基于補(bǔ)償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廖仲生，王昭焜，邵書音，陳思偉，黃紹先，蔡克印，于 靜，王錦金，林水艇

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽工業(yè)區(qū)新陽路1 號(hào) 361022

烘絲入口含水率是制絲生產(chǎn)線的重要工藝指標(biāo)，直接影響烘絲環(huán)節(jié)的相關(guān)過程參數(shù)，對(duì)于烘絲出口含水率有顯著影響［1］。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于存在烘絲入口含水率控制點(diǎn)單一、控制間隔時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境溫濕度影響大等問題，造成烘絲入口含水率容易偏離工藝標(biāo)準(zhǔn)值且批次間波動(dòng)較大，進(jìn)而影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)此，孫一鶴［2］通過穩(wěn)定來料含水率、統(tǒng)一操作方法、優(yōu)化控制參數(shù)等方法提高了烘絲入口含水率穩(wěn)定性；劉穗君等［3］通過回歸分析實(shí)現(xiàn)了松散回潮出口含水率的精確控制；趙偉［4］采用前饋-反饋算法提高了篩分加料出口含水率的控制精度；陳杰等［5］根據(jù)不同等級(jí)煙葉的吸濕性能進(jìn)行了松散回潮加水系數(shù)的差異化調(diào)整；鐘文焱等［6］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了烘絲入口含水率控制預(yù)測(cè)模型。上述改進(jìn)方法主要著重于對(duì)加水比例實(shí)施精確調(diào)控，但由于實(shí)際生產(chǎn)流程長(zhǎng)且存在不可控環(huán)境因素等影響，導(dǎo)致控制效果并不理想，具有較大局限性。為此，設(shè)計(jì)了一種基于補(bǔ)償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)，采用在片煙松散回潮環(huán)節(jié)減少加水，在片煙增溫環(huán)節(jié)補(bǔ)償加水的策略，建立多元回歸模型對(duì)烘絲入口含水率進(jìn)行調(diào)控，以期實(shí)現(xiàn)烘絲入口含水率的準(zhǔn)確控制。

1 問題分析

制絲線烘絲前的工藝流程見圖1。煙包經(jīng)切片后進(jìn)入松散回潮滾筒增溫增濕，松散后片煙進(jìn)入篩分加料筒加料，然后進(jìn)入儲(chǔ)葉柜存放；在達(dá)到工藝要求的存放時(shí)間后，進(jìn)入葉絲工藝段的松葉筒進(jìn)行增溫，再經(jīng)切絲后進(jìn)入烘絲環(huán)節(jié)。改進(jìn)前制絲線存在烘絲入口含水率控制精度低、批次間波動(dòng)大等問題，主要原因：①主要依靠片煙松散回潮環(huán)節(jié)對(duì)加水比例進(jìn)行調(diào)整，由于涉及工藝環(huán)節(jié)多、間隔周期長(zhǎng)，容易受到排產(chǎn)調(diào)整等不確定因素的影響，難以形成有效的閉環(huán)反饋控制；②國(guó)內(nèi)煙草企業(yè)制絲線未實(shí)現(xiàn)全線恒溫恒濕控制［7］，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度波動(dòng)較大，進(jìn)而影響烘絲入口含水率的穩(wěn)定性。分析可見，在實(shí)際生產(chǎn)中無論是依靠人工經(jīng)驗(yàn)還是其他輔助手段，單純調(diào)節(jié)片煙松散回潮環(huán)節(jié)的加水比例，均難以實(shí)現(xiàn)烘絲入口含水率的準(zhǔn)確控制。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為解決上述問題，設(shè)計(jì)了基于補(bǔ)償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置在制絲線片煙增溫環(huán)節(jié)，主要由斜坡輸送帶、撥輥式勻料器、進(jìn)料振槽、入口水分儀、加水裝置、松葉筒、出料振槽、出口水分儀等部分組成，見圖2。

改進(jìn)后采用松散回潮環(huán)節(jié)減少加水，片煙增溫環(huán)節(jié)補(bǔ)償加水的工藝，控制原理見圖3。首先，降低片煙松散回潮環(huán)節(jié)加水比例，為片煙增溫環(huán)節(jié)補(bǔ)償加水預(yù)留調(diào)整空間；其次，通過多元回歸分析預(yù)測(cè)片煙增溫環(huán)節(jié)出口到烘絲入口物料含水率變化；再次，通過主輔PID 聯(lián)動(dòng)控制補(bǔ)償加水，完成補(bǔ)償加水目標(biāo)；最后，片煙進(jìn)入喂料機(jī)并經(jīng)過一段時(shí)間平衡后切絲，實(shí)現(xiàn)烘絲入口含水率的準(zhǔn)確控制。此外，在斜坡輸送帶上增設(shè)撥輥式勻料器，用于在物料行進(jìn)過程中限制物料高度，穩(wěn)定物料流量；將松葉筒內(nèi)壁上的松散短釘改進(jìn)為釘板結(jié)合的多功能組合抄板，增加對(duì)筒內(nèi)片煙的擾動(dòng)能力，延長(zhǎng)片煙在筒內(nèi)停留時(shí)間，提高補(bǔ)償加水的均勻性。

圖3 基于補(bǔ)償加水的烘絲入口含水率控制框圖Fig.3 Block diagram of control for moisture content in tobacco at inlet of tobacco dryer based on water compensation

2.2 加水比例調(diào)整

2.2.1 松散回潮減少加水

為確保片煙增溫環(huán)節(jié)補(bǔ)償加水有足夠的調(diào)整空間，需要在工藝要求范圍內(nèi)降低片煙松散回潮環(huán)節(jié)的加水比例。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（豪情）”牌號(hào)卷煙為例，按照《卷煙工藝規(guī)范》［8］要求進(jìn)行批次梯度實(shí)驗(yàn)，通過逐級(jí)降低松散回潮環(huán)節(jié)的加水比例，考察松散回潮后的片煙板結(jié)質(zhì)量、煙絲結(jié)構(gòu)并組織感官質(zhì)量評(píng)吸，結(jié)果見表1?？梢姡?dāng)松散回潮加水比例由8.5 L/（100 kg 片煙）逐級(jí)降低至7.0 L/（100 kg 片煙）時(shí)，片煙板結(jié)質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，整絲率、長(zhǎng)絲率、碎絲率、填充值及感官質(zhì)量也均符合工藝要求。因此，將松散回潮加水比例標(biāo)準(zhǔn)值確定為7.0 L/（100 kg 片煙），以保證片煙增溫補(bǔ)償加水的調(diào)整空間。

表1 松散回潮環(huán)節(jié)不同加水比例下煙絲質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.1 Evaluation results of tobacco quality at different water addition rates in loosening and conditioning process

2.2.2 補(bǔ)償加水范圍界定

為考察補(bǔ)償加水對(duì)卷煙產(chǎn)品感官質(zhì)量的影響，以“七匹狼（豪情）”牌號(hào)卷煙為例，通過逐級(jí)調(diào)整片煙增溫環(huán)節(jié)的含水率修正量（即片煙增溫出口含水率與入口含水率的差值），進(jìn)行補(bǔ)償加水強(qiáng)度梯度實(shí)驗(yàn)并組織感官質(zhì)量評(píng)吸，結(jié)果見表2。可見，當(dāng)含水率修正量等于或超過1.0%時(shí)，卷煙感官質(zhì)量評(píng)吸結(jié)果差異明顯。因此，將補(bǔ)償加水對(duì)物料含水率的最大修正量界定為0.8%。

表2 片煙增溫環(huán)節(jié)不同含水率修正量下感官質(zhì)量評(píng)吸結(jié)果Tab.2 Sensory evaluation results at different moisture content compensation rates in strip heating process

2.3 多元回歸模型建立

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

以“七匹狼（豪情）”牌號(hào)卷煙為例，通過車間數(shù)采系統(tǒng)采集2019 年全年制絲線歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將各批次的片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、烘絲入口含水率等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，剔除無效數(shù)據(jù)后得到312 組有效數(shù)據(jù)集合。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

由于烘絲入口含水率為受控指標(biāo)，各牌號(hào)各批次的歷史數(shù)據(jù)均會(huì)在相應(yīng)工藝標(biāo)準(zhǔn)值附近波動(dòng)，故該項(xiàng)數(shù)據(jù)的集中度較高，不適合用于構(gòu)建多元回歸分析模型［9］。因此，將烘絲入口含水率與片煙增溫出口含水率之間的差值整合為含水率差值，其表達(dá)式為：

式中：Y 是含水率差值，%；Wc是片煙增溫出口含水率，%；Wr是烘絲入口含水率，%。

對(duì)含水率差值、片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度進(jìn)行歸一化處理，其目的是將各項(xiàng)指標(biāo)的所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為［0，1］之間的數(shù)，避免因數(shù)據(jù)之間數(shù)量級(jí)差別較大而造成回歸誤差增大［10］。本研究中采用最大最小法進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，其函數(shù)形式為：

式中：Xk是任意項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中的任意數(shù)；是任意項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中任意數(shù)對(duì)應(yīng)的歸一化結(jié)果；Xmin是任意項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中的最小數(shù)；Xmax是任意項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中的最大數(shù)。

2.3.3 回歸分析

將歸一化處理后的有效數(shù)據(jù)集合代入控制系統(tǒng)，令含水率差值為因變量，片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度為自變量，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行多元回歸分析。

（1）最佳子集回歸。為得到最佳數(shù)據(jù)擬合效果，利用最佳子集回歸模型對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化評(píng)估，結(jié)果見表3?？梢?，具有片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度4 個(gè)自變量的模型7，其均方差S 和統(tǒng)計(jì)量Mallows Cp均為最小，表明該模型預(yù)測(cè)精度高；決定系數(shù)R2值和調(diào)整決定系數(shù)值最大，表明該模型的自變量對(duì)因變量的解釋程度較好。因此，確定模型7 為最佳模型。

表3 最佳子集回歸模型評(píng)估結(jié)果Tab.3 Evaluation results of optimum subset regression model

（2）持續(xù)優(yōu)化。確定最佳模型結(jié)構(gòu)后，對(duì)歸一化處理后的312 組數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行多元回歸分析。其中，對(duì)提示殘差較大的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行回溯性分析，并進(jìn)一步判斷后剔除或保留。通過持續(xù)的優(yōu)化調(diào)整，最終得到有效數(shù)據(jù)樣本289 組。

（3）分析結(jié)論。經(jīng)過多輪多元回歸分析和調(diào)整，得到從片煙增溫出口到烘絲入口物料含水率變化關(guān)系的回歸方程：

式中：Y 為含水率差值，%；Wc為片煙增溫出口含水率，%；Tc為片煙增溫出口溫度，℃；Th為環(huán)境溫度，℃；Wh為環(huán)境濕度，%。

回歸方程評(píng)估結(jié)果（表4）顯示決定系數(shù)R2=96.4%，調(diào)整決定系數(shù)表明該方程能夠較好地描述片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度4 個(gè)自變量與含水率差值之間的關(guān)系。

表4 回歸方程評(píng)估結(jié)果Tab.4 Evaluation results of regression equation

2.3.4 效果驗(yàn)證

將2020 年1—5 月所有生產(chǎn)批次的相關(guān)數(shù)據(jù)代入多元回歸方程，通過對(duì)比烘絲入口含水率的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值，得到預(yù)測(cè)偏差值，將預(yù)測(cè)偏差值＜0.2%的批次定義為低偏差批次，以驗(yàn)證回歸方程對(duì)烘絲入口含水率的預(yù)測(cè)精度，結(jié)果見表5。可見，所建立的多元回歸方程可以根據(jù)給定參數(shù)較好地預(yù)測(cè)各批次烘絲入口含水率，預(yù)測(cè)偏差均值為0.075%，低偏差（＜0.2%）批次占比達(dá)到85.5%，可以用于指導(dǎo)片煙增溫出口含水率的精確設(shè)定。

2.4 片煙增溫出口含水率控制

改進(jìn)后片煙增溫出口含水率采用主輔PID 聯(lián)動(dòng)控制方式，包括實(shí)現(xiàn)含水率控制的主PID 控制回路和實(shí)現(xiàn)加水量控制的輔PID 控制回路。其中，主PID 控制回路根據(jù)片煙增溫出口含水率實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，計(jì)算得到加水調(diào)整量，見圖4。加水調(diào)整量與理論加水量共同構(gòu)成輔PID 控制回路的加水量設(shè)定值，通過水質(zhì)量流量計(jì)反饋，實(shí)現(xiàn)加水量的精確控制，見圖5。實(shí)際生產(chǎn)中，處于工藝流程銜接位置的松葉筒經(jīng)常出現(xiàn)短暫停機(jī)情況，此時(shí)參與加水量控制的PID 也相應(yīng)停止工作。當(dāng)松葉筒啟動(dòng)后重新開始加水時(shí)，按正常生產(chǎn)設(shè)置的PID 參數(shù)需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整才能達(dá)到停機(jī)前加水量。為此，改進(jìn)后主輔PID 控制回路均使用了兩個(gè)PID 功能塊，當(dāng)松葉筒重新加水時(shí)，啟用PID 功能塊1，通過快速調(diào)整使加水量盡快達(dá)到停機(jī)前狀態(tài)，經(jīng)過一定延時(shí)后再切換到PID 功能塊2，以保證正常生產(chǎn)的加水穩(wěn)定性。

圖4 主PID 控制回路Fig.4 Control loop of the main PID

圖5 輔PID 控制回路Fig.5 Control loop of the ancillary PID

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（豪情）”牌號(hào)卷煙煙絲（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

儀器和設(shè)備：廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司5 000 kg/h 制絲線，主要包括TB-L 型超級(jí)回潮機(jī)（德國(guó)HAUNI 公司）；SJ1528 型加料機(jī)（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；WQ318 型松葉筒（云南昆船第二機(jī)械有限公司）；A1 型切絲機(jī)和CTD 氣流式烘絲機(jī)（意大利COMAS 公司）；TM710e 型在線水分儀（精度0.1%，美國(guó)NDC 公司）。

方法：分別采集改進(jìn)前數(shù)據(jù)312 批次，改進(jìn)后數(shù)據(jù)30 批次，對(duì)改進(jìn)前后烘絲入口含水率調(diào)控情況進(jìn)行評(píng)估對(duì)比，取烘絲入口含水率平均值，并考察烘絲入口含水率與工藝標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均值以及低偏差（＜0.2%）批次占比。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表6 可見，調(diào)控系統(tǒng)改進(jìn)后烘絲入口含水率與工藝標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均值從0.191%降低到0.093%，降低0.098 百分點(diǎn)；低偏差（＜0.2%）批次占比從65.7%提升到83.3%，提高17.6 百分點(diǎn)，有效提高了烘絲入口含水率的調(diào)控精度，減少了批次間波動(dòng)。

表6 調(diào)控系統(tǒng)改進(jìn)前后烘絲入口含水率對(duì)比Tab.6 Comparison of moisture content in tobacco at inlet of tobacco dryer before and after modification

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于補(bǔ)償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)，在保證卷煙產(chǎn)品工藝質(zhì)量前提下，采用松散回潮環(huán)節(jié)減少加水，片煙增溫環(huán)節(jié)補(bǔ)償加水的策略，通過多元回歸分析，得到片煙增溫出口到烘絲入口物料含水率變化關(guān)系的回歸方程，用于指導(dǎo)片煙增溫環(huán)節(jié)補(bǔ)償加水目標(biāo)的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)烘絲入口含水率的精準(zhǔn)調(diào)控。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（豪情）”牌號(hào)卷煙煙絲為對(duì)象進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：調(diào)控系統(tǒng)改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)了烘絲入口含水率的精確控制，烘絲入口含水率與工藝標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均值降低0.098 百分點(diǎn)，低偏差（＜0.2%）批次占比提高17.6 百分點(diǎn)，有效提升了烘絲入口含水率調(diào)控水平，卷煙產(chǎn)品工藝質(zhì)量顯著提高。