打葉復烤自動化精準配方投料設備的設計與應用

楚晗，張長安，王文杰，郭永才，程明遠，李彥周*，秦少華，王延軍，黨霞

1 天昌國際煙草有限公司，河南省許昌市魏都區(qū)五一路北段 461000；

2 天昌國際煙草有限公司天昌復烤廠，河南省許昌市魏都區(qū)解放路北段 461000

隨著煙草行業(yè)高質量發(fā)展的推進，打葉復烤在煙草產(chǎn)業(yè)鏈中的作用逐漸凸顯，工業(yè)企業(yè)對復烤企業(yè)成品質量控制水平提出了更高層次的要求，打葉復烤均質化加工水平也越來越得到重視[1]。配方打葉具有提升煙葉可用性及質量穩(wěn)定性、模塊間優(yōu)勢互補、方便工業(yè)配方加工等優(yōu)點[2-3]，是提升打葉復烤均質化水平的有效途徑，已成為目前最常見的復烤加工方式。田欒欒等[4]在高、中、低煙堿等級的基礎上，進一步細分煙堿分段范圍，在復烤前進行重新配比組合，發(fā)現(xiàn)精細化混配之后煙堿CV值，即煙堿變異系數(shù)，較常規(guī)加工明顯降低。沈晗等[5]在平庫條件下，探索了三種出入庫模式下生產(chǎn)的均質化效果，其中，“混配組合”調控模式效果最好，但用工和時間成本較高，“相似組合”操作簡單、成本低，便于實際生產(chǎn)應用。可文庚等[6]以煙堿及其變異系數(shù)作為表征與衡量的關鍵指標，設計了多個堆垛貨位進行原料搭配投料，通過該調控方法，成品煙堿CV值降低，裝箱煙片變異系數(shù)控制在3%以內(nèi)。目前，配方打葉多采用原料煙堿“高低搭配”的方法，通過對原料均勻混配，實現(xiàn)打葉復烤均質化水平的提升，但受人工條件制約影響，配方打葉在備料、鋪葉擺把、混配等關鍵環(huán)節(jié)難以保證配方的穩(wěn)定性和均勻性[7-9]，直接影響均質化加工效果，這也對配方打葉投料模式提出了新要求[10-11]。為提高打葉復烤環(huán)節(jié)多等級配方投料的精準性和穩(wěn)定性，設計了一種配方煙葉自動化精準投料設備，該設備擺脫了人工因素的限制，實現(xiàn)配方煙葉由平鋪式向層鋪式投料的轉變，有效提高配方打葉的均勻性和穩(wěn)定性，為打葉復烤均質化加工水平的提升提供技術支持。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成

設備主體分為兩個部分，投料控制單元和自動化進料裝置。投料控制單元是設備控制中樞，負責對自動投料設備下達工作指令以及收集反饋信息；自動化進料裝置負責執(zhí)行投料指令，實現(xiàn)配方煙葉自動投料，均勻混配。

1.1.1 投料控制單元

投料控制單元主要由控制中心、控制平臺、稱重器、通信器組成，圖1為該單元的結構示意圖。通信器接收到投料信息后，將其發(fā)送至控制中心，控制中心根據(jù)投料信息、投料工位數(shù)計算投料輪次，并依據(jù)投料種類和投料輪次對各工位對應的控制平臺下達具體投料指令，稱重器對各工位的投料進行稱重，并將重量信息實時反饋至控制平臺，同時將流量信息發(fā)送至顯示器，視頻監(jiān)控設備實時顯示投料情況。在實時檢測、調控中，實現(xiàn)配方投料的在線設計、自動投料的精準執(zhí)行、投料精度的在線反饋，減少投料失誤。

圖1 投料控制單元示意圖Fig.1 Schematic diagram of feeding control device unit

1.1.2 自動化進料裝置

自動化進料裝置主要由投料單元、喂料機構、控制裝置、匯總皮帶組成，如圖2所示。煙筐1為定制煙筐，底部裝有滑輪，四周為鏤空設計，煙筐上部全開，定制煙筐內(nèi)裝有松散回潮后的煙葉，運送至進料裝置指定位置，并對其進行固定，投料單元四周設置有料位傳感器，料位傳感器對煙筐內(nèi)物料狀態(tài)進行動態(tài)感應，機械手2根據(jù)料位傳感器指示，在三維移動軌道上進行抓取作業(yè)，三維移動軌道由支架和推動支架的伸縮缸組成，在三維移動軌道上，機械手可以實現(xiàn)前后、橫縱、垂直方向靈活移動。原煙經(jīng)機械手抓送至喂料機3，為使機械手抓取的煙葉均勻分散，喂料機上均勻分布撥料輥，原煙經(jīng)撥料輥均勻分散，進行流量控制，經(jīng)分散的煙葉通過出料口4，在限流管5處進行流量二次控制，煙葉落至電子皮帶秤6處，對煙葉進行稱重并反饋，實現(xiàn)定量喂料。煙葉經(jīng)控制裝置落至匯總皮帶7處，匯總皮帶將配方煙葉傳送至下一工序。

圖2 自動化進料裝置Fig.2 Automatic feeding device

1.2 設備工作模式的實現(xiàn)

為實現(xiàn)多等級配方投料，此自動化精準配方投料設備設置為并聯(lián)單元，假定使用6臺投料設備，在并聯(lián)結構下，物料走向逆向排序分別為6、5、4、3、2、1，各模塊原煙經(jīng)各自動化進料裝置進行自動投料，通過定量喂料，連續(xù)均勻地落入?yún)R總皮帶處，如圖2匯總皮帶7。設備運行后，1號投料設備布料至匯總皮帶，物料經(jīng)匯總皮帶運送至2號投料設備下方時，2號投料設備開始布料，直至6號投料設備布料開始，在并聯(lián)結構下，最終匯總皮帶輸出截面為6臺投料設備所投物料的完整組合，實現(xiàn)層鋪式輸出。該設備能消除人工投料不確定因素的影響，實現(xiàn)自動化精準投料，且物料的層鋪式輸出使各等級煙葉在投料階段就能完成初次預混，混配均勻度高，可有效提升配方打葉的精準度和混配的均勻性。

設備機械手通過模擬人工，對煙框內(nèi)不同方向、不同位置的煙葉進行抓取作業(yè)，使煙框內(nèi)煙葉在抓取作業(yè)時得到松散，達到框內(nèi)煙葉初混的效果，與翻箱喂料等其它自動化投料生產(chǎn)手段相比，投料顆粒度極大地減小，在提升投料自動化水平的基礎上保證了投料的顆粒度，更有利于煙葉均勻混配。

2 應用效果

2.1 試驗設計

以某工業(yè)公司2020年中部煙配方模塊為試驗材料，在天昌國際煙草有限公司天昌復烤廠6000 kg/h生產(chǎn)線上開展對比試驗。原煙經(jīng)回潮松散后，分別采用傳統(tǒng)人工鋪葉直投和自動化精準配方投料設備自動投料兩種方式對配方煙葉進行投料，其中人工臺位18個，單次投料誤差為每公斤±2%，自動化精準配方投料設備6臺，投料誤差為每小時±2%，設置人工投料及自動化精準配方投料設備投料流量為6000 kg/h。

2.2 測定項目和方法

2.2.1 投料流量均勻性及精準度測定

投料流量均勻性測定方法：按照6000 kg/h的加工任務，在設備穩(wěn)定運行后，對6臺自動投料設備電子皮帶秤的瞬時流量進行讀數(shù)，每次讀數(shù)間隔3 min，共讀數(shù)24次，測定自動化精準投料設備投料流量的均勻性。

投料精準度測定方法：在三班生產(chǎn)時各隨機抽取1 h進行取樣，對該時段內(nèi)18個人工臺位及6臺自動化投料設備投料完成情況進行測定，對兩種投料方式下匯總皮帶處的流量煙葉進行稱重計算，得出1 h內(nèi)人工、自動化投料設備的投料完成情況及投料精準度，每種投料方式各取樣3次。

2.2.2 混料均勻度測定

用6種不同顏色的線繩（紅、黃、藍、白、黑、綠）標記不同等級原煙共1000 kg，按紅：黃：藍：白：黑：綠=1:2:2:2:2:1的比例進行配方投料，對1 min內(nèi)匯總皮帶處煙葉進行取樣，單次取樣間隔1 min，共取樣3次，對每種顏色重量進行稱重計算占重比例，對比兩種投料方式混料均勻度。

2.2.3 烤后煙煙化學指標檢測

在裝箱處對1 h內(nèi)兩種投料方式下產(chǎn)出的烤后成品片煙進行取樣檢測，單次取樣200 g，每種投料方式各取樣20次，使用近紅外光譜儀測定其煙堿含量。計算變異系數(shù)。

2.2.4 試驗儀器

自動化精準配方投料設備及定制煙筐（詳見專利CN211003636U和CN211983752U）；美國賽默飛世爾科技（Thermo Scientific）Nicolet Summit型傅里葉變換近紅外光譜儀；FED240電熱烘箱（德國Binder公司）；CSM-III旋風磨（帶40目網(wǎng)篩，上海度柯自動化科技有限公司）。

近紅外儀器檢測參數(shù)如下：波數(shù)分辨率8 cm-1，掃描次數(shù)72次，波數(shù)范圍4000～10000 cm-1。

打葉復烤生產(chǎn)線設備：1條設計產(chǎn)能為6000 kg/h的打葉復烤生產(chǎn)線。

3 結果與分析

3.1 自動投料流量均勻性測定及不同投料方式投料精準度對比

設定6臺自動投料設備單臺投料流量為1000 kg/h，在設備穩(wěn)定運行后，對其流量均勻性進行測定，圖3為投料瞬時流量記錄圖。可以看出，6臺投料設備投料瞬時流量在985～1015 kg/h上下波動，投料流量誤差為±1.5%，在設定誤差±2%范圍內(nèi)，整體來看，自動投料設備投料流量在額定范圍內(nèi)浮動，投料較均勻穩(wěn)定。

圖3 自動投料瞬時流量記錄圖Fig.3 The instantaneous flow rate record of automatic feeding

為對比兩種投料方式下投料的穩(wěn)定性和精準度，在三班生產(chǎn)時，隨機抽取1 h，測定人工投料和自動化精準配方投料設備在該時段內(nèi)的投料完成情況，得到表1。由表1可以看出，人工和6臺自動化精準配方投料設備均能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成設定投料任務，人工投料穩(wěn)定性較自動化精準配方投料設備略差，且人工投料前夜、后夜效率明顯低于白班，分析原因，可能是受工作時間和工作狀態(tài)的影響，人工在后夜連續(xù)工作時，工作狀態(tài)出現(xiàn)較大的波動。與人工投料相比，自動化精準配方投料設備在連續(xù)作業(yè)時，具有較高的精準度及穩(wěn)定性。

表1 兩種投料方式下投料情況Tab. 1 Feeding situation under two feeding modes

3.2 不同投料方式混料均勻度對比

為更加直觀地對比兩種投料方式對煙葉的初次混配效果，采用6種顏色線繩標記各等級煙葉的方法，按紅：黃：藍：白：黑：綠=1:2:2:2:2:1的比例進行配方投料，其中，人工布料臺位及投料比例設置如圖4所示。經(jīng)投料初混，得到表2。結果表明，經(jīng)自動化精準配方投料設備投料后煙葉達到初次預混，占比與預設比例基本一致，誤差均值低至0.2%，說明該設備實現(xiàn)的煙葉層鋪式投料保證了垂直截面的精準配比，而人工投料受投料顆粒度、皮帶速度、工人工作狀態(tài)等因素的限制，誤差均值為3.5%。目前，人工投料的投料設計方法可以保證單條鋪葉皮帶上煙葉配方的完整度，但多線人工投料同時作業(yè)時，匯總皮帶處的混料情況具有一定的隨機性，導致比例分布不均勻。因此，對于配方打葉來說，人工投料在投料階段僅完成了投料的數(shù)量任務，對比人工投料，在煙葉初次預混上，自動化精準配方投料設備具有較大的優(yōu)勢。

圖4 人工布料臺位設置Fig.4 Artificial cloth table setting

表2 兩種投料方式混料占比情況Tab. 2 The proportion of the mixture of the two feeding methods

3.3 不同投料方式烤后煙葉煙堿及其CV值對比

為對比兩種投料方式對打葉復烤均質化加工的影響，選取打葉復烤均質化加工中代表性指標煙堿及其變異系數(shù)作為測定對象，對兩種投料方式下1 h生產(chǎn)的20箱烤后煙煙堿進行測定，得到表3。由表3可知，自動化精準配方投料設備投料方式下，烤后煙煙堿CV值低于人工投料，均質化水平有所提升。

表3 兩種投料方式下烤后片煙煙堿含量Tab. 3 Nicotine content of flue-cured tobacco slices under two feeding methods

4 結論

為擺脫打葉復烤投料環(huán)節(jié)人工因素的限制，設計了一種打葉復烤自動化精準配方投料設備，該設備由投料控制單元和自動化進料裝置組成，在打葉復烤生產(chǎn)線分別采用人工投料和自動化投料開展對比試驗，結果表明：該自動化精準配方投料設備運行狀態(tài)良好，能夠按設計流量完成投料任務，投料流量在每小時±1.5%的范圍內(nèi)波動，流量均勻穩(wěn)定，受人工不可控、外部環(huán)境等因素的影響，人工投料穩(wěn)定性低于自動化設備投料；自動化精準配方投料設備通過實現(xiàn)對配方煙葉層鋪式投料，使原料在投料階段完成預混，混配均勻度誤差在0.2%左右，而人工投料具有不確定性，混配均勻度誤差均值為3.5%；經(jīng)自動化精準配方投料設備投料的烤后片煙煙堿CV值較人工投料降低0.68%，對打葉復烤均質化加工具有較大的貢獻度；以天昌復烤廠鋪葉擺把生產(chǎn)線為例，自動化精準投料設備在全面投入使用后將大幅提升打葉復烤機械化、自動化水平，日均減少用工200個，每年可節(jié)約人工成本支出200萬元。

綜上所述，此自動化精準配方投料設備解決了人工投料用工量大、不穩(wěn)定等問題，擺脫了投料環(huán)節(jié)人工不可控因素的制約，作為均質化控制手段之一，對打葉復烤成本節(jié)約、自動化、均質化加工水平的提升方面具有重要意義。本文測試了自動化精準配方投料設備在打葉復烤投料環(huán)節(jié)原煙投料的工作能力，效果顯著。目前，片煙二次組配工藝成為卷煙工業(yè)企業(yè)優(yōu)化配方、提升煙葉可用性的有效途徑[14]，該設備在原煙投料的基礎上，也可進一步應用于模塊片煙加工工藝中。未來，各復烤廠可以根據(jù)實際情況進行生產(chǎn)設計，同時可以與數(shù)字化倉庫、混配柜等其它均質化控制手段相結合，進一步提升打葉復烤行業(yè)自動化及均質化控制水平。