鄭偉+趙凡

摘 要：針對現(xiàn)有制絲系統(tǒng)生產(chǎn)能力，不能實現(xiàn)信息化生產(chǎn)的要求，設計了新型制絲管控系統(tǒng)，介紹了制絲生產(chǎn)線的工作流程，重點講述了溫濕度的控制方法與原理：松散回潮由滾筒式葉片回潮機完成，PLC通過PID控制器實現(xiàn)水分的控制；熱風潤葉機采用Fuzzy-PID算法完成增濕增溫控制，便于煙片絲的后續(xù)處理，提高了卷煙生產(chǎn)效率和質量，提高了企業(yè)競爭力。

關鍵詞：制絲生產(chǎn)線；柔性加工；松散回潮；熱風潤葉

引言

國內卷煙企業(yè)之間的相互競爭日益激烈，如何在日趨嚴峻的形勢中站穩(wěn)腳跟，提高產(chǎn)品的市場占有率，是企業(yè)急需解決的重中之重[1]。卷煙企業(yè)運用“工業(yè)4.0”的設計理念，將生產(chǎn)過程與信息化相結合，分散生產(chǎn)，集中管理，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)與網(wǎng)絡化管理控制相結合，才能使企業(yè)得到更加長足的發(fā)展。

本課題來源于河南省中煙有限責任公司鄭州卷煙廠和新鄭卷煙廠聯(lián)合易地技術改造項目。卷煙廠生產(chǎn)車間主要包括制絲車間與卷接包車間。制絲生產(chǎn)線是卷煙生產(chǎn)過程中工藝流程最長、設備種類最多、生產(chǎn)過程最復雜的生產(chǎn)線[2]。制絲車間負責提供成品煙絲，為卷接包車架提供原料，因此制絲系統(tǒng)的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質量直接關系到卷煙的生產(chǎn)速度及出廠質量，是衡量煙草生產(chǎn)企業(yè)的重要指標之一。制絲線的信息化是大勢所趨，是數(shù)字化工廠實現(xiàn)的重要階段。

1 制絲管控系統(tǒng)總方案

根據(jù)國內制絲管控系統(tǒng)的技術發(fā)展，結合鄭州廠和新鄭廠現(xiàn)有技術，為新鄭州廠打造一條國內領先的制絲管控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對制絲工藝過程提質降耗、精細化加工，改善品質、配方精確、管控一體，以滿足卷煙行業(yè)日趨對信息化和自動控制精確化的要求；以構建中式卷煙的特色工藝路線，滿足柔性加工，多層配方的中式卷煙工藝要求。

新鄭州廠項目部將在新建聯(lián)合工房內建一條新型制絲生產(chǎn)線。綜合生產(chǎn)能力16000 kg/h。為了實現(xiàn)制絲線自動化生產(chǎn)和高度的集中控制管理，新鄭州廠項目部需要建設一套適合新鄭州卷煙廠生產(chǎn)和管理要求的制絲系統(tǒng)。此系統(tǒng)將柔性制絲與分組化技術運用在生產(chǎn)線上，嚴格按照中式卷煙工藝進行生產(chǎn)，打造適合自身發(fā)展的現(xiàn)代化無人車間，建成數(shù)字化工廠。

在保證系統(tǒng)可靠性、安全性與先進性的基礎上，設計本項目的制絲管控系統(tǒng)。制絲管控系統(tǒng)共分三層：即設備控制層、集中監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層，如圖1所示。

2制絲生產(chǎn)線

2.1生產(chǎn)線工作流程

制絲生產(chǎn)線的主要工作流程如圖2所示。

設備控制層主要控制以上這些流程，保證制絲線正常工作。

原各廠制絲生產(chǎn)線，都只有一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力有限。經(jīng)易地改造后的生產(chǎn)線綜合生產(chǎn)能力可達到16000kg/h。分為一條3000kg/h、一條5000kg/h和一條8000kg/h制葉絲線；一條3000kg/h梗絲生產(chǎn)線；1140kg/hCO2膨脹煙絲線從5000kg/h或8000kg/h線取片。

根據(jù)工藝流程的特點，設備層劃分為3000線葉片預處理段、3000線葉片加料處理段、3000線葉絲處理段、3000線摻配加香段、5000線葉片處理段、5000氣流烘絲線、5000薄板烘絲線、5000線摻配加香段、8000線葉片處理段、8000制葉絲線、8000線摻配加香段、梗預處理段、梗絲處理段、梗絲摻配控制段、貯絲進料段、貯絲出料段、膨脹絲摻配段、除塵段，各段對應設置PLC、分布式I/O及相應器件，對各生產(chǎn)工藝段實現(xiàn)控制。

采用多條生產(chǎn)線不僅提高了生產(chǎn)效率，還可使制絲系統(tǒng)同時生產(chǎn)品牌不同的煙絲，滿足各卷接包生產(chǎn)線的需求，合理地根據(jù)市場需求與生產(chǎn)情況安排生產(chǎn)流程。從生產(chǎn)流程中可以看出在，不論是煙片處理還是煙梗處理，出現(xiàn)次數(shù)最多的處理方法就是回潮、增溫增濕和烘絲，即對濕度和溫度的處理。濕度與溫度的控制，是保證成品煙絲質量的關鍵。真空回潮與松散回潮是對煙片的處理，對煙片進行回潮處理，便于切絲，增強了料液對煙片的潤透效果。增溫增濕使得葉片或葉梗能達到發(fā)酵所需的溫濕度，煙葉經(jīng)過發(fā)酵可改善品質，促進煙草化學成分的改變，減少有害物質的產(chǎn)生[3]。

2.2 松散回潮工藝流程

松散回潮是由松散潤葉技術的滾筒式葉片回潮機完成。滾筒式葉片回潮機是制絲生產(chǎn)線上的重要設備之一，主要實現(xiàn)功能是對葉片進行松散回潮，內部滾筒可將葉片充分打散，方便加濕，便于后續(xù)進行切絲處理，因此這個過程成為松散回潮。回潮機具體的設備組成和功率點分布如圖3所示。

滾筒電機負責整個筒體的轉動，筒體內部含有撥料桿，負責將由進料室輸送的葉片撥松，當葉片進入到離進料口1.5m時，增濕水管開啟，噴出蒸汽，配合熱風風機對葉片進行增溫增濕處理。加水量和出料溫度有此處理段的主控制器PLC控制。

嚴格來說，回潮機的工作過程分為三個階段：預熱階段、生產(chǎn)階段、清洗階段。在生產(chǎn)過程中，這三個階段必須嚴格按照次序依次進行，否則會產(chǎn)生故障，影響機器壽命。生產(chǎn)過程中一般只能看到生產(chǎn)階段，預熱階段在開機時即已完成，在滾筒轉動的過程中，加熱均勻。為了防止生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蒸汽在滾筒內壁液化，影響葉片的加濕效果。清洗階段是在生產(chǎn)結束后，清洗筒體及進出料室內部所附著的煙絲和雜物，減少對再次生產(chǎn)煙絲的質量產(chǎn)生影響。滾筒回潮機的具體工作流程如圖4所示。

2.3回潮機的控制原理

回潮機的工藝控制原理如圖5所示。

在回潮機啟動以后，溫度自動控制就開始工作，由電氣比例閥和一體化溫度傳感器組成的控制回路來完成。在循環(huán)風道上設有電氣比例閥和一體化溫度傳感器。程序中設定有風道溫度。溫度傳感動器動態(tài)地反映筒內的熱風溫度，以4～20mA的電信號傳給PLC模擬量輸入模板，使該值與設定溫度比較。熱風風機口有PID溫度控制器，通過PID計算后，系統(tǒng)根據(jù)實際風道溫度（鉑熱電阻PT100反饋），把由PLC模擬量輸出模板將輸出值轉換為輸出4～20mA的電信號給電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變?yōu)闅鈮盒盘枺M而調整電氣比例閥的開度，閥門定位器根據(jù)接收到的信號輸出氣信號給冷熱風門汽缸，調節(jié)熱風風速，從而使測量溫度與設定值保持一致，實現(xiàn)溫度的自控。endprint

水分自動控制則在運料進入筒體1.5m時開始工作，采用開環(huán)自動控制，由氣動薄膜調節(jié)閥和電磁流量計組成的控制回路來完成，控制原理如圖6所示。根據(jù)電子稱測得的物料流量、進料水分、設定水分及加水比例，得出加水量的設定值。在水路上設有流量檢測元件電磁流量計和執(zhí)行元件氣動薄膜調節(jié)閥。電磁流量計動態(tài)地反映水的瞬時流量，并把值傳給PLC模擬量輸入模板，使該值于計算出的加水量的設定值比較，由PLC的模擬量輸出模板輸出4～20mA的電信號給氣動薄膜調節(jié)閥的電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變?yōu)闅鈮盒盘?，進而調整氣動薄膜閥的開度，使加水量與設定值保持一致，實現(xiàn)加水的自控。而氣動薄膜調節(jié)閥的控制精度與其上游管道壓力的穩(wěn)定程度有很大關系。

滾筒式葉片松散回潮機有水量的PID控制。

設實際加水量（單位：kg/h）為y，電子稱的物料量（單位：kg/h）為h，進料水分為a，水分設定值為b，加水比例為k。

加水量的計算公式如下：h*（1-a）=（h+y/k）（1-b）

物料的干重

y=kh（b-a）/（1-b） （1）

2.4 增溫增濕處理原理

增溫增濕是制絲生產(chǎn)流程中出現(xiàn)最多的一個環(huán)節(jié)，由熱風潤葉機完成。經(jīng)過潤葉處理后的煙葉或煙絲其潤透率、水分和溫度可滿足后續(xù)工藝的要求，直接影響成品煙絲的質量[4]。濕度增加可提高煙葉的韌性，減少后續(xù)工藝中對煙葉的損耗。PLC對潤葉機的水分和溫度控制如圖7所示。

采用前饋調節(jié)和后饋控制相結合的方式。在系統(tǒng)進料時根據(jù)入口處皮帶秤測得的物料流量和水分值給出一個加水量，使得系統(tǒng)反應靈敏。中間過程采用Fuzzy-PID算法得出應加水量，并將出口測得的溫度值、水分值和所需進料流量反饋到進料口。處理過程：不斷地將加水變化量與加水的變化率d/dt進行模糊化處理，并與Kp、Ki和Kd進行模糊推理，得到整定后的PID參數(shù)，交給PID調節(jié)器進行處理，控制器根據(jù)PID處理結果得出應加水量和進料流量，并根據(jù)應加水量調節(jié)潤葉機上的蒸汽氣動閥門，調節(jié)潤葉機的實際出水量和熱風量，出料口由水分儀測量水分和溫度值，并將其反饋到入料口。這樣就可輸出滿足工藝要求的煙片或煙絲。

其中使用的水分儀為SH-8B紅外水份測定儀，依據(jù)近紅外光線反射原理可實現(xiàn)非接觸式測量，可距離被測物15cm～40cm，測量速度最快可達到0.2s，測量范圍廣，可通過RS-485接口連接電腦滿足對網(wǎng)絡化和信息化的要求，在煙草行業(yè)中得到了廣泛的應用。

3 結束語

文章采用分組加工技術對新型制絲線的流程進行設計，重點對對生產(chǎn)線上溫度與濕度的處理工藝進行了研究。PID控制器可實現(xiàn)對水分的精確，滿足煙片與煙絲回潮工藝的要求。熱風潤葉機采用前饋調節(jié)和后饋控制相結合，F(xiàn)uzzy-PID算法完成對溫濕度的控制，提高煙葉的韌性，減少后續(xù)工藝中煙葉的損失。新型制絲方法采用柔性加工工藝和智能控制算法，符合中式卷煙特色，提高了煙絲質量和生產(chǎn)效率，增強了企業(yè)競爭力。

參考文獻

[1]程道勝.淺談卷煙機械自動控制技術[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（3）.

[2]郝愛民.基于PROFINET的柔性化制絲管控系統(tǒng)研究[J].自動化技術與應用，2012，31（3）：88-90.

[3]孫玉宇.煙草發(fā)酵中微生物研究進展[J].現(xiàn)代農業(yè)科技，2014（9）：302-303.

[4]萬永華.基于現(xiàn)場總線的煙廠制絲線管控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2008.

作者簡介：鄭偉（1983，1-），男，河南鄭州，本科學歷，工程師，研究方向：自動控制系統(tǒng)和設備。endprint

水分自動控制則在運料進入筒體1.5m時開始工作，采用開環(huán)自動控制，由氣動薄膜調節(jié)閥和電磁流量計組成的控制回路來完成，控制原理如圖6所示。根據(jù)電子稱測得的物料流量、進料水分、設定水分及加水比例，得出加水量的設定值。在水路上設有流量檢測元件電磁流量計和執(zhí)行元件氣動薄膜調節(jié)閥。電磁流量計動態(tài)地反映水的瞬時流量，并把值傳給PLC模擬量輸入模板，使該值于計算出的加水量的設定值比較，由PLC的模擬量輸出模板輸出4～20mA的電信號給氣動薄膜調節(jié)閥的電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變?yōu)闅鈮盒盘枺M而調整氣動薄膜閥的開度，使加水量與設定值保持一致，實現(xiàn)加水的自控。而氣動薄膜調節(jié)閥的控制精度與其上游管道壓力的穩(wěn)定程度有很大關系。

滾筒式葉片松散回潮機有水量的PID控制。

設實際加水量（單位：kg/h）為y，電子稱的物料量（單位：kg/h）為h，進料水分為a，水分設定值為b，加水比例為k。

加水量的計算公式如下：h*（1-a）=（h+y/k）（1-b）

物料的干重

y=kh（b-a）/（1-b） （1）

2.4 增溫增濕處理原理

增溫增濕是制絲生產(chǎn)流程中出現(xiàn)最多的一個環(huán)節(jié)，由熱風潤葉機完成。經(jīng)過潤葉處理后的煙葉或煙絲其潤透率、水分和溫度可滿足后續(xù)工藝的要求，直接影響成品煙絲的質量[4]。濕度增加可提高煙葉的韌性，減少后續(xù)工藝中對煙葉的損耗。PLC對潤葉機的水分和溫度控制如圖7所示。

采用前饋調節(jié)和后饋控制相結合的方式。在系統(tǒng)進料時根據(jù)入口處皮帶秤測得的物料流量和水分值給出一個加水量，使得系統(tǒng)反應靈敏。中間過程采用Fuzzy-PID算法得出應加水量，并將出口測得的溫度值、水分值和所需進料流量反饋到進料口。處理過程：不斷地將加水變化量與加水的變化率d/dt進行模糊化處理，并與Kp、Ki和Kd進行模糊推理，得到整定后的PID參數(shù)，交給PID調節(jié)器進行處理，控制器根據(jù)PID處理結果得出應加水量和進料流量，并根據(jù)應加水量調節(jié)潤葉機上的蒸汽氣動閥門，調節(jié)潤葉機的實際出水量和熱風量，出料口由水分儀測量水分和溫度值，并將其反饋到入料口。這樣就可輸出滿足工藝要求的煙片或煙絲。

其中使用的水分儀為SH-8B紅外水份測定儀，依據(jù)近紅外光線反射原理可實現(xiàn)非接觸式測量，可距離被測物15cm～40cm，測量速度最快可達到0.2s，測量范圍廣，可通過RS-485接口連接電腦滿足對網(wǎng)絡化和信息化的要求，在煙草行業(yè)中得到了廣泛的應用。

3 結束語

文章采用分組加工技術對新型制絲線的流程進行設計，重點對對生產(chǎn)線上溫度與濕度的處理工藝進行了研究。PID控制器可實現(xiàn)對水分的精確，滿足煙片與煙絲回潮工藝的要求。熱風潤葉機采用前饋調節(jié)和后饋控制相結合，F(xiàn)uzzy-PID算法完成對溫濕度的控制，提高煙葉的韌性，減少后續(xù)工藝中煙葉的損失。新型制絲方法采用柔性加工工藝和智能控制算法，符合中式卷煙特色，提高了煙絲質量和生產(chǎn)效率，增強了企業(yè)競爭力。

參考文獻

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[3]孫玉宇.煙草發(fā)酵中微生物研究進展[J].現(xiàn)代農業(yè)科技，2014（9）：302-303.

[4]萬永華.基于現(xiàn)場總線的煙廠制絲線管控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2008.

作者簡介：鄭偉（1983，1-），男，河南鄭州，本科學歷，工程師，研究方向：自動控制系統(tǒng)和設備。endprint

水分自動控制則在運料進入筒體1.5m時開始工作，采用開環(huán)自動控制，由氣動薄膜調節(jié)閥和電磁流量計組成的控制回路來完成，控制原理如圖6所示。根據(jù)電子稱測得的物料流量、進料水分、設定水分及加水比例，得出加水量的設定值。在水路上設有流量檢測元件電磁流量計和執(zhí)行元件氣動薄膜調節(jié)閥。電磁流量計動態(tài)地反映水的瞬時流量，并把值傳給PLC模擬量輸入模板，使該值于計算出的加水量的設定值比較，由PLC的模擬量輸出模板輸出4～20mA的電信號給氣動薄膜調節(jié)閥的電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變?yōu)闅鈮盒盘?，進而調整氣動薄膜閥的開度，使加水量與設定值保持一致，實現(xiàn)加水的自控。而氣動薄膜調節(jié)閥的控制精度與其上游管道壓力的穩(wěn)定程度有很大關系。

滾筒式葉片松散回潮機有水量的PID控制。

設實際加水量（單位：kg/h）為y，電子稱的物料量（單位：kg/h）為h，進料水分為a，水分設定值為b，加水比例為k。

加水量的計算公式如下：h*（1-a）=（h+y/k）（1-b）

物料的干重

y=kh（b-a）/（1-b） （1）

2.4 增溫增濕處理原理

增溫增濕是制絲生產(chǎn)流程中出現(xiàn)最多的一個環(huán)節(jié)，由熱風潤葉機完成。經(jīng)過潤葉處理后的煙葉或煙絲其潤透率、水分和溫度可滿足后續(xù)工藝的要求，直接影響成品煙絲的質量[4]。濕度增加可提高煙葉的韌性，減少后續(xù)工藝中對煙葉的損耗。PLC對潤葉機的水分和溫度控制如圖7所示。

采用前饋調節(jié)和后饋控制相結合的方式。在系統(tǒng)進料時根據(jù)入口處皮帶秤測得的物料流量和水分值給出一個加水量，使得系統(tǒng)反應靈敏。中間過程采用Fuzzy-PID算法得出應加水量，并將出口測得的溫度值、水分值和所需進料流量反饋到進料口。處理過程：不斷地將加水變化量與加水的變化率d/dt進行模糊化處理，并與Kp、Ki和Kd進行模糊推理，得到整定后的PID參數(shù)，交給PID調節(jié)器進行處理，控制器根據(jù)PID處理結果得出應加水量和進料流量，并根據(jù)應加水量調節(jié)潤葉機上的蒸汽氣動閥門，調節(jié)潤葉機的實際出水量和熱風量，出料口由水分儀測量水分和溫度值，并將其反饋到入料口。這樣就可輸出滿足工藝要求的煙片或煙絲。

其中使用的水分儀為SH-8B紅外水份測定儀，依據(jù)近紅外光線反射原理可實現(xiàn)非接觸式測量，可距離被測物15cm～40cm，測量速度最快可達到0.2s，測量范圍廣，可通過RS-485接口連接電腦滿足對網(wǎng)絡化和信息化的要求，在煙草行業(yè)中得到了廣泛的應用。

3 結束語

文章采用分組加工技術對新型制絲線的流程進行設計，重點對對生產(chǎn)線上溫度與濕度的處理工藝進行了研究。PID控制器可實現(xiàn)對水分的精確，滿足煙片與煙絲回潮工藝的要求。熱風潤葉機采用前饋調節(jié)和后饋控制相結合，F(xiàn)uzzy-PID算法完成對溫濕度的控制，提高煙葉的韌性，減少后續(xù)工藝中煙葉的損失。新型制絲方法采用柔性加工工藝和智能控制算法，符合中式卷煙特色，提高了煙絲質量和生產(chǎn)效率，增強了企業(yè)競爭力。

參考文獻

[1]程道勝.淺談卷煙機械自動控制技術[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（3）.

[2]郝愛民.基于PROFINET的柔性化制絲管控系統(tǒng)研究[J].自動化技術與應用，2012，31（3）：88-90.

[3]孫玉宇.煙草發(fā)酵中微生物研究進展[J].現(xiàn)代農業(yè)科技，2014（9）：302-303.

[4]萬永華.基于現(xiàn)場總線的煙廠制絲線管控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2008.

作者簡介：鄭偉（1983，1-），男，河南鄭州，本科學歷，工程師，研究方向：自動控制系統(tǒng)和設備。endprint