一種烘絲機蒸汽自動管控的設計與應用

解振山

摘 要：【目的】為降低烘絲機蒸汽使用單耗，進一步提升烘絲機蒸汽使用效率，設計了一種蒸汽自動管控模式?！痉椒ā抗芸啬Ｊ竭\用建模理論，采用多種分析工具和方法，找出主要因素和實現目標的最優路徑；利用PLC控制技術、人機界面技術、數據庫技術，一方面，克服了現場儀表無法采集累計值的缺陷，另一方面，建立了基于生產現場關鍵設備的能源預警和提示系統?！窘Y果】結果表明：烘絲機的蒸汽單耗由0.70 kg/kg葉絲下降到0.60 kg/kg葉絲，下降幅度超過10%，烘絲機蒸汽單耗指標有效下降；使用人員借助自動管控模式能夠及時發現問題?！窘Y論】該技術可為能源管理下沉到關鍵設備層和提高能源精益管理水平提供支持。

關鍵詞：自動管控；缺陷；現場；預警；精益管理

中圖分類號：TN710? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）04-0050-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.009

Design and Application of Steam Automatic Control for

Tobacco Dryer

XIE Zhenshan

（Fuyang Cigarette Factory， China Tobacco Anhui Industrial Co.， Ltd.， Fuyang 236000， China）

Abstract： [Purposes] To reduce the steam unit consumption of tobacco dryer ，and further improve the efficiency of the steam use of tobacco dryer， this paper designs an automatic steam management and control mode. [Methods] The mode uses modeling theory and a variety of analysis tools and methods to identify the main factors and the optimal path to achieve the goal; by using PLC control technology， man-machine interface technology and database technology， on the one hand， the defect that the field instrument can not collect the cumulative value is overcome， and on the other hand， the energy early warning and prompt based on the key production equipment at the production site is established. [Findings] The results indicate：the steam unit consumption of tobacco dryer is reduced from 0.70 kg/kg cut tobacco to 0.60 kg/kg cut tobacco， the reduction range is more than 10%， and the steam unit consumption index of the tobacco dryer is effectively reduced;the user can find the problem in time by means of the automatic control mode. [Conclusions] This technology can provide support for energy management sinking to the key equipment layer and improve the level of energy lean management.

Keywords： automatic control; defect; field; early warning; lean management

0 引言

安徽中煙工業有限責任公司阜陽卷煙廠的能源種類主要有蒸汽、天然氣、水、電、壓縮空氣等五種類型，排在首位的能源消耗量為蒸汽消耗量，約占總能耗的70%，其中烘絲筒類設備的蒸汽耗用量占比約76%，占比最大。在蒸汽使用過程中，傳統技術只能依靠人工對蒸汽系統的異常情況進行判斷識別，導致蒸汽消耗數值異常波動時，不能及時發現，從而影響管控效果。為此，本研究設計一種烘絲機蒸汽自動管控模式。該自動管控模式，以車間蒸汽最大消耗主機設備烘絲機為突破口，運用PDCA原理，借助PLC自動控制技術采集數據、編寫程序，在預熱和生產階段實現蒸汽數據采集、趨勢跟蹤、預熱時間管理、異常預警等功能，形成了一個標準化的蒸汽消耗管控模式，有利于排查蒸汽異常原因，實現對蒸汽能源的精益管理。

1 自動管控模式

1.1 問題分析

通過對目前烘絲機的蒸汽影響因素進行統計分析，建立蒸汽消耗影響因素柏拉圖。按照次序進行排序，得到柏拉圖，如圖1所示。采用ABC分類法進行分類，累計百分比80%以內的因素有預熱時間長、切換牌號時間長、筒壁冷凝水閥疏水不暢，為主要因素。這三種因素導致的結果直觀反映為蒸汽消耗數值的異常變動。

經統計2022年1—4月蒸汽消耗，如圖2所示，以烘絲機進料前的葉絲秤重量為參考數據，烘絲機的蒸汽消耗值平均為0.70 kg/kg葉絲。

1.2 模型建立

根據操作的難易程度、問題反饋及時性、檢查是否方便、所需專業知識強弱等四個維度對過程因素進行評價［1］，最終得出發現問題、分析問題和解決問題的因素價值評估得分，見表1。

在因素評估得分的基礎上，找出關鍵路徑（最優方案）：start—6—9—11—end，總長度為78，數值最大，價值最高，如圖3所示。

按照管理循環法（Plan-Do-Check-Action，PDCA）的原則，結合處理問題的工作流程，以自動化為基礎，通過控制技術和人機界面數據趨勢記錄，達到自動采集數據、實現預警功能以及記錄數據的目的，最終實現HMI數據分析、IFIX數據分析、IFIX數據對比等三方面功能，如圖4所示。

1.3 程序設計

烘絲機蒸汽消耗在設備上分為熱風蒸汽消耗和筒壁蒸汽消耗，在工藝上分為預熱階段和生產狀態階段。通過烘絲機熱風蒸汽管道和筒壁蒸汽管道上的流量計［2］，利用PLC實時采集的蒸汽流量，在PLC內通過積分方程的方法把實時蒸汽流量對時間進行積分，得到烘絲機熱風蒸汽管道和筒壁蒸汽管道的累計蒸汽使用量［3］。

①設備預熱階段的蒸汽管控。在PLC中利用編制算法計算出預熱每批次蒸汽流量均值、預熱完成條件判斷、預熱時間和預熱蒸汽使用總量記錄、預熱階段預警報警的數值。

②批次生產狀態階段的蒸汽管控。在PLC中利用編制算法計算生產每批次蒸汽流量均值、生產完成判斷、生產時間和生產蒸汽使用總量記錄、生產階段預警報警。

利用DB數據塊在人機界面HMI上短時間保存數據［4］，并利用IFIX數據庫建立趨勢走向，以實現設備蒸汽消耗量的預警和有效管控。由于烘絲機蒸汽流量計采用的是0～10 V模擬量信號，PLC只能夠采集到瞬時值，無法直接讀取累計值。因此，需要通過積分算法計算累計值。在確定累計值計算積分算法的基礎上，利用OB35每100 ms調用一次CPU時鐘寄存器，計算積分瞬時流量累計值?；诹髁繉r間進行積分的原理，通過PLC的循環功能塊OB35進行計算得出蒸汽的實時消耗量和累計值［5］，結合時間，根據蒸汽實時消耗量和累計值判定蒸汽系統是否出現異常，利用DB數據塊DB200.DBD100在人機界面HMI上短時間保存數據，利用IFIX數據庫建立趨勢走向。首先，在PLC內建立積分方程，微積分方程為[Ft=abftdt]，其中，公式中的F（t）為在時間段（a，b）的蒸汽總量；f（t）為蒸汽流量計采集的實時蒸汽流量，PLC地址為DB301.DBD100；a為計算起始時間，預熱時通過HMI標簽“預熱”狀態上升沿記錄，PLC地址為M500.1，生產時通過HMI標簽“生產”狀態上升沿記錄，PLC地址為M500.2；b為計算結束時間，預熱時通過HMI標簽“預熱”狀態下降沿記錄，PLC地址為M500.1，生產時HMI標簽“生產”狀態下降沿記錄，PLC地址為M500.2。主要參數定義見表2。積分方程利用區間分割、近似求和的方法求出[Ft=abftdt≈aa+ΔtiΔtdΔt]，其中i為蒸汽實時流量，[Δt]取0.1～1 s。將a和a+[Δt]應用在PLC循環功能塊OB35中，循環一次后令[a=a+Δt]，當[a+Δt=b]時循環結束，輸出F（t）。其中，預熱每批次的[Ft=n每批次預熱消耗的Ftn]，生產每批次的[Ft=n每批次生產消耗的Ftn]。邏輯流程如圖5所示。

利用烘絲機蒸汽流量計自身顯示屏上的累計值，選取10批次進行試驗，通過對比每批次蒸汽流量計的累計值和算法計算的累計值進行比較，可以看出，偏差百分比為2.72%，累計值計算誤差較小，計算合理，見表3。

根據實際生產過程，預熱完成判斷條件為烘絲機的熱風溫度在時間t1≤15 min內達到工藝設定值T1=130 ℃且滾筒溫度在時間t2≤20 min內達到T2=150 ℃，預熱完成，在IFIX上顯示“烘絲機預熱完成”，方便中控人員進行操作進料或調整工藝參數。當T1和T2都達到設定值時，t1或t2超過正常時間且超過3 min，則判斷蒸汽異常［6］，在IFIX上顯示“烘絲機預熱異常，請檢查”。與過去一周內預熱平均時間比較，時間超過5 min，且工藝條件滿足，判斷蒸汽消耗量異常。與過去一周內預熱蒸汽消耗量平均值比較，超過平均值15%，判斷蒸汽消耗量異常。若與過去一周內同牌號生產平均時間比較，時間超過10 min，且滿足工藝條件，判斷蒸汽消耗量異常。與過去一周內同牌號生產蒸汽消耗比較，超過平均值20%以上，判斷蒸汽消耗量異常，程序算法邏輯見表4。

在人機交互界面，針對不同對象實現不同的功能［7］。由于生產崗位是發現問題和解決問題的第一現場，因此，在下位機HMI上界面設計上，需要實現上料提醒、實時數據顯示功能、超值預警、數據對比分析等功能，目的是能夠自動發現蒸汽異常狀態和便于人工及時處置。在上位機IFIX界面設計上［8］，借助歷史數據庫可以更長久地保存數據，實現數據交互，對象為中控員和能源管理人員，主要有數據記錄、趨勢分析等功能，便于查看歷史數據，對比排查改善效果。

根據不同的蒸汽異常類別，設置不同的控制目標，采取不同的管控措施，最終形成閉環的完整分析和解決問題的管控措施，見表5。

2 應用效果

自動管控模式實施后，經統計2022年5—10月蒸汽單耗數據，烘絲機蒸汽單耗為0.60 kg/kg葉絲，蒸汽消耗下降幅度超過10%，如圖6所示。使用中發現問題的頻次比以往增多，如圖7所示。該系統提高了能源管理全員參與度，建立了數據可視化和報警信息，便于崗位人員及時查看能源數據，進一步提高了能源精益管理的水平。

3 結語

該自動管控模式，結合故障分類特征及模型分析，主要實現了預熱和批次階段實現蒸汽的消耗統計、分析及預警功能，算法邏輯主要解決蒸汽耗用是否超過理想值的邏輯判定。預熱階段，通過預熱時間、預熱筒壁蒸汽消耗量、預熱熱風蒸汽消耗量的計算值和理想值的計算比較，可判斷預熱時間和預熱蒸汽消耗量是否超標，若超標，給出判斷信息和報警提示。其中，在蒸汽累計量的設置上，采用輸入/輸出相結合的方法，理想值可以人工輸入數據，通過計算預熱條件來滿足要求時的理論值判斷和一周內預熱累計平均值，三者中取最小值為理想值，超過理想值一定數量則判定為超標，預熱條件滿足即提示“滿足上料條件，可以上料”。生產階段（批次階段），以累計一周平均值或輸入值作為理想值，超過理想值一定數量則判定為超標。該設計不需要改變原有的設備結構，技術可靠性高，極大地降低了生產改造成本，能夠更好地統計設備運行時所需要的蒸汽總量和進行蒸汽異常判斷分析，實現了設備蒸汽消耗量的預警和有效管控，為能源管理下沉到關鍵設備層和提高能源精益管理水平提供了技術支持。

參考文獻：

［1］文放懷.精益生產入門［M］.廣州：廣東經濟出版社，2006.

［2］陳良元.卷煙生產工藝技術［M］.鄭州：河南科學技術出版社，2002.

［3］侯志林.過程控制與自動化儀表［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［4］王永華.現代電氣控制及PLC應用技術［M］.北京：航空航天大學出版社，2007.

［5］崔堅.西門子工業網絡通信指南［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［6］廖常初.S7-300/400PLC［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［7］霍志紅.網絡化控制系統故障診斷與容錯控制［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［8］翟天嵩，劉尚爭.iFIX基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2013.