孟庆涛，张振华，岑秉聪

(1.河南中烟有限责任公司漯河卷烟厂 设备管理部，河南 漯河 4620002 ；2.南华大学三力公司 技术部,湖南 衡阳 421001)



卷烟工艺风力平衡控制系统的设计与实现

孟庆涛1，张振华1，岑秉聪2

(1.河南中烟有限责任公司漯河卷烟厂 设备管理部，河南 漯河 4620002 ；2.南华大学三力公司 技术部,湖南 衡阳 421001)

结合卷烟生产工艺，分析了卷烟机风力系统的组成原理、卷烟过程中引起风压波动的原因及对卷烟机工作的影响。针对在卷烟机运行过程中风力的稳定性，提出了基于可编程序控制器、风力总管补风阀、自动风压平衡器、高精度风速传感器等组成的风力平衡控制系统解决方案。介绍了可编程序控制器在控制系统中的硬件组成、软件的设计方法及风力平衡控制系统的实现方法。给出了实际生产过程中的压力及相关数据值。结果表明，卷烟工艺风力平衡控制系统，有效地解决了卷烟机在生产过程中风压波动的问题。卷烟机工作过程中的压力波动值满足相关工艺标准，压力的稳定提高了卷烟机的有效作业率及卷烟品质。

风力平衡；PID调节；可编程序控制器；伺服电机

卷接机组的工艺风力主要应用于卷烟过程中的烟丝输送与除尘，以及在卷烟接嘴过程中，通过风力负压使烟支吸在各种鼓轮上，实现烟支与嘴棒的搓接与传送[1,2]。工艺风力参数是按卷接机组数量来设计，每台机组的支管是以并联的方式接入风力总管的。由于各卷接机组的工艺风力参数彼此有差异，因而各机组的支管压力应视机组工作状态来确定不同的压力值[3-5]；当有机组出现故障或因生产调度安排，要求某些机组关闭或更换卷烟牌号等原因，造成主观或客观上的停机，使处于正常工作的机组的风压及风量发生变化，无法实现自动平衡，经常出现风力波动，甚至发生系统“喘振”等问题，影响机组工作。鉴于对卷烟品质要求不断提高，本文分析了卷烟机除尘的风力供给过程，论证了详细的技术方案，通过采用具有快速响应、高可靠性的PLC控制器及工业现场总线技术、高精度流量及压力传感器,在除尘总管及卷烟机支管上分别加装总管补风阀、带伺服控制器的自动风压平衡装置等调节装置来实现卷烟机工艺风力的风力平衡。

1 系统的硬件组成及设计原理

1.1 风力平衡系统基本原理

除尘系统运行时，控制系统自动调节该除尘系统总管补风阀开度，以保证该除尘系统风机正常工作所需最小风量从而获得稳定除尘系统风压，避免除尘风机喘震影响系统风压波动。

图1 风力平衡系统原理与组成图

在每台卷接机组卷烟机除尘支管上安装自动风压平衡器，当控制系统监测到该卷烟机除尘支管实际风压与设定风压发生较大偏差时，自动调整卷烟支管除尘工作压力，维持卷烟机除尘支管的压力稳定。

1.2 风力平衡系统硬件组成

1.2.1 风压风量测量装置的设置

在工艺风力与除尘系统总管上(风机与除尘器之间)设置一套风量检测传感器，测量除尘系统总管风量[6-7]，风路循环方向如图1中箭头方向所示，110 kW的高压风机为1～4#卷烟机提供负压工艺风力。

风量的原理是利用风速测片(如图2)的迎风面测试孔测量流动气体的全压； 利用测片侧面的测试孔测量流动气体的静压，并分别将“全压”、“静压”从两个接口引出。

将所测的全压与静压分别通过连接软管引入压差变送器，由压差传感器通过压差(全压-静压=动压)计算出管道风速。

风速计算原理是利用伯努力方程 ：

图2 风量传感器测量原理图

1.2.2 自动风量平衡器的设置

在工艺风力与除尘系统总管上(图1，与除尘器相连的总管路)设置一旁路支管与大气相通，使用具有等百分比特性的电动蝶阀控制旁路支管开度，根据1.1节所述风量传感器所监测的工艺风力与除尘系统生产过程中的总管实时风量，与理论设定风量比较，通过优化的控制算法[8]，控制总管补风调节阀门的开度，决定总管补风量的大小，实现总管风量的稳定、平衡。

1.2.3 自动风压平衡器的设置

在每台卷接机组的卷烟工艺风力与除尘支管上安装自动风压平衡器[9,10-11](图1，位于1～4#卷烟机支管上的调节装置)，以控制该卷烟机除尘支管的风压稳定(该支管风压稳定与否，直接关系卷烟的品质)。

卷烟机除尘支管的风压控制原理是在该除尘支管上设置一个高精度负压传感器，实时检测支管负压并与设定的最优工况压力值相比较。通过带死区的PID优化控制算法[12]，控制风压平衡器，以调节生产过程中的支管压力，实时跟踪设定的压力，使支管风压时刻逼近设定的压力值。

1.2.4 风力平衡电气控制系统的硬件组成

风力平衡电气控制系统的硬件包括S7-300 可编程序控制器、带现场总线功能的变频器、ET200S分布式远程I/O子站、DI/DO、AI/AO模块、触摸屏及基于S7-300 可编程序控制器的现场总线网络等。控制系统结构采用分布式Profibus现场总线结构[13,14],如图3所示。

图3 控制系统硬件组态图

2 系统的软件设计

2.1 可编程序控制器编程软件

风力平衡电气控制系统软件设计是围绕S7-300 PLC、触摸屏人机接口画面来进行的。

S7-300 PLC的编程，采用西门子SIMATIC Manager STEP 7 V5.5可编程序控制器软件编程环境；触摸屏HMI接口画面软件编程采用WINCCFLEXIBLE2008西门子触摸屏专用组态软件。

SIMATIC Manager STEP 7 V5.5 编程大致分为硬件组态、编写符号表、组织块、功能、中断服务程序、专用功能块调用、在线调试等。

WINCCFLEXIBLE2008编程分为接口画面设计、符号变量与PLC的连接、报警、实时、历史数据监测、参数设定等[5]。

2.2 风力平衡系统控制软件设计

控制软件主要包括风速及风压采集与滤波处理程序， 总管风量的闭环调节-PID算法程序(通过除尘总管压差传感器及补风阀来实现)，卷接机组卷烟机除尘支管压力的闭环调节-PID算法程序(通过除尘支管压力传感器及自动风压平衡器来实现)，PID参数的整定等[15-16]。

以下主要说明风力平衡系统与自动调节密切相关的PID算法程序及PID参数的整定。

2.3 总管风量的闭环调节-PID算法原理与编程

PID算法原理：PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

式中积分的上下限分别是0和t。其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数[17]。

PID算法实现：

总管风量调节算法采用带死区的PID控制算法[1]。

式中的p(k)为设定风压差r(k)与实际风压差y(k)偏差信号，它是PID调节的输入，满足以下条件：

当│r(k)-y(k)│>e时，p(k)=e(k);

当│r(k)-y(k)│<=e时，p(k)=0;±e为死区范围；

采用带死区的PID算法，可以避免调节动作过于频繁，使系统产生振荡，对控制不利。死区范围是可改变的，根据实际情况，通过触摸屏HMI可输入一个合适的值。

西门子可编程序控制器提供了PID运算功能块FB41，只要在编程时调用即可，该功能块使用方便，功能强大。FB41功能块的原理框图见图4所示。

SP_INT:为设定值输入；PV_IN:为过程值(经软件滤波后的实际值)输入；DEADB_W:为死区值输入；LMN:为控制器输出值。

2.4 PID参数整定

PID控制使系统在消除系统静差、提高系统动态性能等方面提高了品质因数。PID参数整定应用SIMATICManager STEP7 V5.5集成开发平台内嵌PID参数整定程序，采用Ziegler-Nichols 方法[1]设置PID参数。Ziegler-Nichols 方法的PID参数初始赋值采用经典比例积分微分规则：Kp=0.6Ku；Ki=2Kp/Tu；Kd=Kp*Tu/8[1]。

当在线链接可编程序控制器时，可通过调用SIMATIC>STEP7>PID控制参数赋值程序，利用已建立的关联数据块，使用上述方法填入参数，观察实际值曲线与设定值的变化关系，从而确定PID控制参数是否适合当前应用的控制过程。

3 数据测试

表1是一组总管风压、风机电流及功率在实际生产过程中的检测数据(设定压力值为11 000 Pa)：

图4 PID算法原理框图

表1 两种工况下系统风压等运行参数测试表

工况1：系统运行参数(频率46Hz，2台卷烟机运行，补风阀开度38%)时间功率/kW电流/A压力/Pa2015-1-1149 7797 19113172015-1-1251 12102 38113212015-1-1355 5795 97113642015-1-1455 18101 22112982015-1-1554 33105 3411274均值54 435101 0911314 8工况2：系统运行参数(频率46Hz，3台卷烟机运行，补风阀开度0%)时间功率/kW电流/A压力/Pa2015-1-2064 16122 63113622015-1-2157 87123 44112532015-1-2259 91123 31111352015-1-2365 03113 89112672015-1-2464 72118 3911122均值62 90120 4611227 8

由表1数据计算两种工况的压力波动，计算公式为100%*(平均值-设定值)/设定值：

工况1：100%(11 314.8-11 000)/11 000=2.86%，工况2：100%*(11 227.8-11 000)/11 000=2.07%。由此可见，系统在生产过程中，压力稳定，波动<±3%,符合规范要求[4]。

4 结论

基于可编程序控制器的风力平衡控制系统，通过高精度风量检测器实时检测除尘总管风量值。采用PID控制算法，控制每台卷接机组的伺服式风压平衡器和系统总管的补风量调整装置，使整个除尘系统更易实现风力的自动平衡，确保工艺风力系统稳定，减少因风力波动对产品质量的影响。彻底消除系统喘振，避免喘振现象对管道、机房、除尘设备的危害，消除了安全隐患。

风力平衡控制系统采用硬件及软件的模块化设计方法、控制系统开放性的设计思想，系统具有很好的扩展柔性及较高的性价比，系统的控制精度高、运行稳定、可靠、故障率低、维护简单，满足了卷烟生产对风压稳定的要求，自动风力平衡系统已通过河南省科技厅鉴定并在多家烟厂得到推广应用，对提高产品品质效果显著。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：刘敬钰)

Design and realization of airflow stability control system of cigarette technology

MENG Qing-tao,ZHANG Zhen-hua,CEN Bing-cong

(1.Equipment Department,China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.Luohe Cigarette Factory，Luohe 462000,China;2.Technology Department SUNNY-Company Nanhua University Hengyang 421001,China)

The composition principle of cigarette machine airflow system， the reasons for air pressure fluctuation in the process of cigarette making,and the effect on cigarette machine operation were analyzed in this paper.Aimed at stability of the airflow during the operation of cigarette machine,the solution to wind power balance control system was presented based on PLC,airflow duct supply-air-valve,air pressure auto-balance device,and high-precision air velocity transducer.The hardware components,the method of software design,and the realization method of wind balance control system were introduced,and the pressure and related data of the machine during its operation were also provided.The results show that the pressure fluctuation problem during the cigarette machine operation was effectively solved by the airflow balance control system of the cigarette technology.The pressure fluctuation value during the cigarette machine working meets the relevant technical standard.The improvement of machine’s high work efficiency and the quality of cigarettes relies on the stability of the airflow.

airflow stability；PID-adjusting；PLC；servo-motor

2015-01-20

孟庆涛(1972-)，男，河南漯河人，工程师，主要研究方向：卷烟设备管理技术，E-mail：lhxj1717@126.com。

2095-1248(2015)04-0044-06

TS433

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.008