李秀芳

河南中煙黃金葉生產(chǎn)制造中心，鄭州經(jīng)開(kāi)區(qū)第三大街9號(hào) 4500 16

煙片松散回潮關(guān)鍵工藝參數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李秀芳

河南中煙黃金葉生產(chǎn)制造中心，鄭州經(jīng)開(kāi)區(qū)第三大街9號(hào) 4500 16

為提高松散回潮工序的過(guò)程控制能力，降低關(guān)鍵指標(biāo)波動(dòng)。通過(guò)改善回風(fēng)和含水率控制結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝參數(shù)，使松散回潮出口煙片溫度和含水率的波動(dòng)減小，出口含水率平均標(biāo)偏SD 從0.43% 降到0.24%，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和過(guò)程控制的可靠性。

松散回潮；過(guò)程控制；優(yōu)化；過(guò)程能力指數(shù)

松散回潮工序作為煙草制絲生產(chǎn)線的核心工序之一，主要是為了增加煙片的含水率和溫度，使切片后煙片松散，提高煙片的耐加工性，滿足后道工序加工工藝要求［1］。近年來(lái)，隨著煙草精益管理的要求，國(guó)內(nèi)對(duì)制絲線松散回潮工序進(jìn)行了大量參數(shù)優(yōu)化方面的研究［2-5］，穩(wěn)定并提高了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。由于加工強(qiáng)度（溫度、含水率）發(fā)生變化會(huì)影響煙葉內(nèi)部化學(xué)成分的變化，從而對(duì)感官質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以松散回潮回風(fēng)溫度和煙片含水率是工序評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。目前在解決出口含水率和回風(fēng)溫度方面的研究也已有較多的報(bào)道［5-8］，這些都針對(duì)具體機(jī)型某一單項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行了一些分析和研究，并在特定設(shè)備上取得了一定的效果。此外，董偉等［9］還針對(duì)HAUNI松散回潮工序設(shè)計(jì)了基于PID調(diào)節(jié)含水率的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并采用斜坡控制原理優(yōu)化了料頭料尾的加水控制，但沒(méi)有考慮回風(fēng)溫度的控制。

本文針對(duì)松散回潮出口煙片含水率、回風(fēng)溫度兩個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期使控制精細(xì)化，降低煙片出口溫度、含水率的波動(dòng)，達(dá)到煙絲工藝質(zhì)量控制的精益管理。

1 儀器與設(shè)備

基于WQ3317－ZZ型滾筒式煙片松散回潮機(jī)的煙片松散回潮系統(tǒng)。

該煙片松散回潮系統(tǒng)由翻箱喂料、恒流量控制系統(tǒng)、松散回潮機(jī)、暫存柜組成，在松散回潮機(jī)的入口處安裝有電子秤和水分儀，測(cè)量入口煙片流量和含水率；在松散回潮機(jī)出口處安裝有溫度儀和水分儀，測(cè)量出口煙片溫度和含水率?；仫L(fēng)管內(nèi)安裝有溫度傳感器（Pt100）。循環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)速用變頻器控制，可以根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量?；爻睓C(jī)換熱器蒸汽流量和入口蒸汽流量分別由氣動(dòng)薄膜閥1和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)。松散回潮煙片入、出口含水率采用英國(guó)NDC公司的TM7100plus水分儀測(cè)量，出口煙片溫度采用美國(guó)雷泰（Raytek）非接觸式紅外溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量。設(shè)備控制與測(cè)試點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 WQ3317型松散回潮機(jī)回風(fēng)溫度控制示意圖Fig.1 Recirculated air temperature control diagram of WQ3317 loosening and conditioning

1.1 控制原理

1.1.1 回風(fēng)溫度控制原理

從圖1可以看出，熱風(fēng)溫度來(lái)自位于機(jī)體前部的熱交換器和補(bǔ)償蒸汽，在筒體和管道內(nèi)循環(huán)，循環(huán)風(fēng)溫由位于熱風(fēng)循環(huán)管道上的溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。生產(chǎn)時(shí)，換熱器全開(kāi)，通過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)補(bǔ)償蒸汽閥門(mén)2的開(kāi)度來(lái)控制熱風(fēng)溫度。

1.1.2 含水率控制原理

通過(guò)控制入口單噴嘴噴向滾筒內(nèi)的霧化水量實(shí)現(xiàn)含水率控制。設(shè)置在入口處的水分儀檢測(cè)來(lái)料含水率，電子秤測(cè)物料實(shí)時(shí)流量，出口處的水分儀檢測(cè)出料含水率，結(jié)合加水系數(shù)等設(shè)備控制參數(shù)，通過(guò)一套數(shù)學(xué)模型計(jì)算出理論加水量，通過(guò)PID閉環(huán)控制實(shí)際加水量，并跟蹤理論加水量，從而實(shí)現(xiàn)出口含水率的控制。實(shí)際加水量由安裝在加水管路中的E+H電磁流量計(jì)檢測(cè)并反饋給控制系統(tǒng)。含水率控制框圖如圖2所示：

圖2 出口含水率閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 closed loop control system of output moisture content diagram

1.2 系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.2.1 風(fēng)溫度控制不完善

在生產(chǎn)過(guò)程中，葉片松散回潮機(jī)通過(guò)打開(kāi)換熱器蒸汽管路閥門(mén)對(duì)換熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度偏低時(shí)，通過(guò)熱風(fēng)管路進(jìn)行蒸汽補(bǔ)償，對(duì)熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行加熱。但是由于補(bǔ)償蒸汽在提高熱風(fēng)溫度的同時(shí)，也會(huì)增加物料含水率，從而成為系統(tǒng)新的擾動(dòng)；另外蒸汽通過(guò)換熱器加入滾筒，當(dāng)溫度高于設(shè)定工作溫度時(shí)，缺乏精細(xì)的控制手段對(duì)熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

1.2.2 含水率控制不夠精準(zhǔn)

（1）噴嘴。由于松散回潮滾筒尺寸比較大,從滾筒內(nèi)的增濕區(qū)和平衡區(qū)來(lái)看，使用單個(gè)噴嘴增濕，導(dǎo)致部分煙葉含水率不均勻，最終致使出口含水率Cpk（過(guò)程能力指數(shù)）較低。

（2）控制參數(shù)。松散回潮理論加水量（kg/h）計(jì)算公式為：

式中：Wosp－出口含水率設(shè)定值；Wipv－入口含水率實(shí)際值；Li－入口處電子秤瞬時(shí)流量；K－加水系數(shù)。

從（1）式可以看出，由于出口含水率設(shè)定值為工藝標(biāo)準(zhǔn)值不能調(diào)整，松散回潮加水系數(shù)在批生產(chǎn)過(guò)程中為固定值，只是不同牌號(hào)有所差異。固定加水系數(shù)不適用于來(lái)料含水率變化較大的松散回潮控制系統(tǒng)。

（3）料頭含水率超調(diào)，震蕩時(shí)間長(zhǎng)，回潮后葉片含水率波動(dòng)較大。

松散回潮整體控制能力基本處于受控狀態(tài)，但11個(gè)牌號(hào)Cpk極差偏大，大牌號(hào)過(guò)程控制能力弱于小牌號(hào)。對(duì)測(cè)試值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示松散回潮回風(fēng)溫度Cpk值為1.38，松散回潮出口含水率Cpk值為1.18。表明回風(fēng)溫度能力足但過(guò)程不穩(wěn)定,含水率過(guò)程能力一般，需要進(jìn)行提高。

2 過(guò)程控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 回風(fēng)溫度控制

（1）控制結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

如圖1所示，通過(guò)在原熱風(fēng)蒸汽管路的換熱器支路，把氣動(dòng)薄膜閥更換為帶有電氣定位器的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)整通入換熱器的蒸汽流量和壓力改變熱風(fēng)溫度。避免了由于補(bǔ)償蒸汽含水率不為零，補(bǔ)償蒸汽時(shí)增加了溫度也增加了物料含水率。當(dāng)蒸汽通過(guò)換熱器加入時(shí)，溫度高或低于設(shè)定工作溫度時(shí)，用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥對(duì)換熱器溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)熱風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)降低回風(fēng)溫度和出口含水率的波動(dòng)。

（2）優(yōu)化控制參數(shù)

針對(duì)大牌號(hào)黃金葉（金滿堂），對(duì)換熱器支路帶定位器的閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析并不斷調(diào)整，最終確定為：把補(bǔ)充新風(fēng)設(shè)定為固定值0時(shí)，預(yù)熱狀態(tài)下熱風(fēng)溫度56℃，閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)81%，生產(chǎn)狀態(tài)下熱風(fēng)溫度55℃，閥門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)89%。每個(gè)牌子的值整定出來(lái)后，形成配方，由中控室下發(fā)，閥門(mén)開(kāi)度可自由調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了熱交換器與各牌號(hào)熱風(fēng)溫度的匹配。

2.2 煙片出口含水率的控制

2.2.1 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

（1）對(duì)松散回潮機(jī)加水系統(tǒng)進(jìn)行改善。在松散回潮滾筒出口加裝一個(gè)雙介質(zhì)二元噴嘴，同時(shí)將正常加水量管路進(jìn)行均分，變一個(gè)噴嘴噴霧為兩個(gè)噴嘴噴霧，增大其霧化面積，避免因使用單個(gè)噴嘴增濕，受引射壓力、角度等因素的控制，不能完全覆蓋煙葉，造成部分煙葉未充分吸附或擴(kuò)散吸收水分，讓更多的物料吸收水分。

（2）在松散回潮滾筒出口端增加一套自動(dòng)控制加水系統(tǒng)，噴嘴在滾筒的后端，由于后室的物料位置與前室的物料位置不同，為保證水噴灑在1.5 m處的煙葉上，其位置設(shè)計(jì)和前端的噴嘴位置不在一個(gè)水平面上，比前端噴嘴的位置略低，并且垂直方向上也有一個(gè)向上的偏角，用蒸汽來(lái)引射，生產(chǎn)時(shí)，高壓蒸汽通過(guò)減壓閥進(jìn)行減壓，通過(guò)壓力表觀察，使其達(dá)到生產(chǎn)工藝要求的壓力值，生產(chǎn)時(shí)通過(guò)氣動(dòng)薄膜閥將引射和霧化蒸汽通入雙介質(zhì)噴嘴，引射霧化增濕水。如圖3所示：

圖3 完善后的后室加水控制示意圖Fig.3 after chamber with water control diagram of after perfe ction

正常生產(chǎn)時(shí)，前室保留優(yōu)化前的加水控制模 式，即PLC根據(jù)出口含水率數(shù)值，根據(jù)公式1進(jìn)行計(jì)算，加入計(jì)算出的理論加水量，并通過(guò)電磁流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后將實(shí)時(shí)加水量反饋至PLC中，控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，形成閉環(huán)進(jìn)行水流量PID準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，其實(shí)對(duì)于出口含水率的控制來(lái)說(shuō)，前室的加水量作為前饋調(diào)節(jié)處理含水率控制的一個(gè)擾動(dòng)；為解決后室加水系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，需要變動(dòng)松散回潮前室加水控制部分，將入口加水量改為完善前的85%，剩余15%由后室加水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，避免入口加水量過(guò)大時(shí)后室加水沒(méi)有調(diào)節(jié)余量。為防止后室加水系統(tǒng)過(guò)早開(kāi)始工作造成松散回潮機(jī)筒壁積水，當(dāng)入口加水系統(tǒng)工作90 s后，后室補(bǔ)水系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)松散回潮機(jī)出口含水率達(dá)到比設(shè)定值低0.8 %的值以后，出口含水率反饋至后室加水控制系統(tǒng)，修正后室加水量，實(shí)現(xiàn)松散回潮機(jī)后室加水的反饋控制，補(bǔ)償前室加水的不足，快速調(diào)整松散回潮出口含水率，后室加水PID程序在固定的功能塊［10］中來(lái)實(shí)現(xiàn)。前室水流量PID控制器和后室含水率PID控制器共同作用，形成一個(gè)復(fù)合的PID控制系統(tǒng)，前室水流量控制作為后室的出口含水率的前饋調(diào)節(jié)。其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示：

圖4 改善后出口煙片含水率控制系統(tǒng)框圖Fig.4 output moisture content control system diagram of after perfection

2.2.2 優(yōu)化控制參數(shù)

松散回潮機(jī)加水程序原設(shè)計(jì)使用固定加水系數(shù)，當(dāng)來(lái)料含水率波動(dòng)，含水率偏離正常值過(guò)大時(shí)，加水量不能與來(lái)料保持最佳匹配，導(dǎo)致出口含水率波動(dòng)，影響到出口含水率Cpk。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，找出不同來(lái)料含水率需要的不同加水系數(shù)，優(yōu)化含水率控制模式，然后根據(jù)來(lái)料含水率自動(dòng)調(diào)整加水系數(shù)。通過(guò)對(duì)加水控制程序重新編程，添加加水系數(shù)自動(dòng)切換程序。設(shè)計(jì)思想是：根據(jù)來(lái)料含水率將來(lái)料分為正常、偏大、偏小幾個(gè)段，為不同的段設(shè)定一個(gè)加水系數(shù)，程序?qū)⒏鶕?jù)來(lái)料所處含水率段自動(dòng)切換加水程序，執(zhí)行不同的加水系數(shù)。如果入口含水率低于設(shè)定下限值按設(shè)定下限值計(jì)算，如果入口含水率大于設(shè)定上限值就按設(shè)定上限值計(jì)算，來(lái)料含水率在13.0%-15.0%時(shí)就按照設(shè)定加水系數(shù)加水，當(dāng)來(lái)料含水率在12.5%-13.0%時(shí)，設(shè)定加水系數(shù)為-0.05，在12.0%-12.5%時(shí)，設(shè)定加水系數(shù)為-0.1。具體在PLC控制程序中來(lái)實(shí)現(xiàn)［10］。

2.2.3 優(yōu)化控制料頭超調(diào)

針對(duì)這一情況，通過(guò)完善松散回潮控制程序，將回潮機(jī)入口含水率小于12.0%時(shí)按12.0%計(jì)算（一般情況下正常生產(chǎn)時(shí)來(lái)料含水率要大于12.0%），防止料頭時(shí)松散回潮出口含水率過(guò)度超標(biāo)，同時(shí)當(dāng)出口含水率大于15.0%時(shí)計(jì)算加水量的入口含水率不能小于12.0%，防止當(dāng)意外斷料時(shí)出現(xiàn)和料頭一樣的超調(diào)現(xiàn)象；同時(shí)為防止來(lái)料含水率過(guò)大,控制系統(tǒng)技術(shù)加水量過(guò)小的問(wèn)題,增加了松散回潮機(jī)入口含水率上限值,對(duì)應(yīng)于加水量計(jì)算的松散回潮機(jī)入口含水率進(jìn)行限制。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

改進(jìn)完善后跟蹤3個(gè)月，生產(chǎn)總批次923批，其中金滿堂279批，在此期間對(duì)該工序回風(fēng)溫度、含水率分別進(jìn)行了180次的重復(fù)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，并繪制了出口含水率單值Cpk控制圖，如圖5所示。從圖中可以看出松散回潮出口含水率Cpk較高，平均值為1.714，松散回潮機(jī)出口含水率指標(biāo)運(yùn)行穩(wěn)定且過(guò)程可控。

圖5 完善后出口煙片含水率 Cpk單值控制圖Fig.5 output moisture content Cpk single value control diagram of after perfection

從圖6可以看出改進(jìn)后松散回潮回風(fēng)溫度Cpk較高，平均值為2.783，松散回潮熱風(fēng)溫度過(guò)程能力得到了提高,能力非常充分。

圖6 完善后回風(fēng)溫度Cpk單值控制圖Fig.6 Recirculated air temperature Cpk single value control diagram of after perfection

根據(jù)2003版《卷煙工藝規(guī)范》中的規(guī)定，松散回潮后煙片溫度控制在55.0℃至75.0℃，允差±3.0℃，金滿堂的設(shè)定值是55℃，允差±2.5℃，通過(guò)分析對(duì)比出口煙片溫度PID調(diào)節(jié)曲線，隨機(jī)抽取30批進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，改善前后出口煙片溫度從超調(diào)到其回歸在52.5℃至57.5℃之間的調(diào)整時(shí)間如表1所列。

表1 出口煙片溫度調(diào)整時(shí)間Tab.1 Setup time of output trip tobacco temperature

續(xù)表1

從表1可以看出，改善前的調(diào)整時(shí)間平均為134.37s，改善后出口物料溫度的平均調(diào)整時(shí)間是91.33s，過(guò)程時(shí)間比完善前平均縮短43.04s左右。隨機(jī)分別抽取一批改善后的金滿堂的料頭和改善前的記錄進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，改善后的調(diào)整時(shí)間都大大減少，達(dá)到了快速調(diào)整的效果，出口物料的溫度控制比改善前明顯穩(wěn)定了。平均標(biāo)偏SD從0.45降低到0.23，數(shù)據(jù)集中，優(yōu)化效果明顯。

圖7 出口煙片溫度的趨勢(shì)圖Fig.7 Trend diagram of output tobacco temperature

根據(jù)2003版《卷煙工藝規(guī)范》中的規(guī)定，松散回潮后煙片含水率控制在17.0%至20.0%，允差±1.5%，金滿堂的標(biāo)準(zhǔn)要求是（18.8±1.0）%。通過(guò)分析對(duì)比出口煙片含水率PID調(diào)節(jié)曲線，隨機(jī)抽取30批進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完善前后出口煙片含水率從超調(diào)到其回歸到17.8%至19.8%之間的調(diào)整時(shí)間如表2所列。

表2 出口煙片含水率調(diào)整時(shí)間Tab.2 Setup time of output moisture content

從表2可以看出，改善前的調(diào)整時(shí)間平均為425.43s，改善后出口煙片含水率的平均調(diào)整時(shí)間是200.1s，過(guò)程時(shí)間比完善前平均縮短225.33s左右。隨機(jī)分別抽取一批改善后的金滿堂的料頭和改善前的記錄進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示，改善后的料頭超調(diào)現(xiàn)象控制良好，調(diào)整時(shí)間大大減少，達(dá)到了快速調(diào)整的同時(shí)，出口煙片含水率控制比改善前明顯平穩(wěn)，平均標(biāo)偏SD從0.43%降低到0.24%，數(shù)據(jù)比較集中，優(yōu)化效果非常明顯。

圖8 出口煙片含水率的趨勢(shì)圖Fig.8 Trend diagram of output moisture content

經(jīng)過(guò)完善，松散回潮工序過(guò)程加工的穩(wěn)定性提高了，回風(fēng)溫度和含水率曲線明顯趨于穩(wěn)定，為后道工序加工的穩(wěn)定性降低了難度，烘絲干頭干尾量由平均70.00 kg降低到7.62 kg。提升了整個(gè)制絲線的過(guò)程控制能力，整體產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高，消耗指標(biāo)也得到有效降低，松散回潮的合格率由原來(lái)的91.23%提高到98.62%，潮頭干尾量由280kg降低到78kg。

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Optimization design of control system in tobacco strips loosening and conditioning

LI Xiufang
Centre for Golden Leaf Cigarette Production ,China Tobacco Henan Industrial Co.Ltd.，Zhengzhou 450000，China

Reduced fluctuation of key parameters during tobacco strips loosening and conditioning may help to improve process control system.Improved control of recirculated air and moisture content can result in optimized process parameters which further help to reduce fluctuation of output moisture content and temperature.The average standard deviation of output moisture content was reduced to 0.24%from 0.43%.By so doing both operation stability and process control reliability were enhanced.

loosening and conditioning；process control；optimization

李秀芳.煙片松散回潮關(guān)鍵工藝參數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2015,21（3）

李秀芳（1973—），碩士，工程師，研究方向：煙草設(shè)備管理、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用，Email:zzlixiufang@163.com

2014-11-21

: LI Xiufang.Optimization design of control system in tobacco strips loosening and conditioning [J].Acta Tabacaria Sinica,2015,21(3)