当地大气压力B，并根据公式(1)计算烘丝机进口热风含湿量d₁：

a2：通过测量获取烘丝机出口排潮风的水蒸气分压力P_q2和当地大气压力B，并根据公式(2)计算烘丝机出口排潮风含湿量d₂：

优选的，所述的步骤B中排潮风量理论值L₂的计算过程如下：

根据公式(3)计算出排潮风量理论值L₂：

公式(3)中，M₁为进入烘丝机中的烟丝质量流量；ω₁为烘丝机进口烟丝的湿基含水率；ω₂为烘丝机出口烟丝的湿基含水率；ρ₂为排潮风空气密度，d₁为烘丝机进口热风含湿量，d₂为烘丝机出口排潮风含湿量。

优选的，所述的步骤C中，对计算出的烘丝机排潮风量理论值L₂进行修正，得到修正后的排潮风量值L，实时调节烘丝机风机运转频率，使烘丝机当前的排潮风量值与修正后的排潮风量值L保持一致；

根据水分平衡的修正公式对所述排潮风量理论值进行修正，具体包括以下步骤：

c1：获取烘丝机进口烟丝的干基含水率随时间变化的序列X₁(t)、烘丝机进口烟丝质量流量随时间变化的序列M₁(t)，根据公式(4)，公式(5)和公式(6)得到排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)；

g₁(M₁(t))＝log_e(M₁(t))

(4)

公式(5)中，ω(t)为均值零、方差为σ²的有界白噪声；d表示为过程时滞；A(q^-1)、B(q^-1)和C(q^-1)分别为后项,是算子q^-1的多项式；

c2：获取排潮风量理论值随时间变化的序列L₂(t)，并利用c1中获取的排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)，根据公式7获取修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)；

L(t)＝L₂(t)+ΔL(t) (7)

c3：根据修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)，得到修正后的排潮风量值L。

本发明根据水分平衡原理，计算出达到出口烟丝目标含水率时烘丝机排潮风量，并通过调节风机频率改变排潮风量实现了在筒壁温度和热风温度保持稳定的情况下对烟丝含水率的实时精确控制，调节反应速度更快，有效的提升控制系统响应速度，更大程度地避免了同批次烟丝在加工中产生品质差异,保证了卷烟品质；且由于本发明对风机变频精准控制，还在降低了能耗，节约了资源。

附图说明

图1为本发明的所述的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤A：分别获取实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂，

并通过测量获取实时的烘丝机进口烟丝质量流量M₁、烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁、烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂以及车间空气密度ρ₁与排潮风空气密度ρ₂。

步骤B：基于水分平衡原理，根据出口烟丝目标含水率，利用步骤A中获取的实时

烘丝机进口热风含湿量d₁、烘丝机出口排潮风含湿量d₂、烘丝机进口烟丝质量流量M₁、烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁、烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂以及排潮风空气密度ρ₂，计算出烘丝机排潮风量理论值L₂；水分平衡原理为烘丝机进口热风含水量以及进口烟丝的含水量之和等于烘丝机出口排潮风含水量以及出口烟丝的含水量之和；

步骤C：根据计算出的烘丝机排潮风量理论值L₂，实时调节烘丝机风机运转频率，

使烘丝机当前的排潮风量值与排潮风量理论值保持一致。

所述的步骤A中实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂的

获取具体包括以下步骤：

a1：通过测量获取烘丝机进口热风的水蒸气分压力P_q1和当地大气压力B，并根据公式(1)计算烘丝机进口热风含湿量d₁。

a2：通过测量获取烘丝机出口排潮风的水蒸气分压力P_q2，并根据公式(2)计算烘丝机出口排潮风含湿量d₂。

烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂的计算模型，即公式(1)

和公式(2)的推导过程如下：

T＝273.15+t_em

当t＝0～200℃时，

ln(p_q,b)＝f(T)＝c₁/T+c₂+c₃T+c₄T^2+c₅T^3+c₆ln(T)

其中：T为热力学温度；t_em为烘丝机出口排潮风的湿空气温度；

为烘丝机出口排潮风的相对湿度；计算d₁时，P_q为烘丝机进口热风的水蒸气分压力；计算d₂时，P_q为烘丝机出口排潮风的水蒸气分压力；B为当地大气压力；P_qb为与烘丝机进口热风或烘丝机出口排潮风的湿空气对应的温度下饱和水蒸气压力；常数c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆分别为-5800.2206，0.41764768×10^-4，1.3914993，-0.14452093×10^-7，-0.04860239，6.5459673。

所述的步骤B中排潮风量理论值L₂的计算过程如下：

根据公式(3)计算出排潮风量理论值L₂：

公式(3)中，M₁为烘丝机进口烟丝质量流量；ω₁为烘丝机进口烟丝的湿基含水率；ω₂为烘丝机出口烟丝的湿基含水率；ρ₁车间空气密度，ρ₂排潮风空气密度，d₁为烘丝机进口热风含湿量，d₂为烘丝机出口排潮风含湿量。

排潮风量理论值L₂的计算模型即公式(3)的推导过程如下：

不考虑干燥过程中烟丝的损失，流经烘丝机的纯干烟丝的质量流量M_C是不变的，因此，流经烘丝机的纯干烟丝的质量流量M_C的计算公式为式(3-1)或式(3-2)：

M_C＝M₁(1-ω₁) (3-1)

M_C＝M₂(1-ω₂) (3-2)

M₂为实时的烘丝机出口烟丝质量流量；

同理，流经烘丝机的纯干空气的质量流量也是不变的，干燥过程中，湿烟丝中蒸发出的水分全部进入排潮风中，由质量守恒可得，湿烟丝中水分减少量就等于排潮风中水分的增加量，由此得到式(3-3)：

L₂ρ₂d₂-L₁ρ₁d₁＝M_C(X₁-X₂) (3-3)

式中：d₁为烘丝机进口热风含湿量，d₂为烘丝机出口排潮风含湿量，L₁为烟丝进口热风的质量流量，L₂为排潮风量理论值，ρ₁车间空气密度，ρ₂为烘丝机出口排潮风空气密度，X₁为烘丝机进口烟丝的干基含水率；X₂为烘丝机出口烟丝的干基含水率。

又因为进出烘丝机的空气流量相等：

L₂ρ₂＝L₁ρ₁ (3-4)

因此将(3-4)式代入(3-3)式可得式(3-5)：

L₂ρ₂(d₂-d₁)＝M_C(X₁-X₂) (3-5)

烘丝机进口烟丝的干基含水率X₁与烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁的对应函数关系为式(3-6)：

烘丝机出口烟丝的干基含水率X₂与烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂的对应函数关系为式(3-7)：

由于实时的烘丝机出口烟丝质量流量M₂无法经过测试获得，因此将式(3-1)(3-2)(3-6)(3-7)代入式(3-5)得到公式(3)：

所述的步骤C中，对计算出的烘丝机排潮风量理论值L₂进行修正，得到修正后的排

潮风量值L，实时调节烘丝机风机运转频率，使烘丝机当前的排潮风量值与修正后的排潮风量值L保持一致；

根据水分平衡的修正公式对所述排潮风量理论值进行修正，具体包括以下步骤：

c1：获取烘丝机进口烟丝的干基含水率随时间变化的序列X₁(t)、烘丝机进口烟丝质量流量随时间变化的序列M₁(t)，根据公式(4)，公式(5)和公式(6)得到排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)；

g₁(M₁(t))＝log_e(M₁(t)) (4)

公式(5)中，ω(t)为均值零、方差为σ²的有界白噪声；d表示为过程时滞；A(q^-1)、B(q^-1)和C(q^-1)分别为后项,是算子q^-1的多项式；

c2：获取排潮风量理论值随时间变化的序列L₂(t)，并利用c1中获取的排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)，根据公式7获取修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)；

L(t)＝L₂(t)+ΔL(t) (7)

c3：根据修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)，得到修正后的排潮风量值L。

本实施例中，所述烘丝机进口热风含湿量d₁、烘丝机出口排潮风含湿量d₂、排潮风量理论值L₂以及修正后的排潮风量值L的计算公式均通过PID控制器编程实现。

PID控制器根据水分平衡的修正公式对式(3)的排潮风量理论值L₂进行修正，得到修正后的排潮风量值L，修正后的排潮风量值L的计算模型如下：

将公式(3-6)、(3-7)、(3-8)变换为:

烘丝机出口烟丝的干基含水率X₂受烘丝机的控制系统影响，可由烘丝机进口烟丝的干基含水率X₁表示为:

A(q^-1)X₂(t)＝q^-dB(q^-1)X₁(t)+C(q^-1)ω(t) (9)

式(15)中：X₁(t)为进口干基烟丝的含水率随时间变化的序列,X₂(t)为出口干基烟丝的含水率随时间变化的序列，M₁(t)烘丝机进口烟丝质量流量随时间变化的序列，ω(t)为均值零、方差为σ²的有界白噪声；d表示为过程时滞；A(q^-1)、B(q^-1)和C(q^-1)分别为后项,是算子q^-1的多项式,即:

A(q^-1)＝1+a₁q^-1+…+a_nq^-n

B(q^-1)＝1+b₁q^-1+…+b_mq^-m m≤n

C(q^-1)＝1+c₁q^-1+…+c_nq^-n (10)

式(8)中：M₁为实时序列，X₁和X₂可以转换为X₁的时序，并将ρ₂、d₁、d₂视为常数，可将公式(8)的修正后的排潮风量值L转换为修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)并取自然对数可得：

f(L(t))＝g₁(M₁(t))+g₂(X₁(t))+K (11)

式中：

f(L(t))＝log_e(L(t))

g₁(M₁(t))＝log_e(M₁(t))

K＝-log_e(ρ₂(d₂-d₁)) (12)

对f(L(t))求导得：

f(L(t))'＝g₁(M₁(t))'+g₂(X₁(t))' (13)

排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)为：

修正后的排潮风量值L等于排潮风量理论值L₂加上排潮风量理论值修正量ΔL：

L(t)＝L₂(t)+ΔL(t) (15)

例如烘丝机进口烟丝质量流量M₁为5000kg/h，烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁＝19.7％，烘丝控制系统中烘丝机设定出口烟丝的湿基含水率ω₂＝13.4％，烘丝机出口排潮风的湿空气温度t＝85℃，烘丝机出口排潮风的相对湿度

车间环境温度25℃，车间环境相对湿度65％，根据车间环境温湿度计算得到车间空气密度ρ₁为1.201kg/m³，烘丝机进口热风含湿量d₁含湿量为8.74g/kg，烘丝机出口排潮风密度ρ₂为0.987kg/m³，烘丝机出口排潮风含湿量d₂为59.4g/kg，计算得出排潮风量理论值L₂为7200m³/h，修正后的排潮风量值L为7159m³/h。PID控制器根据计算出的排潮风量，调节风机频率，使得烘丝机出口排潮风量为7200m³/h或7159m³/h，作为优选的，排潮风量选7159m³/h。

本发明测量获取实时的烘丝机进口烟丝质量流量M₁，烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁，烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂，车间空气密度ρ₁，排潮风空气密度ρ₂，并计算实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂，计算出达到出口烟丝目标含水率时烘丝机排潮风量，从而通过调节风机频率改变排潮风量，调节由排潮风带走的烟丝含水量的多少，实现了在筒壁温度和热风温度保持稳定的情况下对烟丝含水率的实时精确控制。相比现有含水率控制方式(调节筒壁温度和热风温度)，本方法的调节反应速度更快，能够更好地减少现有的烟丝含水率控制方式中反应迟滞情况，同时更大程度地避免了同批次烟丝在加工中产生品质差异,保证了卷烟品质，由于本发明对风机变频控制，还在一定程度上降低了能耗，具有十分明显的节能效果。

Claims (3)

1.一种基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A：分别获取实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂，并通过测量获取实时的烘丝机进口烟丝质量流量M₁，烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁，烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂，车间空气密度ρ₁，排潮风空气密度ρ₂；

步骤B：基于水分平衡原理，根据出口烟丝目标含水率，利用步骤A中获取的实时烘丝机进口热风含湿量d₁、烘丝机出口排潮风含湿量d₂、烘丝机进口烟丝质量流量M₁、烘丝机进口烟丝的湿基含水率ω₁、烘丝机出口烟丝的湿基含水率ω₂以及车间空气密度ρ₁，排潮风空气密度ρ₂，计算出烘丝机排潮风量理论值L₂；

步骤C：根据计算出的烘丝机排潮风量理论值L₂，实时调节烘丝机风机运转频率，使烘丝机当前的排潮风量值与排潮风量理论值保持一致；

所述的步骤C中，对计算出的烘丝机排潮风量理论值L₂进行修正，得到修正后的排潮风量值L，实时调节烘丝机风机运转频率，使烘丝机当前的排潮风量值与修正后的排潮风量值L保持一致；

根据水分平衡的修正公式对所述排潮风量理论值进行修正，具体包括以下步骤：

c1：获取烘丝机进口烟丝的干基含水率随时间变化的序列X₁(t)、烘丝机进口烟丝质量流量随时间变化的序列M₁(t)，根据公式(4)，公式(5)和公式(6)得到排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)；

g₁(M₁(t))＝log_e(M₁(t)) (4)

公式(5)中，ω(t)为均值零、方差为σ²的有界白噪声；d表示为过程时滞；A(q^-1)、B(q^-1)和C(q^-1)分别为后项,是算子q^-1的多项式；

c2：获取排潮风量理论值随时间变化的序列L₂(t)，并利用c1中获取的排潮风量理论值的修正量随时间变化的序列ΔL(t)，根据公式7获取修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)；

L(t)＝L₂(t)+ΔL(t) (7)

c3：根据修正后的排潮风量值随时间变化的序列L(t)，得到修正后的排潮风量值L。

2.根据权利要求1所述的基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法，其特征在于：所述的步骤A中实时的烘丝机进口热风含湿量d₁和烘丝机出口排潮风含湿量d₂的获取具体包括以下步骤：

a1：通过测量获取烘丝机进口热风的水蒸气分压力P_q1和当地大气压力B，并根据公式(1)计算烘丝机进口热风含湿量d₁：

a2：通过测量获取烘丝机出口排潮风的水蒸气分压力P_q2和当地大气压力B，并根据公式(2)计算烘丝机出口排潮风含湿量d₂：

3.根据权利要求2所述的基于水分平衡的滚筒式烘丝机烟丝含水率控制方法，其特征在于：所述的步骤B中排潮风量理论值L₂的计算过程如下：

根据公式(3)计算出排潮风量理论值L₂：

公式(3)中，M₁为进入烘丝机中的烟丝质量流量；ω₁为烘丝机进口烟丝的湿基含水率；ω₂为烘丝机出口烟丝的湿基含水率；ρ₂为排潮风空气密度，d₁为烘丝机进口热风含湿量，d₂为烘丝机出口排潮风含湿量。

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