淺談基于煙葉烘烤的關(guān)鍵閾值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制烘烤的思路

楊在友 李智永 陳飛飛 劉洪艷 許 齊

（貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563300）

煙葉烘烤是煙草加工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在烘烤過程中，要同時(shí)控制烤房內(nèi)的溫度和濕度按一定規(guī)律變化，才能保證烘烤質(zhì)量。這個(gè)溫濕度的規(guī)律變化由現(xiàn)行各種數(shù)學(xué)模型控制的密集烤房烘烤控制器來控制，其控制有三個(gè)指標(biāo)：即烤房中的溫度、濕度以及循環(huán)風(fēng)機(jī)送風(fēng)，其中對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)送風(fēng)情況的控制相對(duì)獨(dú)立，除了個(gè)別加安變頻器變速控制外，一般都是處于開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，而控制烤房內(nèi)部溫、濕度的因素主要包括環(huán)境因素和控制因素兩個(gè)方面，環(huán)境因素是烤房室內(nèi)的溫度和濕度，控制因素主要是鼓風(fēng)機(jī)和冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門兩個(gè)執(zhí)行器的開閉狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)這一密集烤房烘烤控制執(zhí)行功能，目前有三種類型的執(zhí)行系統(tǒng)。第一類是采用機(jī)理法實(shí)現(xiàn)控制，根據(jù)能量守恒定律和各因素之間的物理特性建立數(shù)學(xué)模型、建立溫度和濕度各自的傳遞函數(shù)，進(jìn)而建立的控制系統(tǒng)，理論專家有：鄧玲黎、張芬等；第二類是采用溫濕度之間的強(qiáng)耦合、分析系統(tǒng)中影響溫濕度變化的各個(gè)因素，建立多輸入多輸出的溫濕度變化模型控制系統(tǒng)，理論專家代表有：Fathi Fourati、王子洋、秦琳琳等；第三類是采用模糊理論控制，將煙葉烘烤時(shí)人工調(diào)節(jié)的模糊表達(dá)轉(zhuǎn)換成較為精準(zhǔn)的、計(jì)算機(jī)可識(shí)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以表達(dá)的控制系統(tǒng)，理論專家代表有：何芬、江泳、張峻穎等。

以上三類控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中存在二個(gè)共同的缺陷：第一是控制系統(tǒng)是從溫度和濕度為對(duì)象建立的數(shù)據(jù)算法，從精準(zhǔn)度上滿足使用要求，但控制器工藝的預(yù)設(shè)是完全開放的，使用者怎樣預(yù)設(shè)系統(tǒng)就朝其目標(biāo)執(zhí)行，也就是煙葉烘烤工藝完全由人的主觀意思而運(yùn)行，因此，現(xiàn)行運(yùn)行的烘烤工藝五花八門，烤出來的煙葉自然就是千奇百怪，有些煙農(nóng)有意將煙葉烤黃而不香，烤出的商品價(jià)值高而工業(yè)價(jià)值低；第二是控制系統(tǒng)均以其他農(nóng)作物干燥借鑒開發(fā)的，其沒能完全與煙葉調(diào)制的生理生化變化、特定時(shí)間煙葉葉組織內(nèi)水分保持與排出、煙葉是否增香、煙葉葉片適應(yīng)烤房內(nèi)溫濕度的小氣候環(huán)境等相配合，當(dāng)然，據(jù)李光堯等專家總結(jié)，這方面烘烤數(shù)學(xué)模型研究較少。

基于以上問題，本文從烤房內(nèi)溫濕度小氣候環(huán)境和排水速度出發(fā)，結(jié)合烘烤煙葉生理生化的需求，提出解決思路，將其相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)可測化、數(shù)據(jù)化，以便為下一步將烘烤控制系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化智能升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

1.控制煙葉烘烤的關(guān)鍵閾值確定

在煙葉烘烤過程中，以其生理生化為中心，列出了涉及煙葉烘烤過程關(guān)聯(lián)的因素，見圖1：從圖中看出，其中重要的是三個(gè)關(guān)聯(lián)環(huán)：第一是“空氣溫度——熱量——煙葉生化”關(guān)聯(lián)環(huán)，其中最為關(guān)鍵的是空氣溫度與煙葉生化之間既有相互促進(jìn)又有相互抑制的作用；第二是“空氣濕度——（煙）葉出水量——煙葉生化”關(guān)聯(lián)環(huán)，同樣空氣濕度與煙葉生化之間既有相互促進(jìn)又有相互抑制的作用；第三是“煙出水量——空氣——空氣溫度”關(guān)聯(lián)環(huán)，空氣更換排出是制約煙葉水分的排出量，溫度損耗關(guān)系非常密切。從三個(gè)關(guān)聯(lián)環(huán)中不難看出，溫度、濕度、（煙）葉出水量是控制整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵閾值，只要能對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵閾值進(jìn)行控制，就能控制整個(gè)烘烤動(dòng)態(tài)過程。

圖1 煙葉烘烤過程因素關(guān)聯(lián)圖

2.關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化控制及其方法

2.1 溫度

不管是何種煙葉，其烘烤溫度一般從常溫23℃~25C℃開始最終到達(dá)68℃~70℃才能完成烘烤，只是在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間的長度不同，現(xiàn)行的煙葉烘烤控制器都是有10個(gè)溫度（Ti）預(yù)設(shè)控制點(diǎn)，這10點(diǎn)時(shí)間長短由控制器的19個(gè)時(shí)間預(yù)設(shè)點(diǎn)（Hti）控制，其中有9個(gè)為升溫控制點(diǎn)（Htsi），有10個(gè)為穩(wěn)溫控制點(diǎn)（Htwi），對(duì)溫度關(guān)鍵閾值控制辦法是將對(duì)9個(gè)升溫點(diǎn)（Htsi）按此段升溫度數(shù)多少就定為多少，按現(xiàn)行烘烤慣例，每小時(shí)升溫1度來將其固定，具體1小時(shí)內(nèi)的細(xì)分由控制程序按其精度再行細(xì)分，只需調(diào)節(jié)10個(gè)穩(wěn)溫點(diǎn)（Htwi）的時(shí)長短，來間接調(diào)節(jié)煙葉烘烤的整個(gè)溫度走向，達(dá)到間接調(diào)整烘烤溫度，并且這個(gè)穩(wěn)溫時(shí)間本身就是可測的，可量化的，這樣實(shí)現(xiàn)了溫度關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化控制。

2.2 濕度

溫度和濕度是相互耦合并非線性的關(guān)系，是煙葉烘烤變化中不同時(shí)段有著必要小氣候環(huán)境，使用方法是，利用濕空氣焓濕圖計(jì)算器（APP），將預(yù)設(shè)的溫度(Ti)、濕度(Wi)配對(duì)轉(zhuǎn)換成相對(duì)濕度（RHKi），同時(shí)將對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)記錄的溫度（ti）、濕度（wi）成本轉(zhuǎn)缺換成相關(guān)對(duì)濕度（RHSi），對(duì)兩個(gè)相對(duì)濕度比差（RH=|RHsi-RHki|、取絕對(duì)值），根據(jù)差值來確定是否需要調(diào)節(jié)、怎樣調(diào)節(jié)，若要調(diào)節(jié)，只需高調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)的濕度(Wi)，即可改變相對(duì)濕度實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)煙葉烘烤濕度的環(huán)境。這樣相對(duì)濕度本身是可測量，可調(diào)節(jié)的，達(dá)到了濕度關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化控制。兩個(gè)相對(duì)濕度比差示例，詳見表1：煙葉烘烤半小時(shí)烘烤時(shí)序相對(duì)濕度列表。

表1 煙葉烘烤半小時(shí)烘烤時(shí)序相對(duì)濕度列表

120 68 41 21.24 70.8 41 18.26 -2.98 2.98

2.3 (煙)葉出水量

溫度和濕度實(shí)現(xiàn)可測控后，這僅解決了煙葉所處的溫濕度小氣候環(huán)境，而更重要的是煙葉葉內(nèi)水分排出與保留，在烘烤過程中某一狀態(tài)下排出多少保留多少是促進(jìn)和控制煙葉生化的關(guān)鍵過程，就是（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值，怎樣適當(dāng)測出煙葉出水量，辦法是將烤房掛煙架整體建于地重力感應(yīng)儀（常稱地磅）上，記錄一整炕煙葉適時(shí)排水量，便獲得了適當(dāng)排水量數(shù)據(jù)，具體事例見表2：煙葉烘烤過程半小時(shí)序排水量數(shù)據(jù)表。并且在烤房內(nèi)安裝成像系統(tǒng)，記錄煙葉干燥變化狀態(tài)，與煙葉出水量成對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)多次測試后，加以分析歸納，形成相對(duì)穩(wěn)定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為煙葉烘烤的出水量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)此關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化，采用現(xiàn)行的更新烤房內(nèi)空氣來調(diào)節(jié)與控制。在煙葉烘烤控制應(yīng)用過程中，由安裝成像系統(tǒng)自行對(duì)比干燥狀態(tài)，選取數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)排水量，與運(yùn)行中的烤房排水量對(duì)比，指令指導(dǎo)更換空氣排出水水量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制。

煙葉烘烤過程從地重力感應(yīng)儀導(dǎo)出的每半小時(shí)排水量示例列表，見表2。

表2 地重力感應(yīng)儀導(dǎo)出的排水量列表

干燥速度狀態(tài)與排水量對(duì)應(yīng)關(guān)系示例，詳見表3，表中列出了干燥程度與排水量的多少（含占總排水量的百分占比）。

表3 干燥速度狀態(tài)與排水量對(duì)應(yīng)關(guān)系

脫量(水t)0.0450.2080.3340.3930.8471.1640.8320.4990.2140.088脫水量占1.0 4.5 7.2 8.5 18.3 25.2 18.0 10.8 4.6 1.9比(%)

3.示例烘烤調(diào)控關(guān)鍵閾值控制的調(diào)節(jié)參數(shù)

烘烤調(diào)控關(guān)鍵閾值調(diào)節(jié)，現(xiàn)行的烘烤控制器上均以10段式表現(xiàn)，現(xiàn)在數(shù)據(jù)化后，可以細(xì)化到半小時(shí)甚至15分鐘進(jìn)行系統(tǒng)測量與比對(duì)，具體按關(guān)鍵閾值屬性與要求的精度統(tǒng)籌而定。

根據(jù)初試結(jié)果，下面對(duì)示例三個(gè)關(guān)鍵閾值的調(diào)節(jié)參數(shù)：

溫度參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則：前面提到，現(xiàn)行控制器有10個(gè)溫度預(yù)設(shè)點(diǎn)（Ti）進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)溫度采用延長或縮短穩(wěn)溫時(shí)間來間接調(diào)整溫度后，直接從系統(tǒng)上就細(xì)分監(jiān)控與調(diào)節(jié)的頻度，本示例以半小時(shí)比對(duì)調(diào)節(jié)一次，如實(shí)際溫度不及煙葉所需溫度，在0.5度以內(nèi)不需調(diào)節(jié)，若在0.5度以上則需提前減少當(dāng)前穩(wěn)溫時(shí)間（Htwi）提前進(jìn)入下步升溫階段（Htsi）進(jìn)行增溫調(diào)節(jié)（預(yù)設(shè)的工藝增溫階段每半小時(shí)均在0.5度以內(nèi)）。

濕度參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)則：接前面示例所述，系統(tǒng)收取兩相對(duì)濕度值進(jìn)行差值對(duì)比，若△RH = RHsi-RHki是正值，說明煙葉所處的空氣濕偏高，需將控制儀的Wi調(diào)小；調(diào)整幅度，△RH在2至5之間，Wi調(diào)小0.2度，△RH在5至10之間，Wi調(diào)小0.4度；經(jīng)此類推以△RH除5的倍數(shù)值配0.2權(quán)值再調(diào)整Wi；相反若△RH=RHsi-RHki是負(fù)值，需將控制儀的Wi調(diào)大，調(diào)整幅度與前面一樣；調(diào)整頻率可每2小時(shí)檢測對(duì)比調(diào)節(jié)一次。

排水量參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則：按某一段烘烤所需排水量，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相對(duì)時(shí)間內(nèi)排水量進(jìn)行比差，差值再與數(shù)據(jù)庫內(nèi)排水量倍除比對(duì)計(jì)算，若在0.2以內(nèi)，風(fēng)量不調(diào)增或調(diào)減，若大于0.2，測按其倍數(shù)值調(diào)增和調(diào)減排出風(fēng)量，達(dá)到(煙)葉出水量的排出與保留的動(dòng)態(tài)平衡。調(diào)整頻率可每1小時(shí)檢測對(duì)比調(diào)節(jié)一次。

4.三個(gè)關(guān)鍵閾值控制程序架構(gòu)思路

以濕度關(guān)鍵閾值調(diào)整作“父”程序，再（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值作“子”程序，最后以溫度關(guān)鍵閾值作“孫”程序。按以上示例，濕度關(guān)鍵閾值“父”程序2小時(shí)檢測對(duì)比調(diào)節(jié)1次，在這期間，（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值“子”程序運(yùn)行比對(duì)調(diào)節(jié)2次，同樣，（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值“子”程運(yùn)行1次個(gè)周期內(nèi)，溫度關(guān)鍵閾值“孫”程序運(yùn)行比對(duì)2次，達(dá)到整個(gè)程序就統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

5.小結(jié)

通過以上煙葉烘烤的關(guān)鍵閾值的確定，并列出數(shù)據(jù)量化方法，并找到了對(duì)應(yīng)的控制調(diào)節(jié)方式，將這方式寫入程序，接入網(wǎng)絡(luò)對(duì)集群烤房便可實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤智能化、遠(yuǎn)程化、集中化控制、也可寫入控制儀的芯片對(duì)單體烤房進(jìn)行智能控制。總之，一定能大幅降低煙葉烘烤損失，增強(qiáng)煙葉香氣量和香氣質(zhì)這一基本要求。