煙廠制絲線溫濕度控制工藝研究

鄭偉+趙凡

摘 要：針對現有制絲系統生產能力，不能實現信息化生產的要求，設計了新型制絲管控系統，介紹了制絲生產線的工作流程，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，便于煙片絲的后續處理，提高了卷煙生產效率和質量，提高了企業競爭力。

關鍵詞：制絲生產線；柔性加工；松散回潮；熱風潤葉

引言

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

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合易地技術改造項目。卷煙廠生產車間主要包括制絲車間與卷接包車間。制絲生產線是卷煙生產過程中工藝流程最長、設備種類最多、生產過程最復雜的生產線[2]。制絲車間負責提供成品煙絲，為卷接包車架提供原料，因此制絲系統的生產效率與產品質量直接關系到卷煙的生產速度及出廠質量，是衡量煙草生產企業的重要指標之一。制絲線的信息化是大勢所趨，是數字化工廠實現的重要階段。

1 制絲管控系統總方案

根據國內制絲管控系統的技術發展，結合鄭州廠和新鄭廠現有技術，為新鄭州廠打造一條國內領先的制絲管控系統，從而實現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合工房內建一條新型制絲生產線。綜合生產能力16000 kg/h。為了實現制絲線自動化生產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和管理要求的制絲系統。此系統將柔性制絲與分組化技術運用在生產線上，嚴格按照中式卷煙工藝進行生產，打造適合自身發展的現代化無人車間，建成數字化工廠。

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

2制絲生產線

2.1生產線工作流程

制絲生產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。

原各廠制絲生產線，都只有一條生產線，生產能力有限。經易地改造后的生產線綜合生產能力可達到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梗絲生產線；1140kg/hCO2膨脹煙絲線從5000kg/h或8000kg/h線取片。

根據工藝流程的特點，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，對各生產工藝段實現控制。

采用多條生產線不僅提高了生產效率，還可使制絲系統同時生產品牌不同的煙絲，滿足各卷接包生產線的需求，合理地根據市場需求與生產情況安排生產流程。從生產流程中可以看出在，不論是煙片處理還是煙梗處理，出現次數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酵所需的溫濕度，煙葉經過發酵可改善品質，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線上的重要設備之一，主要實現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、生產階段、清洗階段。在生產過程中，這三個階段必須嚴格按照次序依次進行，否則會產生故障，影響機器壽命。生產過程中一般只能看到生產階段，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。為了防止生產過程中產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，減少對再次生產煙絲的質量產生影響。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，系統根據實際風道溫度（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為氣壓信號，進而調整電氣比例閥的開度，閥門定位器根據接收到的信號輸出氣信號給冷熱風門汽缸，調節熱風風速，從而使測量溫度與設定值保持一致，實現溫度的自控。endprint

水分自動控制則在運料進入筒體1.5m時開始工作，采用開環自動控制，由氣動薄膜調節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行元件氣動薄膜調節閥。電磁流量計動態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閥的電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變為氣壓信號，進而調整氣動薄膜閥的開度，使加水量與設定值保持一致，實現加水的自控。而氣動薄膜調節閥的控制精度與其上游管道壓力的穩定程度有很大關系。

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流程中出現最多的一個環節，由熱風潤葉機完成。經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。

采用前饋調節和后饋控制相結合的方式。在系統進料時根據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，交給PID調節器進行處理，控制器根據PID處理結果得出應加水量和進料流量，并根據應加水量調節潤葉機上的蒸汽氣動閥門，調節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，依據近紅外光線反射原理可實現非接觸式測量，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絡化和信息化的要求，在煙草行業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，重點對對生產線上溫度與濕度的處理工藝進行了研究。PID控制器可實現對水分的精確，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和后饋控制相結合，Fuzzy-PID算法完成對溫濕度的控制，提高煙葉的韌性，減少后續工藝中煙葉的損失。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效率，增強了企業競爭力。

參考文獻

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

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

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

[4]萬永華.基于現場總線的煙廠制絲線管控系統設計與實現[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，采用開環自動控制，由氣動薄膜調節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行元件氣動薄膜調節閥。電磁流量計動態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閥的電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變為氣壓信號，進而調整氣動薄膜閥的開度，使加水量與設定值保持一致，實現加水的自控。而氣動薄膜調節閥的控制精度與其上游管道壓力的穩定程度有很大關系。

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流程中出現最多的一個環節，由熱風潤葉機完成。經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。

采用前饋調節和后饋控制相結合的方式。在系統進料時根據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，交給PID調節器進行處理，控制器根據PID處理結果得出應加水量和進料流量，并根據應加水量調節潤葉機上的蒸汽氣動閥門，調節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，依據近紅外光線反射原理可實現非接觸式測量，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絡化和信息化的要求，在煙草行業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，重點對對生產線上溫度與濕度的處理工藝進行了研究。PID控制器可實現對水分的精確，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和后饋控制相結合，Fuzzy-PID算法完成對溫濕度的控制，提高煙葉的韌性，減少后續工藝中煙葉的損失。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效率，增強了企業競爭力。

參考文獻

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

[4]萬永華.基于現場總線的煙廠制絲線管控系統設計與實現[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，采用開環自動控制，由氣動薄膜調節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行元件氣動薄膜調節閥。電磁流量計動態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閥的電氣轉換器，電氣轉換器將電信號轉變為氣壓信號，進而調整氣動薄膜閥的開度，使加水量與設定值保持一致，實現加水的自控。而氣動薄膜調節閥的控制精度與其上游管道壓力的穩定程度有很大關系。

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流程中出現最多的一個環節，由熱風潤葉機完成。經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。

采用前饋調節和后饋控制相結合的方式。在系統進料時根據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，交給PID調節器進行處理，控制器根據PID處理結果得出應加水量和進料流量，并根據應加水量調節潤葉機上的蒸汽氣動閥門，調節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，依據近紅外光線反射原理可實現非接觸式測量，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絡化和信息化的要求，在煙草行業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，重點對對生產線上溫度與濕度的處理工藝進行了研究。PID控制器可實現對水分的精確，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和后饋控制相結合，Fuzzy-PID算法完成對溫濕度的控制，提高煙葉的韌性，減少后續工藝中煙葉的損失。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效率，增強了企業競爭力。

參考文獻

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

[4]萬永華.基于現場總線的煙廠制絲線管控系統設計與實現[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：自動控制系統和設備。endprint