程勇 朱锋 李浩 周新宙

摘要：烟叶复烤作为打叶复烤加工工艺中必不可少的重要环节，其作用在于调控烟叶水分、去杂保香、灭虫灭菌，使片烟更适合贮存、醇化。针对目前烤片机水分控制精度不够、人工调控反应慢等问题，作者将常规PID控制与闭环控制原理相结合，利用机尾红外水分仪进行水分检测，以回潮区雾化喷水量及机尾双向皮带转向为调控手段，设计出多个操作变量的烟叶复烤四重控制模式，有效提高烤片机出口烟叶水分的控制精度。

关键词：烟叶复烤;烟叶水分;PID控制;四重控制

随着时代的进步与发展，卷烟工业企业对复烤后烟叶水分要求不再仅限于合格，同时还要求同批次烟叶水分均匀稳定。为了获得较好的控制效果，复烤厂对烤片机温度采用了PID控制，而对出口烟叶水分未有较好的控制策略，主要依靠人工手动调节参数，使出口烟叶水分达到客户要求的合格范围内，导致烤片机烟叶水分调控存在控制精度不够、调控反应速度慢等问题，也满足不了目前客户对复烤烟叶水分均匀性的要求。

常规PID控制由于其简单方便、适用性强等特点，广泛运用于工业企业控制过程中，但对于烟叶复烤这种多干扰、强耦合、不确定的过程控制，难以实现有效调控[1-2]。为此，考虑回潮区雾化喷水量对复烤烟叶水分的调控最具直接性和有效性，作者有效规避了烟叶复烤过程中温度与水分之间的耦合作用，以调控回潮区湿度为突破口，结合常规的PID控制与闭环控制原理，设计了多个操作变量的四重控制模式。

1 系统设计

目前，大多复烤厂基本采用的是以基于PID温度控制为辅，人工调控为主的一种传统的控制系统。该控制方法易受人为因素影响，对烤片机挡车工技术、经验要求较高，不易实现烤片机烟叶水分在较小范围内波动需求，达不到客户预期效果。

作者借鉴预控图理论，制定了水分分布图（如图1所示），并针对烤片机机尾烟叶水分处于不同范围，制定了相应的调控策略，最终形成了烟叶复烤的四重控制模式。

如图1所示，C区位目标区域，机尾烟叶水分理想控制范围;A、B区为预警区域，其中B区为轻度警戒区、A区位高度警戒区;A区之外为不合格区域。

调控原理：①当机尾检测水分落在C区（理想状态）时，烤片机不做任何调控;②当机尾检测水分落在B区时，烤片机程序通过PID算法，直接调节回潮区高压水泵频率，实现烟叶水分微调，使烟叶水分落在目标区域C区中;③当机尾检测水分落在A区时，烤片机程序自动调控雾化喷嘴开启对数，实现烤片机烟叶水分的快速调节，使烟叶水分落在目标区域C区;④当机尾检测水分落在A区之外（不合格）时，烤片机将自动开启烟叶进柜功能，待烟叶水分合格后，自动关闭进柜功能，出库烟叶进入下一工序。

2 方案实施

2.1硬件方面

针对雾化喷嘴易堵塞的问题，对烤片机水箱进水管道进行了改造，在水箱前加装了疏水阀和进水过滤器。通过两周的使用观察，8对（16组）雾化喷嘴点检结果均正常，为烟叶水分调控有效实施提供了硬件保障。

2.2 软件方面

2.2.1 干燥区、冷房温度控制

修改干燥区、冷房基于PID控制器的锯齿式温度调控法，依据烟叶来料特性、流量、温度T梯度变化，整定PID参数设置[3]，实现了干燥区、冷房温度平稳控制，降低了烟叶水分因干燥不均匀带来的差异性。

2.2.2 出口水分仪检测

考虑因烤片机机尾叶片结构检测取样等干扰引起的水分仪检测值异常情况，作者结合水分仪检测频率，修改烤后水分检测反馈程序，并对此类异常值进行合理剔除，避免响应程序误反应。

2.2.3 水泵频率控制

增设烟叶水分判断机制程序和水泵频率PID控制程序。其工作原理为：（1）通过设定高压水泵频率上下限，确保八组雾化喷嘴雾化效果;（2）通过实时水分检测值与设定值的偏差，判断当前水分所在区域是否为轻度警戒区（B区）;（3）若检测水分处于B区时，通过实时监测值与设定值进行比较，利用PID算法计算水泵频率输出控制值。通过改变回潮区高压水泵频率，可实现回潮区雾化水量控制，促使出口烟叶水分处于目标区域。

2.2.4 雾化喷嘴启停控制

增设判断机制程序、雾化喷嘴调控运算程序以及回潮区雾化喷嘴调控执行程序。其工作原理为：（1）通过实时水分检测值与设定值的偏差，判断当前水分所在区域是否处于严重警戒区（A区）;（2）当前水分处于A区时，若当前水分检测值高于设定值，回潮区将关闭一对处开启状态且最靠近烤季出口的雾化喷嘴;若当前水分检测值低于设定值，回潮区将开启一对暂处开启状态且最靠近烤季出口的雾化喷嘴;（3）考虑雾化喷嘴停启对烟叶水分影响较大，且红外水分仪设在在烤片机机尾，对调节效果反馈具有一定延时性，故在雾化喷嘴每关或启一次后，设有一定的停滞时间。

2.2.5 自动进柜调控

新增了烟叶水分判断机制程序和烤片机出口自动进柜程序，对检测水分不合格烟叶自动进行进柜处理。待烟叶水分合格15s后，自行关闭进柜功能，出口烟叶进入下一工序。

3 效果验证

3.1 设备及材料

设备：9000kg/h打叶复烤生产线，LA34001S（34kg，0.1g）型电子天平（德国SARTORIUS公司），CPA223S型电子天平（感量0.001g，德国SARTORIUS公司），BINDER FED240型恒温干燥箱。

材料：复烤厂16、17烤季加工的10个相同等级批次烟叶。

2.3.2 方案设计

方案设计如表1所示，通过对改进后17烤季加工的10批次烟叶加工进行长期监测，以验证自动控制模式对复烤成品批内含水率变异系数的影响。试验后，选取改造前16烤季加工的同等级烟叶进行对比研究。

2.3.3 结果与分析

对实验选取的10个同等级批次烟叶加工进行监测，统计其改进前后的复烤成品批内含水率变异系数如表2所示。

复烤成品含水率变异系数试验数据描述统计表如表3所示。从均值上看，17烤季加工批次成品片烟水分变异系数均值更小，即水分波动更为稳定。

复烤成品含水率变异系数试验数据方差分析表如表4所示：

由表4可知，不同的控制模式對复烤成品含水率变异系数在α=0.05置信水平上存在显著影响。由此可说明，基于多重控制策略的自动调控程序对复烤烟叶水分稳定性调控效果显著。

结语

通过常规的PID控制与闭环控制原理相结合，形成多个操作变量的四重控制模式，能有效提高KG233C型叶片复烤机的含水率控制能力，降低复烤成品批内含水率变异系数。

参考文献

[1]徐湘元. 过程控制技术及其应用 [M]. 北京：清华大学出版社.2015：110-230.

[2]李文涛. 过程控制 [M]. 科学出版社，2012.2.

[3]陶永华. PID控制原理和自整定策略[J]. 工业仪表与自动化装置，1997（4）：60-64.

作者简介：程勇，男，湖北烟草金叶复烤有限责任公司，工艺质量管理员。