復烤片煙箱內密度偏差率實時檢測與控制系統

孫彥波 王子沖 孫洪江 吳 箭 張耀輝 劉 鑫

（云南煙葉復烤有限責任公司 云南保山）

打葉復烤生產環節中，復烤片煙箱（以下簡稱片煙箱）內密度偏差率(DVR)是重要的質量技術要求之一。DVR是影響復烤片煙儲存醇化質量的重要因素，偏差較大時還可能引起煙葉壓油、霉變和炭化。目前打葉復烤生產線主要采用X-射線無損測試儀或9點密度取樣裝置在預壓打包工段復壓打包后對DVR進行檢測，然而這兩種檢測方式的檢測結果均難以用于對片煙裝箱過程進行實時調節控制，往往造成單箱片煙DVR指標難以達標或批次產品內片煙DVR波動大、難以達標。為此，開發基于壓力傳感器的片煙箱內密度偏差率在線實時檢測與控制系統，對復烤后的片煙裝箱過程進行實時檢測和控制，從根本上解決片煙箱內密度偏差率難以達標的問題。

對片煙裝箱過程進行實時控制，前提是對片煙箱內密度偏差的檢測應及時、準確，同時將檢測結果適時反饋給控制系統進行調節控制。從片煙裝箱過程看，當片煙煙箱進料結束，預壓機預壓完成后，片煙箱內密度即確定，不能再進行調節控制。因此，對片煙箱內密度偏差的檢測如在預壓機預壓過程結束前完成，是對片煙箱內密度偏差進行檢測的最早環節，能更加真實、準確地反應煙箱內片煙的密度情況，同時將此時的檢測結果反饋給控制系統，對下一箱片煙的裝箱過程進行調節控制，即能實現片煙裝箱過程的實時檢測和控制。復烤片煙在裝箱過程中，受預壓機罩箱與煙箱的約束，自由下落后在煙箱中分層堆積，直至達到設定的重量限值，然后預壓機進行預壓。預壓機在預壓時，壓頭作用于煙箱內分層堆積的煙片上，然后通過煙片、煙箱將作用力傳遞到煙箱底部的支撐臺面，支撐臺面同時給予煙箱、煙片、壓頭相應的反作用力，在壓頭、煙箱、支撐臺面的共同作用下，完成片煙的預壓包裝。由于壓頭、支撐臺面均為水平安裝且預壓完成時兩者間的間距是固定的，因此壓頭在預壓過程中以及預壓完成時，作用于支撐臺面各區域或點的作用力大小取決于煙片在煙箱中堆積的厚薄狀況，即煙片堆積越厚的區域或點，作用在支撐臺面上的作用力就越大，煙片堆積越薄的區域或點，作用在支撐臺面上的作用力就越小，同樣支撐臺面通過煙箱、煙片作用于壓頭的反作用力同支撐臺面所受的作用力大小一致。因此，預壓機預壓時壓頭上不同區域或點所受反作用力的大小能真實地反映煙箱內煙片堆積的厚薄狀況，各區域或點的壓力偏差也能真實地反映煙箱內煙片堆積的厚薄偏差狀況。由于片煙在預壓過程中體積被煙箱約束為一相對固定值，且預壓時煙片在煙箱內不會自由流動，因此壓頭上各區域或點的壓力偏差就真實地反映了煙箱內片煙的密度偏差狀況。基于以上原理（圖1），在預壓機壓頭上安裝壓力傳感器，在預壓過程中對復烤片煙的裝箱密度偏差進行檢測，可以及時獲得煙箱內片煙的密度偏差情況，此時將檢測結果反饋給控制系統，對下一箱片煙裝箱時的調節裝置進行調整控制，從而實現對復烤片煙裝箱過程的實時檢測和控制。

另外，對復烤片煙裝箱過程進行分析可知，影響復烤片煙在煙箱內堆積厚薄的主要因素有：煙箱長度方向包括煙片在預壓機罩箱前輸送機上的分布均勻情況和預壓機罩箱前輸送機的速度；在煙箱寬度方向包括預壓機罩箱口均料板的停留位置和預壓機罩箱口均料板在各停留位置的停留時間。4個主要影響因素中，預壓機罩箱前輸送機的速度可手動調整設定，設定后在生產時對煙箱內片煙堆積的厚薄狀況影響不大，其他3個因素則必須在生產過程中根據檢測結果適時進行調節控制，才能保證片煙裝箱后箱內DVR達到行業標準要求。

圖1 片煙壓實過程的作用力

一、系統構成

對傳統預壓機壓頭進行改造設計。根據行業標準YC/T 146-2010，片煙箱的外形尺寸（長×寬×高）1115 mm×690 mm×725 mm或1136 mm×720 mm×725 mm，俯視投影為長方形。因此，對預壓機壓頭進行改造設計，根據YC/T 147-2001中8.2a條密度9點法取樣板取樣點的位置，在預壓機壓頭底部相應位置安裝9只壓力傳感器，同時在壓頭內部安裝壓力傳感器電源（可循環充電的鋰電池組）、數據采集處理模塊和無線發射裝置，負責在預壓機預壓過程中及時采集壓頭上9點的壓力數據，并將數據通過無線發射裝置進行適時發送。在預壓機罩箱口安裝無線接收裝置，接收預壓機壓頭在預壓時發送的數據，并將數據傳送到控制系統。

對預壓機罩箱前輸送機上的鋪料裝置和預壓機罩箱口的均料板進行改造設計。片煙在預壓機罩箱前輸送機上的分布由安裝于輸送機上方的3分鋪料板進行調節控制，3分鋪料板采用伺服電缸作為執行器，依據片煙在煙箱長度方向上的壓力偏差情況對每個鋪料板的停留位置和停留時間進行調節；預壓機罩箱口的均料板主要影響片煙在煙箱寬度方向上的分布，均料板的執行器采用伺服電缸代替傳統的伺服氣缸或普通氣缸，并依據片煙在煙箱寬度方向上的壓力偏差情況對均料板的停留位置和各停留位置的停留時間進行調節。

控制系統設計。控制系統可以設計為獨立的系統，也可以集成到預壓打包機控制系統中。主要負責與預壓打包機控制系統進行數據通訊，存儲、分析處理從預壓機壓頭傳回的實時數據，發出3分鋪料板和均料板的控制指令，對系統運行過程進行監控并記錄運行數據、操作模式轉換等功能。系統結構見圖2。

圖2 系統結構

二、系統的運行控制原理（圖3）

系統運行前，按生產加工中部煙葉的來料條件設置預壓機罩箱前輸送機上方3分鋪料板的初始位置。預壓機罩箱前輸送機同上位來料輸送機一般成90°角，上位輸送機的來料分布示意見圖4。

圖3 系統運行控制原理

圖4 上位輸送機來料分布

片煙在上位來料輸送機上的分布截面為不規則的弧形，通過3分鋪料板的反射（阻擋后滑落）作用后落在預壓機罩箱前輸送機上。根據來料片煙在上位輸送機上弧形分布的特點，對3分鋪料板的3個鋪料板初始位置分別進行設置。

1#、2#鋪料板初始位置的設置。1#、2#鋪料板在X方向適當靠攏布置，X方向的具體位置通過現場觀察確定，Y方向在中間位置設一個初始位置，負責對弧形截面右半邊的片煙進行反射，具體位置可根據從壓頭反饋得到的壓力偏差情況手動反復調整確定，初始位置設置的合理性根據W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值進行判斷，W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值越接近，初始位置越理想。初始位置確定后，生產加工中部煙葉時均保持不變。

3#鋪料板初始位置的設置。3#鋪料板在X方向的初始位置通過現場觀察確定，Y方向分別在原點、中間、終點設3個初始位置。

當生產加工上部煙葉或下部煙葉時，3個鋪料板的初始位置可根據W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值偏差情況進行微調。

系統運行前，按生產加工中部煙葉的來料條件設置預壓機罩箱口均料板的初始位置。均料板由一個伺服電缸驅動，控制均料板在煙箱寬度方向的停留位置和各停留位置的停留時間，對片煙在煙箱寬度方向上的分布進行調節。均料板分別在原點、中間、終點設3個初始位置（圖5）。

1.系統控制流程

根據來料條件設定好鋪料板、均料板的初始位置后，系統切換到在線實時檢測控制模式運行。從預壓機壓頭上檢測反饋得到的9個點壓力數據分別用 V1～V9表示,煙箱長度方向3行的壓力平均值用 W1，W2，W3 表示，即W1=（V1+V2+V3）/3，W2=（V4+V5+V6）/3，W3=（V7+V8+V9）/3。煙箱寬度方向

3列的壓力平均值用H1，H2，H3 表示，即 H1=（V1+V4+V7）/3，H2=（V2+V5+V8）/3，H3=（V3+V6+V9）/3。9個點壓力數據的平均值為AVG=（V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9）/9。

圖5 均料板3個初始位置

根據9個點的壓力數據,分別將煙箱長度方向(W1，W2，W3行)各行的壓力平均值以及煙箱寬度方向(H1，H2，H3列)各列的壓力平均值與9個點壓力數據的平均值AVG進行偏差對比分析，作為調節控制3分鋪料板及均料板的依據。為排除生產過程中偶然因素的干擾，若一個煙箱的壓力偏差數據出現異常，可不對3分鋪料板及均料板實施調節，若連續兩個煙箱的壓力偏差均出現異常，則根據偏差分析結果，對3分鋪料板及均料板實施調節，從而分別從煙箱長度方向和寬度方向對片煙在煙箱內的分布進行調節。

2.煙箱長度方向的調節控制

1#、2#鋪料板的初始位置確定后，系統自動運行過程中不再進行調節，而3#鋪料板則根據W1，W2，W3與AVG的偏差分析結果進行實時調節。若W1，W2，W3與AVG的偏差值在允許范圍內，則3#鋪料板維持上一個煙箱的裝箱過程參數繼續對下一個煙箱的裝箱過程進行控制，若W1，W2，W3與AVG的偏差值超出允許范圍內，則依據偏差分布情況對3#鋪料板采取相應的調節措施，控制調節流程見圖6。

圖6 控制調節流程

3.煙箱寬度方向的調節控制

均料板初始位置確定后，系統自動運行過程中根據H1，H2，H3與AVG的偏差分析結果進行實時調節。若H1，H2，H3與AVG的偏差值在允許范圍內，則維持上一個煙箱的裝箱過程參數繼續對下一個煙箱的裝箱過程進行控制，若 H1，H2，H3 與 AVG 的偏差值超出允許范圍內，則依據偏差分布情況采取相應的調節措施，控制調節流程見圖7。

圖7 控制調節流程

三、系統運行效果

片煙箱內密度偏差率在線實時檢測與控制系統投入實際應用后,對生產過程中經該系統連續控制調節的20個樣品采用X-射線無損測試儀進行檢測，共19個樣品的DVR處于行業標準范圍內(DVR≤10%)，1個樣品的DVR略高于10%。

對系統投入應用后連續生產30天的片煙進行隨機抽樣，共抽取177個樣品（含上、中、下部煙葉）采用9點密度取樣裝置進行檢測，其中167個樣品的DVR處于行業標準范圍內 (DVR≤10%)，占樣品總數的94.35%，10個樣品的DVR略高于行業標準，占樣品總數的5.65%。

由檢測（抽檢）結果可以看出,沒有應用片煙箱內密度偏差率在線實時檢測與控制系統前,生產的箱內片煙DVR普遍高于行業標準 (DVR≤10%)，應用片煙箱內密度偏差率在線實時檢測與控制系統后,箱內片煙DVR基本都處于行業標準范圍內 (DVR≤10%)。由此可見，在打葉復烤生產線預壓打包工藝段運用片煙箱內密度偏差率在線實時檢測與控制系統，對箱內片煙DVR實施在線實時檢測和控制,可以很好地實現DVR指標的過程控制,從根本上解決這一指標難以達標的問題,滿足復烤片煙儲存、醇化要求。