片煙醇化庫環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

馬 飛，賈 嘉，劉 勇，朱國棟

（1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠，河南 許昌 461000；2.鄭州道藝新能源科技有限公司，鄭州 金水 450001)

1 前言

片煙貯存養(yǎng)護工作是確保煙葉安全和質(zhì)量的重中之重，是煙草制品品質(zhì)的基礎(chǔ)保障。煙葉存儲時間超長，短則2-3 年，長則5-7 年，管理人員在長時間管理下容易產(chǎn)生惰性，很難察覺到倉儲環(huán)境的微小變化，因此經(jīng)常會有倉庫出現(xiàn)煙葉蟲害或霉?fàn)€變質(zhì)，甚至高溫自燃現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟損失[1]，通常情況下，煙葉貯存均是采用自然醇化方式，即選擇溫濕度適宜的地段建立庫區(qū)，然后通過人工每日巡檢來保障片煙的醇化環(huán)境參數(shù)，但是這種方式不但在醇化庫區(qū)位置選擇上具備局限性外，人工巡檢效率低下，費時費力，封裝好的煙葉內(nèi)部實際的煙芯溫度也無法監(jiān)測，這就導(dǎo)致每年因片煙養(yǎng)護不當(dāng)造成一定量的煙葉霉變或遭遇蟲害損失。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和AI 人工智能技術(shù)，以及機器自學(xué)習(xí)技術(shù)的融合應(yīng)用不斷發(fā)展，給現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)提供了安全有效的環(huán)境監(jiān)測、研判手段[2]，通過AI 人工智能及機器自學(xué)習(xí)技術(shù)對大數(shù)據(jù)進行分析，設(shè)計一套能夠?qū)崟r監(jiān)測片煙醇化環(huán)境、煙芯溫度、蟲害消殺程度的醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。實際上隨著智能化工廠理論的研究和推進，工業(yè)智能化理念已經(jīng)體現(xiàn)在了方方面面，工業(yè)預(yù)警技術(shù)和各種監(jiān)測技術(shù)也日漸趨于成熟，也已經(jīng)有了針對片煙養(yǎng)護進行的相關(guān)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究。

孫建鋒詳細研究分析了不同片煙醇化方法和儲存條件對片煙醇化的影響，通過對自然醇化和人工醇化片煙樣品取樣分析，對片煙外觀質(zhì)量和吸食品質(zhì)進行鑒定，確定了醇化時間、醇化環(huán)境溫濕度、片煙儲存方式對片煙醇化效果起到?jīng)Q定性作用，同時指出當(dāng)前人工自然醇化模式下的弊端[3]。

樂承星、賴蘭鳳等人通過構(gòu)建煙葉原料智能倉儲綜合管理平臺，同時對平臺的各個模塊進行研究，形成包芯監(jiān)控、垛內(nèi)監(jiān)控、倉間監(jiān)控和預(yù)警等模塊，實現(xiàn)煙葉原料智能倉儲功能，提高煙葉倉儲的精益管理水平，實現(xiàn)了煙葉養(yǎng)護過程數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的手工記錄轉(zhuǎn)為系統(tǒng)自動采集，使片煙養(yǎng)護過程的數(shù)據(jù)具有信息化、可追溯化及可視化功能，實現(xiàn)了對垛內(nèi)醇化片煙包芯溫度進行全生命周期的無線監(jiān)測，降低了煙葉碳化的風(fēng)險。同時該系統(tǒng)還具有對出入庫的片煙RFID 信息自動掃碼的功能，降低了人工成本[4]。

張鑫、王蘇紅等人進行了煙葉箱芯溫度變化規(guī)律和預(yù)測預(yù)警的研究，為煙葉箱芯溫度的數(shù)據(jù)采集分析提供了一個研究方向思路和方法[5]。

鑒于前人的研究成果，本文對片煙醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行了研究，通過在庫區(qū)內(nèi)加裝溫濕度傳感器、磷化氫濃度監(jiān)測設(shè)備、強制通風(fēng)設(shè)備和高壓冷霧加濕系統(tǒng)，最終形成一套具備醇化環(huán)境溫濕度監(jiān)測、煙葉箱芯溫度監(jiān)測、磷化氫濃度實時監(jiān)測功能的智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，保障片葉醇化養(yǎng)護質(zhì)量，減少因片煙養(yǎng)護不當(dāng)造成的巨額經(jīng)濟損失。

2 片煙醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成

片煙醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括布局在片煙煙箱內(nèi)的無線溫度傳感器探頭、布局在庫區(qū)室內(nèi)外的溫濕度傳感器探頭、機房數(shù)據(jù)管路服務(wù)器和展示操作終端。通過對環(huán)境溫濕度以及片煙箱內(nèi)溫度的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集分析，對片煙醇化過程煙箱內(nèi)煙葉異常溫度變化進行預(yù)警，并設(shè)計出了一套對環(huán)境溫濕度進自動干預(yù)的控制策略，優(yōu)化醇化環(huán)境，保護醇化庫煙草倉儲醇化安全。

圖1 雙探頭無線溫度發(fā)送裝置工作原理圖

2.1 醇化庫溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

為了實現(xiàn)醇化庫溫濕度環(huán)境的實時監(jiān)測，保障片煙醇化環(huán)境的醇化效果，本文進行了醇化庫溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，考慮到庫區(qū)靠近門口的區(qū)域受外界溫濕度影響大，而遠離門口的區(qū)域卻受外界溫濕度影響小，為能正確反映庫區(qū)內(nèi)部的實時溫濕度環(huán)境信息，在庫區(qū)的正中心裝設(shè)了溫濕度傳感器設(shè)備，用來監(jiān)測庫區(qū)內(nèi)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，將整個庫區(qū)進行區(qū)域劃分，在每個區(qū)域的中心位置煙箱上安裝一個箱芯溫度監(jiān)測設(shè)備，用于庫內(nèi)箱芯溫度的實時監(jiān)測，在庫外裝配一個溫濕度傳感器，與室內(nèi)數(shù)據(jù)作對比，研究外界環(huán)境對庫內(nèi)溫濕度環(huán)境的影響。

2.2 無線箱芯溫度監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

通過有線布線方式不僅施工量大，而且只能是自下而上布線，整個庫區(qū)就會變成類似蜘蛛網(wǎng)一樣的布局，不僅存在庫區(qū)煙葉存取不便的問題，還有線路老化、設(shè)備鉤掛線纜、線皮損壞導(dǎo)致的火災(zāi)等問題，因此應(yīng)開發(fā)一套無線的箱芯溫度監(jiān)測裝置系統(tǒng)。

雙通道無線溫度傳感器發(fā)送裝置，主要包括長效低功耗鋰電池供電系統(tǒng)，雙路溫度探頭通道，溫度信號采集編碼，MOBUS 信號編碼，485 低功耗發(fā)送以及發(fā)射天線等，全部配件集成在一個100mm×100mm×40mm的密封盒子里，盒子密封級別IP67。密封盒外只預(yù)留溫度探頭接頭航空插座兩個，密封船型開關(guān)一個，由于此裝置采用了低功耗發(fā)射，鋰電池供電時間最長可達10 年，該裝置采用全密封結(jié)構(gòu)，工作穩(wěn)定，不受外界環(huán)境影響，同時發(fā)送兩路溫度數(shù)據(jù)，極大地降低了布線難度，保障了庫區(qū)的安全和整潔美觀。

同時研發(fā)了一種箱內(nèi)溫度傳感器探針裝置，探針為“丁”字型構(gòu)造，一端為尖頭，方便插入煙箱內(nèi)部，另一端作為把手，方便裝置的布設(shè)。

2.3 熏蒸殺蟲過程磷化氫濃度實時監(jiān)測

傳統(tǒng)的熏蒸殺蟲過程是在固定時間進行磷化氫熏蒸殺蟲，包括熏殺持續(xù)時間，磷化氫氣體通風(fēng)排放時間都是按照以往的經(jīng)驗。磷化氫氣體屬于毒害氣體，對人體損傷極大，如果單純通過經(jīng)驗去判斷庫區(qū)內(nèi)磷化氫濃度，一旦判斷失誤，就會造成人員傷亡?？紤]到這一因素，本文在研究過程中在庫區(qū)的每個庫房都加設(shè)了磷化氫濃度實時監(jiān)測裝置，可實時查看庫區(qū)內(nèi)的磷化氫濃度，實現(xiàn)熏殺過程的庫區(qū)磷化氫濃度實時監(jiān)測，保障相關(guān)人員安全，同時磷化氫濃度實時監(jiān)測裝置還可與蟲情監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，為研判最佳的蟲害防治熏殺策略創(chuàng)造數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4 箱芯溫度預(yù)警算法構(gòu)建

醇化庫箱芯溫度預(yù)警算法構(gòu)建，是通過同庫內(nèi)不同堆垛間溫度橫向?qū)Ρ?，設(shè)置預(yù)警閥值，即某個箱芯溫度高于庫單元內(nèi)其它信息溫度最高值2℃，并且持續(xù)時間3 小時以上，即進行堆垛高溫預(yù)警。單個堆垛內(nèi)溫度和庫單元內(nèi)箱芯溫度平均值做縱向?qū)Ρ?，設(shè)置對比預(yù)警閥值即單個堆垛溫度高于庫單元堆垛溫度平均值3℃，持續(xù)時間3 小時以上，即進行堆垛高溫預(yù)警。當(dāng)某一個堆垛箱型溫度計，高于本庫單元室內(nèi)環(huán)境溫度5℃，并持續(xù)10 個小時，即進行堆垛高溫預(yù)警。三種預(yù)警模式并行工作，任一預(yù)警模式觸動預(yù)警閥值，均進行預(yù)警。

2.5 管理員操作平臺

該系統(tǒng)可實時監(jiān)測醇化庫內(nèi)環(huán)境的實時環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并且實現(xiàn)遠端查看和數(shù)據(jù)歸檔整理分析，當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)異常后，會在管理平臺發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)管理人員采取相應(yīng)的管理措施，保障片煙醇化效果。

2.6 自動數(shù)據(jù)點檢機制建立

庫單元室內(nèi)溫濕度、磷化氫濃度自動點檢機制；通過布局在每個庫單元內(nèi)的溫濕度傳感器采集庫單元內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，通過同一庫單元不同采集點數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，點檢傳感器設(shè)備工作狀態(tài)，對單個數(shù)據(jù)異常傳感器自動預(yù)警，同一庫單元不同堆垛箱芯溫度橫向?qū)Ρ?，?dāng)某一個堆垛箱芯溫度高于其它堆垛箱芯溫度4℃即進行箱芯溫度預(yù)警；堆垛箱芯溫度和室內(nèi)溫度縱向?qū)Ρ?，箱芯溫度連續(xù)兩次檢測均高于室內(nèi)溫度5℃的，進行異常報警。箱芯溫度計點檢對比頻次每小時一次。

3 片煙醇化庫環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)功能展示及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可實時查看醇化庫室內(nèi)外溫濕度、煙箱垛心溫度、磷化氫濃度，具備異常預(yù)警、數(shù)據(jù)歸檔存儲、趨勢圖展示以及報警記錄存檔等功能，分庫展示界面等功能。系統(tǒng)經(jīng)過持續(xù)兩年的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，除冬季極寒天氣外，片煙醇化庫內(nèi)溫度一般維持在30±3℃，濕度反而隨季節(jié)變化較大，由此可知，非常需要一套濕度自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保障片葉醇化環(huán)境的濕度指標，煙箱煙芯溫度基本維持在30±2℃。由數(shù)據(jù)分析可知，熏殺蟲害時，庫內(nèi)磷化氫濃度大概在兩天半的時間達到最高值，然后磷化氫排放大概需要一周的時間才能完全排放干凈。

3.2 系統(tǒng)運行效果

系統(tǒng)通過展示界面進行實時顯示，可記錄庫區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢曲線，便于管理人員進行數(shù)據(jù)分析，設(shè)備具備自點檢功能，可按照預(yù)設(shè)進行設(shè)備的自點檢，當(dāng)檢測到設(shè)備狀態(tài)異常時可自行發(fā)出報警信號，提醒管理人員及時維護，同時記錄報警記錄，方便后續(xù)的故障排查和系統(tǒng)優(yōu)化。針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速度和更新速度，也進行了相關(guān)的測試。測試方式為正常運行系統(tǒng)，然后通過OPC 軟件來查看數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài)，通過系統(tǒng)頁面刷新速度來判斷系統(tǒng)界面刷新頻率。經(jīng)測試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度為一秒一次，界面刷新頻率為兩秒刷新一次，但是考慮到溫濕度數(shù)據(jù)是不容易在短時間內(nèi)大幅改變的，因此為保障界面數(shù)據(jù)的穩(wěn)定刷新，將界面刷新頻率改為一分鐘一次，經(jīng)測試，改善后的界面數(shù)據(jù)穩(wěn)定，符合預(yù)期。

4 結(jié)論

本文通過對片煙養(yǎng)護貯存過程中出現(xiàn)的問題的研究，提出了一套醇化庫環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過在庫區(qū)內(nèi)外安裝溫濕度傳感器，安裝磷化氫濃度監(jiān)測裝置，自主設(shè)計開發(fā)了無線煙芯溫度監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了庫區(qū)內(nèi)部的溫濕度、磷化氫濃度、煙芯溫度的實時監(jiān)測，滿足了片煙養(yǎng)護需求。通過總結(jié)醇化庫環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計思路和實驗測試結(jié)果得出以下結(jié)論：

1.醇化庫區(qū)經(jīng)過持續(xù)兩年的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，除冬季極寒天氣外，片煙醇化庫內(nèi)溫度一般維持在30±3℃，濕度反而隨季節(jié)變化較大，煙箱煙芯溫度基本維持在30±2℃。

2.煙芯溫度異常預(yù)警策略為進行同一庫單元不同堆垛箱芯溫度橫向?qū)Ρ龋?dāng)某一個堆垛箱芯溫度高于其它堆垛箱芯溫度4℃即進行箱芯溫度預(yù)警；堆垛箱芯溫度和室內(nèi)溫度縱向?qū)Ρ龋湫緶囟冗B續(xù)兩次檢測均高于室內(nèi)溫度5℃的，進行異常報警。箱芯溫度計點檢對比頻次每小時一次。

3.庫區(qū)進行熏殺蟲害時，庫內(nèi)磷化氫濃度大概在兩天半的時間達到最高值，然后磷化氫排放大概需要一周的時間才能完全排放干凈。

4.系統(tǒng)可實現(xiàn)自點檢和設(shè)備狀態(tài)自檢，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，可在操作界面發(fā)出預(yù)警，提醒工作人員進行維保。

5.當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻次為一秒一次，系統(tǒng)界面刷新頻率為一分鐘一次。

5 技術(shù)應(yīng)用

醇化庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，能夠針對庫區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時采集和整理分析，幫助管理人員實時了解片煙醇化過程中環(huán)境數(shù)據(jù)的微小改變，以便能做出相應(yīng)措施，有效保障了片煙的醇化和養(yǎng)護質(zhì)量，同時該系統(tǒng)為片煙養(yǎng)護技術(shù)的各項研究提供了物理設(shè)施條件和龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為片煙養(yǎng)護的規(guī)范化、科學(xué)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。