CN109549241A - 一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型、蒸汽加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型和方法，包括：预热阶段控制单元、生产阶段控制单元以及其他阶段控制单元；预热阶段控制单元包含一个蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1，在制丝筒式烟机处于预热阶段时，激活蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1工作；在制丝筒式烟机处于生产阶段，且检测到制丝筒式烟机的出口物料温度时，生产阶段控制单元获取蒸汽阀门中心值，并读取设定参数值，根据设定参数值计算至少一个温度门限值；根据制丝筒式烟机的出口物料温度与每个温度门限值的大小关系和获取的蒸汽阀门中心值，控制薄膜蒸汽阀开度；在制丝筒式烟机处于其他阶段时，其他阶段控制单元按照工艺需求关闭或百分比开启薄膜蒸汽阀。

Description

一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型、蒸汽加热控 制方法

技术领域

本发明属于制丝筒式烟机的加热控制领域，具体涉及一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型和一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型方法。

背景技术

烟草制丝工艺筒式回潮设备有制丝线叶片松散回潮机、切丝机前润叶回潮和梗丝线刮板蒸梗机等，筒式回潮设备的主工艺蒸汽主要用于对物料进行增温并回潮。在蒸汽管路上，主要通过改变主工艺蒸汽薄膜阀开度来控制进入设备蒸汽量的多少，从而实现物料增温工艺的自动化控制。

随着烟草设备智能化程度提升，新一代筒式回潮设备产能加倍，筒体直径和长度均有增加，导致筒内加工物料量随之增加。主工艺蒸汽进入筒体与物料接触后发生工艺作用，还需要经过很长时间才能到达筒体出口进行反馈调节。因此，简单地基于单PID闭环式控制的主工艺蒸汽控制模型无法满足日益精细化的工艺要求，该控制模型主要缺点为出口物料波动较大、PID参数整定难度大、控制相对滞后以及需要人工干预等缺点。

德国HAUNI公司产和国产秦皇岛烟机研制的多种筒式回潮设备中，主蒸汽管路普遍采用单PID闭环式的控制方式，由于上述原因，出口物料波动较大以及控制相对滞后，并容易造成物料上头“过干”或“过湿”的现象。故而，现有烟草制丝工艺筒式回潮控制模型均无法精确控制出口物料的温度。

申请公布号为CN106690390A的专利申请公开了一种温度控制方法，该温度控制方法主要通过获取的热风温度和预定的温度阈值进行比较，根据比较结果来调节蒸汽的比例，该方法应用于整个筒式回潮设备工作阶段时，会实时地做比较来调节蒸汽的比例，会消耗很大的电量。

申请公布号为CN108549429A的专利申请公开了一种松散回潮滚筒工艺气温度控制方法，该控制方法通过对烟块加水量变化进行预判，并提前来调节蒸汽定位阀开度，以此来消除加水量对工艺气温度的影响。在整个筒式回潮设备工作阶段时，采用一种控制方法在保证温度稳定性的情况下会消耗更多的能量，成本大。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，该控制模型会根据不同的生产状态和加热温度区间采取不同的控制策略，以实现物料温度稳定平稳、精确无滞后的自动控制。

本发明的另一目的是提供一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制方法，该控制方法应用了上述蒸汽加热控制模型，能够根据不同的生产状态和加热温度区间采取不同的控制策略，以实现物料温度稳定平稳、精确无滞后的自动控制。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，包括：预热阶段控制单元、生产阶段控制单元以及其他阶段控制单元；

所述预热阶段控制单元包含一个蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1，在制丝筒式烟机处于预热阶段时，激活蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1工作；

在制丝筒式烟机处于生产阶段，且检测到制丝筒式烟机的出口物料温度时，所述生产阶段控制单元获取蒸汽阀门中心值，并读取设定参数值，根据设定参数值计算至少一个温度门限值；根据制丝筒式烟机的出口物料温度与每个温度门限值的大小关系和获取的蒸汽阀门中心值，控制薄膜蒸汽阀开度；

在制丝筒式烟机处于其他阶段时，所述其他阶段控制单元按照工艺需求关闭或百分比开启薄膜蒸汽阀。

在本发明中，所述蒸汽阀门中心值来自于：

通过最优阀门开度值算法计算出的最优阀门开度值作为蒸汽阀门中心值；和/或，

设定的经验阀门值作为蒸汽阀门中心值。

在实际应用中，根据操作人员的选择获取是以经验阀门值作为蒸汽阀门中心值，还是利用最优阀门开度值算法计算得到的最优阀门开度值作为蒸汽阀门中心值。最优阀门开度值算法会根据实时获取的出口物料温度计算最优阀门开度值，这样能够更精确地获得蒸汽阀门中心值。经验阀门值是需要设定到系统中，不需要额外的算法计算，会降低因计算带来的消耗。

其中，所述通过最优阀门开度值算法计算出的最优阀门开度包括：

(a)在获取完整物料批次信息后，从完整物料批次信息中按照时间节点截取数组1{出口物料温度1、出口物料温度2、……、出口物料温度N}，数组2(阀门开度值1、阀门开度值2、……、阀门开度值N)其中，出口物料温度j与阀门开度值j为同一时间节点获得的数据，1≤j≤N，以以出口物料温度1为当前出口物料温度；

(b)从当前出口物料温度按照时间顺序向后查找出口物料温度，当连续n个出口物料温度处于温度稳定范围内时，则从当前出口物料温度到第n个出口物料温度为出口物料温度平稳段，计算当前出口物料温度随后的n-1个时间节点上的阀门开度值的平均值作为该出口物料温度平稳段的阀门开度平均值；

(c)依次将当前出口物料温度下一时间节点的出口物料温度为当前出口物料温度并重复执行步骤(b)，直到获得所有出口物料温度平稳段的开度平均值；

(d)将所有出口物料温度平稳段的开度平均值再取平均值，获得最优阀门开度值。

具体地，步骤(a)中，以1分钟为时间节点，将1分钟内的至少n个数据的平均值作为一个时间节点的数据。此外，为了获得精确的数据，在截取数据前，还需要对数据进行平滑滤波处理。

在每个出口物料温度平稳段中，由于当前出口物料温度对应的阀门开度值可能处于大范围调整阶段，所以根据当前出口物料温度随后的n-1个时间节点上的阀门开度值来计算出口物料温度平稳段的阀门开度平均值。这样能够避免因取到非平稳控制的阀门开度值导致出口物料温度平稳段的阀门开度平均值不够精确。

举例说明，假设当前出口物料温度为出口物料温度3，则当连续的6个出口物料温度处于温度稳定范围内时，也就是出口物料温度3～出口物料温度8处于温度稳定范围内时，从出口物料温度3到出口物料温度8为出口物料温度平稳段，计算当前出口物料温度随后的5个时间节点上的阀门开度值(也就是阀门开度值4～阀门开度值8)的平均值作为该出口物料温度平稳段的阀门开度平均值。下一次时，以出口物料温度4作为当前出口物料温度，当出口物料温度4～出口物料温度9处于温度稳定范围内时，计算阀门开度值5～阀门开度值9这5个阀门开度值的平均值作为该出口物料温度平稳段的阀门开度平均值。

本发明中，温度稳定范围是指当前出口物料温度的正负偏差2℃的温度范围。当然，温度稳定范围还可以是前出口物料温度的正负偏差任意几摄氏度的温度范围，根据具体的实际情况设定，在此不受限制。

其中，所述获取设定参数值，根据设定参数值计算至少一个温度门限值包括：

所述设定参数值包括出口温度设定值、蒸汽阀门中心值、出口温度临界值1、出口温度临界值2以及阀门调整值，其中，出口温度临界值1<出口温度临界值2；

所述温度门限值包括温度上上限、温度上限、温度下限以及温度下下限，其中：

温度上上限＝出口温度设定值+出口温度临界值2；

温度上限＝出口温度设定值+出口温度临界值1；

温度下限＝出口温度设定值-出口温度临界值1；

温度下下限＝出口温度设定值-出口温度临界值2。

具体地，所述根据制丝筒式烟机的出口物料温度与每个温度门限值的大小关系和获取的蒸汽阀门中心值，控制薄膜蒸汽阀开度包括：

若出口物料温度>温度上上限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值-阀门调整值；

若出口物料温度<温度上上限，并且出口物料温度>温度上限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值；

若出口物料温度<温度上限，并且出口物料温度>温度下限，则薄膜蒸汽阀开度初始值＝蒸汽阀门中心值，并激活出口温度反馈蒸汽PID回路2，根据出口物料温度来进行PID反馈调节蒸汽薄膜阀；

若出口物料温度<温度下限，并且出口物料温度>温度下下限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值；

若出口物料温度<温度下下限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值+阀门调整值。

该蒸汽加热控制模型能在设备不同的运行阶段正确选择蒸汽压力反馈蒸汽PID回路、出口温度反馈蒸汽PID回路或者根据设定规则定值控制，既在生产中实现出口温度精确控制，也能在预热和收尾阶段保持物料均匀稳定。此外，该蒸汽加热控制模型实现了不同PID自动切换的功能以及根据历史数据自动计算出稳态控制时的最优阀门开度；提高了筒式回潮设备的控制能力，稳定了物料温度波动范围，消除单一回路PID控制滞后性；消除了人为干预不及时、不精确等因素的影响。

一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制方法，该蒸汽加热控制方法中应用了上述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型。

该控制方法应用了上述蒸汽加热控制模型，能够根据不同的生产状态和加热温度区间采取不同的控制策略，以实现物料温度稳定平稳、精确无滞后的自动控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型的结构示意图；

图2是实施例提供的蒸汽加热控制模型的工作流程图；

图3是实施例提供的最优阀门开度值算法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了减小制丝筒式烟机的出口物料稳定波动以及调节不及时等缺点，本实施例提供了一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型。

如图1所示，该蒸汽加热控制模型100具体包括预热阶段控制单元101、生产阶段控制单元102以及其他阶段控制单元103；

其中，预热阶段控制单元101包含一个蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1，在制丝筒式烟机处于预热阶段时，激活蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1工作；

在制丝筒式烟机处于生产阶段，且检测到制丝筒式烟机的出口物料温度时，生产阶段控制单元102获取蒸汽阀门中心值，并读取设定参数值，根据设定参数值计算至少一个温度门限值；根据制丝筒式烟机的出口物料温度与每个温度门限值的大小关系和获取的蒸汽阀门中心值，控制薄膜蒸汽阀开度；

在制丝筒式烟机处于其他阶段时，其他阶段控制单元103按照工艺需求关闭或百分比开启薄膜蒸汽阀。

如图2所示，上述蒸汽加热控制模型的具体工作过程为：

当制丝筒式烟机开机时开始循环扫描执行本控制模型的程序，如果设备进入预热状态(也就是预热阶段)，则激活蒸汽压力反馈蒸汽PID回路1，根据预热阶段蒸汽压力来进行PID反馈调节蒸汽薄膜阀，其中，SP1为预热阶段设定的蒸汽压力，PV1为实际蒸汽压力，CV1为蒸汽薄膜阀开度。

如果制丝筒式烟机进入生产状态(也就是生产阶段)并且出口传感器检测到出口物料温度，则首先询问操作人员是否要进行查找最优阀门开度值的算法，若是则将计算出的最优阀门开度值作为阀门中心值，为出口温度进入非稳态的区间的平稳控制作参数计算。若否，则将经验阀门值(人工设定)作为蒸汽阀门中心值。

其中，如果发现最近生产完的历史数据中出口温度SD值(标准差值)偏大，或者出口温度实际均值明显大于或小于出口温度设置值，则表示该控制模型的之前设定的阀门经验值与设备实际理论阀门中心最优值存在较大的偏差。因此，需要通过调出最近一批次的生产数据，根据查找最优阀门开度值算法自动计算出和设备实际理论阀门中心最优值较为接近的值，进行新的批次生产。

随后读取系统设定的参数值，主要包括：出口温度设定值、蒸汽阀门中心值、出口温度临界值1、出口温度临界值2(出口温度临界值1<出口温度临界值2)和阀门调整值。

接着根据出口温度设定值、出口温度临界值1和出口温度临界值2计算出控制过程值，主要包括：温度上上限、温度上限、温度下限和温度下下限。计算公式如下：

温度上上限＝出口温度设定值+出口温度临界值2；

温度上限＝出口温度设定值+出口温度临界值1；

温度下限＝出口温度设定值-出口温度临界值1；

温度下下限＝出口温度设定值-出口温度临界值2；

激活生产阶段控制方法，根据出口物料温度与温度上上限、温度上限、温度下限和温度下下限的大小关系，划分出五个温度区间，分别用不同的方法进行控制。

若出口物料温度>温度上上限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝阀门中心值-阀门调整值；

若出口物料温度<温度上上限并且出口物料温度>温度上限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝阀门中心值；

若出口物料温度<温度上限，并且出口物料温度>温度下限，则薄膜蒸汽阀开度初始值＝中心阀门值；激活出口温度反馈蒸汽PID回路2，根据根据出口物料温度来进行PID反馈调节蒸汽薄膜阀，其中SP2＝设定出口物料温度，PV2＝实际出口温度，CV2＝蒸汽薄膜阀开度；

若出口物料温度<温度下限并且出口物料温度>温度下下限则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝阀门中心值；

若出口物料温度<温度下下限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝阀门中心值+阀门调整值。

如果设备进入其他生产阶段，则按照工艺需求关闭或百分比开启薄膜阀；同理，生产结束时，关闭薄膜阀，程序执行结束。

国内普遍使用的烟草制丝筒式回潮设备生产阶段分为预热、待机、生产、收尾、冷却阶段。其中，预热、待机、生产阶段蒸汽薄膜阀均保存开启状态，并根据工艺要求自动控制阀门开度；而收尾、冷却阶段均保持蒸汽薄膜阀关闭状态。

如图3所示，查找最优阀门开度值算法流程如下，首先检查是否完整获取一个批次的生产信息，若是则进行下列算法，若否则无法获取最优阀门开度值，程序报错。

当批次信息完整时，先做批次信息整理，将出口物料温度、阀门开度值以1分钟为单位取点，每个点可如下处理得到：PLC内添加平滑滤波块，做平滑滤波处理；数采系统上按10秒取一个点，一分钟6个点取平均数。然后将得到数据按时间顺序排列、一一对应，得到表示出口物料温度的数组1[tmp1,tmp2,tmp3,tmp4,…,tmpN]和表示阀门开度值的数组2[vaule1,vaule2,vaule3,vaule4,…,vauleN]。

接着，利用内外嵌套循环的编程方法查找最优阀门开度值。先以第一个出口物料温度tmp1开始查询，直到第N-6个点。以当前出口物料温度节点为起点，查找连续多少个点在稳定的温度范围内(例如温度正负偏差2℃)，如果点数大于6个，则该段为出口温度平稳的段，并计算出该段第2个点以后的所有阀门开度平均值。

由于，该出口温度平稳段之前阀门可能还处于大范围调整阶段，所以从第二点以后开始取点计算平均值，能规避取到非平稳控制的阀门开度值。

最后再求出所有出口温度平稳的段阀门开度平均值的平均值，即为最优阀门开度值。若取值成功，查找最优阀门开度值的程序执行结束。以C语言为例，内外嵌套for语句的程序范例如下所示。

该蒸汽加热控制模型能在设备不同的运行阶段正确选择蒸汽压力反馈蒸汽PID回路、出口温度反馈蒸汽PID回路或者根据设定规则定值控制，既在生产中实现出口温度精确控制，也能在预热和收尾阶段保持物料均匀稳定。此外，该蒸汽加热控制模型实现了不同PID自动切换的功能以及根据历史数据自动计算出稳态控制时的最优阀门开度；提高了筒式回潮设备的控制能力，稳定了物料温度波动范围，消除单一回路PID控制滞后性；消除了人为干预不及时、不精确等因素的影响。

本实施例还公开了一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制方法，该蒸汽加热控制方法中应用了上述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型。

该控制方法应用了上述蒸汽加热控制模型，能够根据不同的生产状态和加热温度区间采取不同的控制策略，以实现物料温度稳定平稳、精确无滞后的自动控制。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，包括：预热阶段控制单元、生产阶段控制单元以及其他阶段控制单元；

所述预热阶段控制单元包含一个蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1，在制丝筒式烟机处于预热阶段时，激活蒸汽压力反馈控制蒸汽PID回路1工作；

在制丝筒式烟机处于生产阶段，且检测到制丝筒式烟机的出口物料温度时，所述生产阶段控制单元获取蒸汽阀门中心值，并读取设定参数值，根据设定参数值计算至少一个温度门限值；根据制丝筒式烟机的出口物料温度与每个温度门限值的大小关系和获取的蒸汽阀门中心值，控制薄膜蒸汽阀开度；

在制丝筒式烟机处于其他阶段时，所述其他阶段控制单元按照工艺需求关闭或百分比开启薄膜蒸汽阀。

2.如权利要求1所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，所述蒸汽阀门中心值来自于：

通过最优阀门开度值算法计算出的最优阀门开度值作为蒸汽阀门中心值；和/或，

设定的经验阀门值作为蒸汽阀门中心值。

3.如权利要求1所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，所述通过最优阀门开度值算法计算出的最优阀门开度包括：

(a)在获取完整物料批次信息后，从完整物料批次信息中按照时间节点截取数组1{出口物料温度1、出口物料温度2、……、出口物料温度N}，数组2(阀门开度值1、阀门开度值2、……、阀门开度值N)其中，出口物料温度j与阀门开度值j为同一时间节点获得的数据，1≤j≤N，以以出口物料温度1为当前出口物料温度；

(b)从当前出口物料温度按照时间顺序向后查找出口物料温度，当连续n个出口物料温度处于温度稳定范围内时，则从当前出口物料温度到随后的第n-1个出口物料温度为出口物料温度平稳段，计算当前出口物料温度随后的n-1个时间节点上的阀门开度值的平均值作为该出口物料温度平稳段的阀门开度平均值；

(c)依次将当前出口物料温度下一时间节点的出口物料温度为当前出口物料温度并重复执行步骤(b)，直到获得所有出口物料温度平稳段的开度平均值；

(d)将所有出口物料温度平稳段的开度平均值再取平均值，获得最优阀门开度值。

4.如权利要求3所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，步骤(a)中，以1分钟为时间节点，将1分钟内的至少n个数据的平均值作为一个时间节点的数据。

5.如权利要求3所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，步骤(a)中，在截取数据前，还需要对数据进行平滑滤波处理。

6.如权利要求3所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，温度稳定范围是指当前出口物料温度的正负偏差2℃的温度范围。

7.如权利要求1所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，所述获取设定参数值，根据设定参数值计算至少一个温度门限值包括：

所述设定参数值包括出口温度设定值、蒸汽阀门中心值、出口温度临界值1、出口温度临界值2以及阀门调整值，其中，出口温度临界值1<出口温度临界值2；

所述温度门限值包括温度上上限、温度上限、温度下限以及温度下下限，其中：

温度上上限＝出口温度设定值+出口温度临界值2；

温度上限＝出口温度设定值+出口温度临界值1；

温度下限＝出口温度设定值-出口温度临界值1；

温度下下限＝出口温度设定值-出口温度临界值2。

8.如权利要求7所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型，其特征在于，所述根据制丝筒式烟机的出口物料温度与每个温度门限值的大小关系和获取的蒸汽阀门中心值，控制薄膜蒸汽阀开度包括：

若出口物料温度>温度上上限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值-阀门调整值；

若出口物料温度<温度上上限，并且出口物料温度>温度上限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值；

若出口物料温度<温度上限，并且出口物料温度>温度下限，则薄膜蒸汽阀开度初始值＝蒸汽阀门中心值，并激活出口温度反馈蒸汽PID回路2，根据出口物料温度来进行PID反馈调节蒸汽薄膜阀；

若出口物料温度<温度下限，并且出口物料温度>温度下下限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值；

若出口物料温度<温度下下限，则蒸汽薄膜阀采用定值控制，薄膜阀开度＝蒸汽阀门中心值+阀门调整值。

9.一种应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制方法，其特征在于，该蒸汽加热控制方法中应用了如权利要求1～8任一项所述的应用于制丝筒式烟机的蒸汽加热控制模型。