縮短煙草加料機(jī)非穩(wěn)態(tài)時(shí)間的技術(shù)措施

白延洪，高 強(qiáng)，杜 峰，楊 興

（陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司延安卷煙廠，陜西延安 716000）

0 引言

近年來，隨著卷煙生產(chǎn)企業(yè)打造精細(xì)化加工，實(shí)現(xiàn)柔性化、均質(zhì)化的生產(chǎn)需要，生產(chǎn)過程質(zhì)量指標(biāo)的穩(wěn)定成為生產(chǎn)管理上水平的重要手段，受到煙廠質(zhì)量體系建設(shè)工作的高度重視。煙草用加料機(jī)是通過定量喂料裝置及皮帶秤等附連設(shè)備將松散后的煙葉輸送至加料機(jī)滾筒內(nèi)，通過4 臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)滾筒傳輸動(dòng)力，使?jié)L筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從設(shè)備外側(cè)來看，滾筒具有一定的軸向傾角，同時(shí)在筒內(nèi)各撥料桿、導(dǎo)流板的疏導(dǎo)作用下，使得葉片在慣性和重力的作用下向出口方向輸送。葉片進(jìn)入滾筒1/3處時(shí)，增濕水在飽和蒸汽的引射霧化下，由雙介質(zhì)增濕噴嘴噴出，糖料通過壓縮空氣引射形成微小顆粒，同樣由雙介質(zhì)料液噴嘴噴出，上述兩種霧化后的介質(zhì)施加至煙葉上后，達(dá)到提高煙葉水分、溫度和改善煙葉吸味的目的。

增濕水的加注量是由現(xiàn)場西門子PLC 內(nèi)的程序塊進(jìn)行控制的。通過入口的喂料機(jī)、限量管及電子皮帶秤將物料瞬時(shí)流量、出口水分工藝要素的設(shè)定值，通過西門子工業(yè)以太網(wǎng)將實(shí)際測量值寫入PLC 內(nèi)的指定程序塊，計(jì)算得出理論加水量，利用增濕水泵電機(jī)運(yùn)行速度變頻可調(diào)功能，根據(jù)加水質(zhì)量流量計(jì)檢測值實(shí)時(shí)調(diào)整泵電機(jī)的運(yùn)行頻率，從而達(dá)到加水流量可調(diào)、可控的目的。

非穩(wěn)態(tài)時(shí)間是指生產(chǎn)過程中工序的質(zhì)量指標(biāo)，如含水率、溫度，超出指標(biāo)期望范圍或處于非穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)，如料頭、料尾、斷料及數(shù)據(jù)異常等，持續(xù)時(shí)間的綜合。本文根據(jù)西門子PLC可編程控制器的可靠、易操作及靈活等特點(diǎn)，通過簡單的加減算法和賦值語句來完成料頭水分快速達(dá)標(biāo)的工藝控制任務(wù)。

1 縮短料頭非穩(wěn)態(tài)時(shí)間的意義

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)已由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展是國家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，也是我國邁入工業(yè)化新階段的必由之路。以“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念為引領(lǐng)，以提高制造業(yè)供給體系質(zhì)量、更好滿足消費(fèi)升級(jí)需求為目標(biāo)，以提高效率效益為根本要求，以創(chuàng)新為根本動(dòng)力，優(yōu)質(zhì)高效、平衡協(xié)調(diào)和可持續(xù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由“規(guī)模擴(kuò)張”轉(zhuǎn)向“質(zhì)效提升”，應(yīng)該脫落傳統(tǒng)制造的運(yùn)行、生產(chǎn)模式，必須向服務(wù)型制造、環(huán)保制造甚至智能制造等新模式，實(shí)現(xiàn)提升現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，擺脫傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)體系。制造企業(yè)特別是傳統(tǒng)制造企業(yè)要搶抓新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略機(jī)遇，以深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，逐步提升網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等前沿技術(shù)在各個(gè)制造領(lǐng)域和環(huán)節(jié)的應(yīng)用推廣，推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展變革，全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平。

作為我國實(shí)體經(jīng)濟(jì)重要組成部分之一的煙草行業(yè)，認(rèn)真貫徹落實(shí)習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)思想，立足行業(yè)實(shí)際，全力推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展。煙草行業(yè)著眼于實(shí)現(xiàn)資源充分合理配置和效率最大化，堅(jiān)持實(shí)施卷煙營銷市場化取向改革，逐步形成“1+6+2”高質(zhì)量發(fā)展政策體系，進(jìn)一步明確了全面實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的思路，提出了建設(shè)覆蓋行業(yè)、統(tǒng)籌管理的生產(chǎn)經(jīng)營管控一體化平臺(tái)，以持續(xù)提升科技創(chuàng)新硬實(shí)力、軟實(shí)力、支撐力，推動(dòng)工藝技術(shù)突破、資源共享。隨著各項(xiàng)技術(shù)、設(shè)備、原材料的不斷更新，卷煙企業(yè)對(duì)質(zhì)量相應(yīng)的管理方法和控制優(yōu)化手段也在逐步完善和創(chuàng)新發(fā)展。為了深化過程控制和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，《卷煙工藝規(guī)范》提出了“三個(gè)轉(zhuǎn)變”，即：控制指標(biāo)向控制參數(shù)轉(zhuǎn)變、人工控制經(jīng)驗(yàn)決策向自動(dòng)控制科學(xué)決策轉(zhuǎn)變、結(jié)果控制向過程控制轉(zhuǎn)變，這為卷煙廠在挖掘原料（數(shù)據(jù)）使用價(jià)值、強(qiáng)化質(zhì)量成本控制、注重加工條件保障、深化過程控制、加強(qiáng)工藝質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制等方面指明了原則和要點(diǎn)。

《卷煙工藝規(guī)范》定義非穩(wěn)態(tài)時(shí)間為“生產(chǎn)過程中工序質(zhì)量指標(biāo)超出指標(biāo)期望范圍或處于非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間”。落實(shí)在加料機(jī)控制要求，應(yīng)該分為料頭水分從8%至標(biāo)準(zhǔn)下限所用時(shí)間與料尾水分從標(biāo)準(zhǔn)下限至8%所用時(shí)間的和需小于等于180 s。以每小時(shí)5200 kg 物料來計(jì)算，該主機(jī)設(shè)備每秒將通過物料1.44 kg，180 s 內(nèi)將通過物料約260 kg，非穩(wěn)態(tài)時(shí)間每縮短1 s，即可提供1.44 kg 的合格物料。對(duì)于工廠質(zhì)量上水平、產(chǎn)品上水平有著重要意義。

2 現(xiàn)狀調(diào)查及分析

為使生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)依靠人的經(jīng)驗(yàn)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模型預(yù)測、協(xié)同優(yōu)化的智能化轉(zhuǎn)變，從本質(zhì)上提升生產(chǎn)過程的智能化水平，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、人工智能建模、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等前沿技術(shù)正在為煙草行業(yè)帶來革命性的變革。在實(shí)現(xiàn)體系化技術(shù)能力跨越的過程中，需要逐步引入、應(yīng)用、消化這些前沿的技術(shù)，并內(nèi)化成為企業(yè)核心的制造能力。

一直以來，PID 作為傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制器，以其實(shí)現(xiàn)簡單、控制有效的特性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的控制問題。然而在煙草制絲工藝中，一些關(guān)鍵工藝具有高度非線性和大滯后的特性。例如，在一般的烘絲工藝中，在烘絲之前，首先需要檢測瞬時(shí)流量和入口水分，煙絲才進(jìn)入滾筒，在滾筒中運(yùn)行很長一段時(shí)間，煙絲出筒時(shí)再檢測出口水分。在這個(gè)過程中滯后現(xiàn)象非常嚴(yán)重。當(dāng)檢測到的出口水分超標(biāo)時(shí)，再做出補(bǔ)償控制，已經(jīng)滯后了相當(dāng)長的一段時(shí)間，而此時(shí)已不能再對(duì)滾筒內(nèi)的煙絲做出合理有效的控制。

為了解決制絲工藝中的高度非線性和大滯后的問題，國內(nèi)采用一些先進(jìn)控制方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID 控制器，例如預(yù)測控制、無模型自適應(yīng)控制、基于組合積分控制器的雙重控制等。胡宇航、何毅等將烘絲過程水分控制相關(guān)數(shù)據(jù)看作多元時(shí)間序列，應(yīng)用多元時(shí)間序列分析方法建模預(yù)測，并且在傳統(tǒng)線性的ARX（Auto-Regression with Exogenous）模型基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，使其能更好的適應(yīng)非線性系統(tǒng)情形。他們用烘絲過程的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，最終得到0.05 的預(yù)測殘差絕對(duì)平均偏差以及0.07的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，說明該方法的預(yù)測效果相對(duì)較為理想。倪瀟、汪文斌等提出用組合積分控制器來替代傳統(tǒng)PID 控制器，同時(shí)引入雙重控制與組合積分控制器相結(jié)合。他們對(duì)基于組合積分控制器的雙重控制與傳統(tǒng)PID 雙重控制以及預(yù)測PI 控制器的雙重控制進(jìn)行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在煙草烘絲過程中，組合積分控制器在性能上不僅大大優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制器，相比預(yù)測PI 控制器也更具優(yōu)勢。

從工廠角度出發(fā)，結(jié)合上述技術(shù)手段的特點(diǎn)和功能，應(yīng)該努力逐步實(shí)現(xiàn)制絲關(guān)鍵工序關(guān)鍵工藝指標(biāo)的智能化精準(zhǔn)控制和質(zhì)量提升的目標(biāo)。在實(shí)際現(xiàn)場對(duì)葉片加工過程中根據(jù)各影響因素，進(jìn)行分析總結(jié)，實(shí)時(shí)預(yù)測工藝指標(biāo)值，給出松散回潮出口水分加水系數(shù)的控制設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)制絲關(guān)鍵工序的關(guān)鍵工藝指標(biāo)智能控制，進(jìn)而提高整體控制穩(wěn)定性和精確性。

2020 年10 月在公司的大力支持下新加料機(jī)安裝就位，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和各項(xiàng)保障工藝技術(shù)措施的功能上均有大幅提升，但新加料機(jī)的料頭非穩(wěn)態(tài)時(shí)間一直存在波動(dòng)，時(shí)有超出時(shí)間范圍的現(xiàn)象。從2021 年1～6 月每月初10 批次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出自產(chǎn)牌號(hào)A，共計(jì)60 批次，超出批次有25 批，造成工廠穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得分略低。結(jié)合日常維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)非穩(wěn)態(tài)超出工藝要求范圍的主要原因有：

（1）在加料機(jī)開始生產(chǎn)時(shí)，操作工人工在系統(tǒng)內(nèi)輸入加水系數(shù)設(shè)定值時(shí)不及時(shí)、不準(zhǔn)確，可能會(huì)造成出口水分不能快速到達(dá)工藝設(shè)定要求。

（2）加料機(jī)料尾時(shí)，滾筒的快速倒料功能接入時(shí)機(jī)不及時(shí)，造成料尾物料稀疏不能集中通過，延長了尾料通過時(shí)間。

3 解決措施

在前250 kg 物料通過時(shí)，增加加水系數(shù)修正功能，通過給定不同加水系數(shù)的數(shù)值，來控制純凈水的加入量，從而改變物料出料水分。通過論證分析，對(duì)料頭通過的物料模擬劃分為3 個(gè)階段，分別為：

（1）第1 階段，皮帶秤有料開始的20 s 內(nèi)，通過西門子PLC的乘實(shí)數(shù)MUL_R 語句，實(shí)現(xiàn)實(shí)際加水系數(shù)為畫面系數(shù)的1.1 倍功能。

（2）第2 階段，皮帶秤有料后的20～60 s，加水系數(shù)為畫面系數(shù)的1.08 倍。

（3）第3 階段，皮帶秤有料后60～90 s，加水系數(shù)為畫面系數(shù)的1.05 倍。非上述階段時(shí)，按照畫面所給加水系數(shù)直接參與控制，如圖1 所示。

圖1 加水系數(shù)修正程序

料尾時(shí)，優(yōu)化物料檢測延時(shí)，由皮帶秤無料30 s 進(jìn)入高速倒料環(huán)節(jié)，調(diào)整為皮帶秤無料20 s 進(jìn)入高速倒料，倒料延時(shí)120 s 或者皮帶秤檢測到來料5 s后結(jié)束高速倒料狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 料尾控制程序

4 效果驗(yàn)證

通過優(yōu)化加料機(jī)料頭控制模式，實(shí)現(xiàn)梯度加水功能，以及修改料尾快速倒料介入時(shí)機(jī)，從7 月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看出，非穩(wěn)態(tài)時(shí)間（t1+t2）均在2 min+43 s 以內(nèi)，完全滿足工藝管控要求（圖3）。

圖3 加料機(jī)非穩(wěn)態(tài)時(shí)間統(tǒng)計(jì)