1 引言
早期的薄片水份控制在烟草行业的应用主要是以人为控制为主,而且水份控制从开始调节到进入稳定需要一定的时间,从而造成了生产过程中料头、料尾的产品质量无法达到设定要求,影响了产品内在质量的稳定性。为了解决以上问题,在新的自控系统中,采用多闭环控制及分阶控制,来解决料头、料尾在生产过程中存在的质量不稳定现象,把外界因素对生产所造成的影响降到最低,从而保证了产品质量[1]。
2 设计目标
本系统设计目标是使系统具有先进性、安全性、开放性、可维护性、可操作性、经济实用性。系统设计简单、易于重构;人性化的操作界面,通过对设备生产阶段状态真实直观的反映,使操作人员清楚地掌握在控设备的运行状态和过程;完善的报警、提示、诊断功能。系统运行安全可靠、控制稳定是对电控系统最基本、最重要的要求。为保证该系统的质量可靠,一是在总体设计上采用先进、成熟的技术;二是使用国内外名牌厂家的优质产品;三是在设计、生产、安装和调试中执行严格的ISO 9001质量管理规范;四是操作端有严格的用户权限功能,保证系统的安全运行。对各类操作人员进行操作授权管理;人员操作安全、设备安全符合国家相关规范。
3 系统设计
在生产过程中,由于来自外界的各种扰动不断产生,要想达到现场被控对象值保持恒定的目的,控制作用就必须不断进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化,现场监测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器,改变过程变量值,经变送器送至PID控制器的输入端,并与其给定值进行比较得到偏差值,调节器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号,去改变调节器的开度,使调节器的开度增大或减少,从而控制现场控制对象值发生变化,并趋向于给定值,以达到控制目的,系统的工艺流程图见图1所示。
3.1 阶段控制流程图
薄片水份控制原系统是以手动调节阀门开度控制烘丝薄片水份,烘丝后水份仪以及增温增湿滚筒后水份仪作为参照。
目前根据烘丝后水份仪判断物料信号,在原系统管路的基础上增添相应的涡街流量计、增温湿控制薄膜阀以及相应的电磁阀,与设备之间的相关信号采用硬联锁,取原控制系统中的水份仪所采的水份数据经过PID控制来调节薄片的水份,薄片烘丝水份控制阶段流程图见图2所示。
(1) 阶段说明:
OFF阶段,即烘丝机在非工作状态下状态或空转状态;
预热阶段,利用蒸汽给烘丝机内部加热器加热,使其到达预设温度;
头料阶段,烘丝机入口检测有料到出口水份仪测到水份;
生产阶段,即烟丝经过头料阶段即进入生产阶段;
尾料阶段,烘丝机入口无料到烘丝机出口无料。
(2) 阶段转换:
OFF阶段进入预热阶段,按下操作屏上的预热启动按钮,相关设备无故障的情况下将进入预热阶段;反之,按下操作屏上的预热停止按钮,将进入OFF阶段。
预热阶段进入头料阶段,预热温度达到前端允许进料,当前端水份仪检测到物料后,经一定时间延迟后物料进入烘丝机入口,头料阶段开始;至出口水份仪检测到水份时,头料阶段结束,转至生产阶段。生产阶段进入尾料阶段,烘丝机入口无料即进入尾料阶段;至烘丝机内物料全部走空尾料阶段结束,转至预热阶段。
3.2 薄片烘丝水份控制系统流程
薄片烘丝水份控制系统流程见图3所示。
当出口的水份仪检测到薄片实际水份与出口水份设定值由偏差时,控制器输入端对偏差值经过对初始的加蒸汽量进行修正,即过程加蒸汽量的设定值为初始的加蒸汽量与修正值之和。而PID控制器根据流量变送器传来的实际值,发出控制信号去调节气动阀的开度,解决了现场扰动因素,保证实际加蒸汽量趋向于过程加蒸汽量的设定值,从而确保了薄片出口水份的稳定性。控制简图见图4所示[2]。
头料阶段处理:物料信号经延迟后到滚筒入口进入头料处理阶段,经过设定时间后(360s),出口测量有物料经过,即头料阶段结束。头料阶段蒸汽量控制,是以设定控制阀初始开度(15%)递增到最终设定值(45%)。
尾料阶段处理:入口物料进入料尾阶段,经过设定时间后(300s),料尾阶段结束。尾料阶段蒸汽量控制,是以设定控制阀初始开度(15%)递减到0。
测量元件故障处理:由于该系统有些测量元件独立于原控制系统或与原系统硬连锁连接断线故障,原控制系统测量不到,该控制系统为了保证原系统的正常生产以及水份控制不受系统控制,故添加安全输出值。
4 硬件选型
选用西门子的S7-300 PLC作为中央控制器,如图5~图7所示。CPU选用315-2DP型。它具有MPI接口,数字量DI／DO寻址范围分别是2048 byte, 模拟量AI／AO分别是1024个。计数器和计时器分别是256个。除本身具有256Kbyte存储器外,还可用MMC闪存卡扩充8Mbyte存储器[3]。
模拟量输入模块选用一块SM 331型。8路模入。每路均光电隔离,分辨率12位。具有反极性保护功能。采用4-20ma的电流输入方式。与现场的传感器采用带屏蔽的双绞线连接,长度小于200m。
模拟量输出模块选用一块SM 332型。4路模出。每路均光电隔离,分辨率11/12位,带有源背板总线。采用4-20ma的电流驱动输出方式。与现场的执行机构采用带屏蔽的双绞线连接,长度小于200m。
5 控制程序
5.1 料头、料尾处理程序
头料阶段处理:物料信号经延迟后到滚筒入口进入头料处理阶段,经过设定时间后(以实际测量时间为准),出口测量有物料经过,即头料阶段结束,进入工作阶段。头料阶段蒸汽流量控制,是以设定流量值递减到初始值。
尾料阶段处理:入口物料进入料尾阶段,经过设点时间后(以实际测量时间为准),料尾阶段结束,系统进入停机阶段,关闭所有控制阀门。尾料阶段蒸汽流量控制,是以初始值递增到设定流量,处理程序见图8[4]。
5.2 过程控制与故障处理程序
由于该系统有些测量元件独立于原控制系统或与原系统硬连锁连接断线故障,原控制系统测量不到,该控制系统为了保证原系统的正常生产以及水分控制不受系统控制,故添加安全输出值,处理程序见图9[5]。
6 结束语
烘丝薄片水份控制原系统是由手动调节阀控制的,控制原理是操作工根据出口的水份大小,来改变蒸汽阀门的开度,补充或减少蒸汽的流量来控制烘丝机的温度最终保证出口水份满足工艺要求,工艺要求:12.5±1(%)、控制精度:12.5±1.5(%)。系统改造后将烘丝机入口、出口水份仪数据经过4~20mA的信号取到PLC,以及将现场的手动调节阀更改成经过4~20mA信号来控制的自动调节阀门;控制原理:PLC根据入、出口水份的变化自动调节阀门的开度,更改后的系统在代替原系统的基础上又增添了料头、料尾以及故障安全输出等相关处理,保证了系统的控制稳定性、可靠性以及高精度性。
参考文献:
[1] 孙霞等.造纸法烟草薄片萃取技术研究[J].湖北造纸,2010,(l41):13-15.
[2] 薛迎成.PLC与触摸屏控制技术[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3] 西门子S7-300可编程控制器手册[Z].SEIMENS,2007.
[4] 西门子SETP7编程语言v5.4[Z].SEIMENS,2007.
[5] 刘金琨.先进PID控制技术及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.
作者简介:张桉齐(1992-),男,学生,研究方向:自动控制专业。