片煙醇化庫環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

馬 飛，賈 嘉，劉 勇，朱國(guó)棟

（1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠，河南 許昌 461000；2.鄭州道藝新能源科技有限公司，鄭州 金水 450001)

1 前言

片煙貯存養(yǎng)護(hù)工作是確保煙葉安全和質(zhì)量的重中之重，是煙草制品品質(zhì)的基礎(chǔ)保障。煙葉存儲(chǔ)時(shí)間超長(zhǎng)，短則2-3 年，長(zhǎng)則5-7 年，管理人員在長(zhǎng)時(shí)間管理下容易產(chǎn)生惰性，很難察覺到倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的微小變化，因此經(jīng)常會(huì)有倉(cāng)庫出現(xiàn)煙葉蟲害或霉?fàn)€變質(zhì)，甚至高溫自燃現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]，通常情況下，煙葉貯存均是采用自然醇化方式，即選擇溫濕度適宜的地段建立庫區(qū)，然后通過人工每日巡檢來保障片煙的醇化環(huán)境參數(shù)，但是這種方式不但在醇化庫區(qū)位置選擇上具備局限性外，人工巡檢效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，封裝好的煙葉內(nèi)部實(shí)際的煙芯溫度也無法監(jiān)測(cè)，這就導(dǎo)致每年因片煙養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成一定量的煙葉霉變或遭遇蟲害損失。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和AI 人工智能技術(shù)，以及機(jī)器自學(xué)習(xí)技術(shù)的融合應(yīng)用不斷發(fā)展，給現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)提供了安全有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)、研判手段[2]，通過AI 人工智能及機(jī)器自學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)片煙醇化環(huán)境、煙芯溫度、蟲害消殺程度的醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。實(shí)際上隨著智能化工廠理論的研究和推進(jìn)，工業(yè)智能化理念已經(jīng)體現(xiàn)在了方方面面，工業(yè)預(yù)警技術(shù)和各種監(jiān)測(cè)技術(shù)也日漸趨于成熟，也已經(jīng)有了針對(duì)片煙養(yǎng)護(hù)進(jìn)行的相關(guān)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究。

孫建鋒詳細(xì)研究分析了不同片煙醇化方法和儲(chǔ)存條件對(duì)片煙醇化的影響，通過對(duì)自然醇化和人工醇化片煙樣品取樣分析，對(duì)片煙外觀質(zhì)量和吸食品質(zhì)進(jìn)行鑒定，確定了醇化時(shí)間、醇化環(huán)境溫濕度、片煙儲(chǔ)存方式對(duì)片煙醇化效果起到?jīng)Q定性作用，同時(shí)指出當(dāng)前人工自然醇化模式下的弊端[3]。

樂承星、賴蘭鳳等人通過構(gòu)建煙葉原料智能倉(cāng)儲(chǔ)綜合管理平臺(tái)，同時(shí)對(duì)平臺(tái)的各個(gè)模塊進(jìn)行研究，形成包芯監(jiān)控、垛內(nèi)監(jiān)控、倉(cāng)間監(jiān)控和預(yù)警等模塊，實(shí)現(xiàn)煙葉原料智能倉(cāng)儲(chǔ)功能，提高煙葉倉(cāng)儲(chǔ)的精益管理水平，實(shí)現(xiàn)了煙葉養(yǎng)護(hù)過程數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的手工記錄轉(zhuǎn)為系統(tǒng)自動(dòng)采集，使片煙養(yǎng)護(hù)過程的數(shù)據(jù)具有信息化、可追溯化及可視化功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)垛內(nèi)醇化片煙包芯溫度進(jìn)行全生命周期的無線監(jiān)測(cè)，降低了煙葉碳化的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)還具有對(duì)出入庫的片煙RFID 信息自動(dòng)掃碼的功能，降低了人工成本[4]。

張?chǎng)巍⑼跆K紅等人進(jìn)行了煙葉箱芯溫度變化規(guī)律和預(yù)測(cè)預(yù)警的研究，為煙葉箱芯溫度的數(shù)據(jù)采集分析提供了一個(gè)研究方向思路和方法[5]。

鑒于前人的研究成果，本文對(duì)片煙醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過在庫區(qū)內(nèi)加裝溫濕度傳感器、磷化氫濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備、強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備和高壓冷霧加濕系統(tǒng)，最終形成一套具備醇化環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、煙葉箱芯溫度監(jiān)測(cè)、磷化氫濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，保障片葉醇化養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，減少因片煙養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的巨額經(jīng)濟(jì)損失。

2 片煙醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成

片煙醇化庫環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要包括布局在片煙煙箱內(nèi)的無線溫度傳感器探頭、布局在庫區(qū)室內(nèi)外的溫濕度傳感器探頭、機(jī)房數(shù)據(jù)管路服務(wù)器和展示操作終端。通過對(duì)環(huán)境溫濕度以及片煙箱內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集分析，對(duì)片煙醇化過程煙箱內(nèi)煙葉異常溫度變化進(jìn)行預(yù)警，并設(shè)計(jì)出了一套對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)自動(dòng)干預(yù)的控制策略，優(yōu)化醇化環(huán)境，保護(hù)醇化庫煙草倉(cāng)儲(chǔ)醇化安全。

圖1 雙探頭無線溫度發(fā)送裝置工作原理圖

2.1 醇化庫溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)醇化庫溫濕度環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障片煙醇化環(huán)境的醇化效果，本文進(jìn)行了醇化庫溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，考慮到庫區(qū)靠近門口的區(qū)域受外界溫濕度影響大，而遠(yuǎn)離門口的區(qū)域卻受外界溫濕度影響小，為能正確反映庫區(qū)內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫濕度環(huán)境信息，在庫區(qū)的正中心裝設(shè)了溫濕度傳感器設(shè)備，用來監(jiān)測(cè)庫區(qū)內(nèi)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，將整個(gè)庫區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，在每個(gè)區(qū)域的中心位置煙箱上安裝一個(gè)箱芯溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于庫內(nèi)箱芯溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在庫外裝配一個(gè)溫濕度傳感器，與室內(nèi)數(shù)據(jù)作對(duì)比，研究外界環(huán)境對(duì)庫內(nèi)溫濕度環(huán)境的影響。

2.2 無線箱芯溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

通過有線布線方式不僅施工量大，而且只能是自下而上布線，整個(gè)庫區(qū)就會(huì)變成類似蜘蛛網(wǎng)一樣的布局，不僅存在庫區(qū)煙葉存取不便的問題，還有線路老化、設(shè)備鉤掛線纜、線皮損壞導(dǎo)致的火災(zāi)等問題，因此應(yīng)開發(fā)一套無線的箱芯溫度監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)。

雙通道無線溫度傳感器發(fā)送裝置，主要包括長(zhǎng)效低功耗鋰電池供電系統(tǒng)，雙路溫度探頭通道，溫度信號(hào)采集編碼，MOBUS 信號(hào)編碼，485 低功耗發(fā)送以及發(fā)射天線等，全部配件集成在一個(gè)100mm×100mm×40mm的密封盒子里，盒子密封級(jí)別IP67。密封盒外只預(yù)留溫度探頭接頭航空插座兩個(gè)，密封船型開關(guān)一個(gè)，由于此裝置采用了低功耗發(fā)射，鋰電池供電時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)10 年，該裝置采用全密封結(jié)構(gòu)，工作穩(wěn)定，不受外界環(huán)境影響，同時(shí)發(fā)送兩路溫度數(shù)據(jù)，極大地降低了布線難度，保障了庫區(qū)的安全和整潔美觀。

同時(shí)研發(fā)了一種箱內(nèi)溫度傳感器探針裝置，探針為“丁”字型構(gòu)造，一端為尖頭，方便插入煙箱內(nèi)部，另一端作為把手，方便裝置的布設(shè)。

2.3 熏蒸殺蟲過程磷化氫濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的熏蒸殺蟲過程是在固定時(shí)間進(jìn)行磷化氫熏蒸殺蟲，包括熏殺持續(xù)時(shí)間，磷化氫氣體通風(fēng)排放時(shí)間都是按照以往的經(jīng)驗(yàn)。磷化氫氣體屬于毒害氣體，對(duì)人體損傷極大，如果單純通過經(jīng)驗(yàn)去判斷庫區(qū)內(nèi)磷化氫濃度，一旦判斷失誤，就會(huì)造成人員傷亡。考慮到這一因素，本文在研究過程中在庫區(qū)的每個(gè)庫房都加設(shè)了磷化氫濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)查看庫區(qū)內(nèi)的磷化氫濃度，實(shí)現(xiàn)熏殺過程的庫區(qū)磷化氫濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障相關(guān)人員安全，同時(shí)磷化氫濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置還可與蟲情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，為研判最佳的蟲害防治熏殺策略創(chuàng)造數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4 箱芯溫度預(yù)警算法構(gòu)建

醇化庫箱芯溫度預(yù)警算法構(gòu)建，是通過同庫內(nèi)不同堆垛間溫度橫向?qū)Ρ龋O(shè)置預(yù)警閥值，即某個(gè)箱芯溫度高于庫單元內(nèi)其它信息溫度最高值2℃，并且持續(xù)時(shí)間3 小時(shí)以上，即進(jìn)行堆垛高溫預(yù)警。單個(gè)堆垛內(nèi)溫度和庫單元內(nèi)箱芯溫度平均值做縱向?qū)Ρ龋O(shè)置對(duì)比預(yù)警閥值即單個(gè)堆垛溫度高于庫單元堆垛溫度平均值3℃，持續(xù)時(shí)間3 小時(shí)以上，即進(jìn)行堆垛高溫預(yù)警。當(dāng)某一個(gè)堆垛箱型溫度計(jì)，高于本庫單元室內(nèi)環(huán)境溫度5℃，并持續(xù)10 個(gè)小時(shí)，即進(jìn)行堆垛高溫預(yù)警。三種預(yù)警模式并行工作，任一預(yù)警模式觸動(dòng)預(yù)警閥值，均進(jìn)行預(yù)警。

2.5 管理員操作平臺(tái)

該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)醇化庫內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端查看和數(shù)據(jù)歸檔整理分析，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境數(shù)據(jù)異常后，會(huì)在管理平臺(tái)發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)管理人員采取相應(yīng)的管理措施，保障片煙醇化效果。

2.6 自動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)檢機(jī)制建立

庫單元室內(nèi)溫濕度、磷化氫濃度自動(dòng)點(diǎn)檢機(jī)制；通過布局在每個(gè)庫單元內(nèi)的溫濕度傳感器采集庫單元內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，通過同一庫單元不同采集點(diǎn)數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ龋c(diǎn)檢傳感器設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)異常傳感器自動(dòng)預(yù)警，同一庫單元不同堆垛箱芯溫度橫向?qū)Ρ龋?dāng)某一個(gè)堆垛箱芯溫度高于其它堆垛箱芯溫度4℃即進(jìn)行箱芯溫度預(yù)警；堆垛箱芯溫度和室內(nèi)溫度縱向?qū)Ρ龋湫緶囟冗B續(xù)兩次檢測(cè)均高于室內(nèi)溫度5℃的，進(jìn)行異常報(bào)警。箱芯溫度計(jì)點(diǎn)檢對(duì)比頻次每小時(shí)一次。

3 片煙醇化庫環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)功能展示及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看醇化庫室內(nèi)外溫濕度、煙箱垛心溫度、磷化氫濃度，具備異常預(yù)警、數(shù)據(jù)歸檔存儲(chǔ)、趨勢(shì)圖展示以及報(bào)警記錄存檔等功能，分庫展示界面等功能。系統(tǒng)經(jīng)過持續(xù)兩年的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，除冬季極寒天氣外，片煙醇化庫內(nèi)溫度一般維持在30±3℃，濕度反而隨季節(jié)變化較大，由此可知，非常需要一套濕度自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保障片葉醇化環(huán)境的濕度指標(biāo)，煙箱煙芯溫度基本維持在30±2℃。由數(shù)據(jù)分析可知，熏殺蟲害時(shí)，庫內(nèi)磷化氫濃度大概在兩天半的時(shí)間達(dá)到最高值，然后磷化氫排放大概需要一周的時(shí)間才能完全排放干凈。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

系統(tǒng)通過展示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可記錄庫區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線，便于管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，設(shè)備具備自點(diǎn)檢功能，可按照預(yù)設(shè)進(jìn)行設(shè)備的自點(diǎn)檢，當(dāng)檢測(cè)到設(shè)備狀態(tài)異常時(shí)可自行發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒管理人員及時(shí)維護(hù)，同時(shí)記錄報(bào)警記錄，方便后續(xù)的故障排查和系統(tǒng)優(yōu)化。針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速度和更新速度，也進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試。測(cè)試方式為正常運(yùn)行系統(tǒng)，然后通過OPC 軟件來查看數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài)，通過系統(tǒng)頁面刷新速度來判斷系統(tǒng)界面刷新頻率。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度為一秒一次，界面刷新頻率為兩秒刷新一次，但是考慮到溫濕度數(shù)據(jù)是不容易在短時(shí)間內(nèi)大幅改變的，因此為保障界面數(shù)據(jù)的穩(wěn)定刷新，將界面刷新頻率改為一分鐘一次，經(jīng)測(cè)試，改善后的界面數(shù)據(jù)穩(wěn)定，符合預(yù)期。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)片煙養(yǎng)護(hù)貯存過程中出現(xiàn)的問題的研究，提出了一套醇化庫環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過在庫區(qū)內(nèi)外安裝溫濕度傳感器，安裝磷化氫濃度監(jiān)測(cè)裝置，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了無線煙芯溫度監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了庫區(qū)內(nèi)部的溫濕度、磷化氫濃度、煙芯溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足了片煙養(yǎng)護(hù)需求。通過總結(jié)醇化庫環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得出以下結(jié)論：

1.醇化庫區(qū)經(jīng)過持續(xù)兩年的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，除冬季極寒天氣外，片煙醇化庫內(nèi)溫度一般維持在30±3℃，濕度反而隨季節(jié)變化較大，煙箱煙芯溫度基本維持在30±2℃。

2.煙芯溫度異常預(yù)警策略為進(jìn)行同一庫單元不同堆垛箱芯溫度橫向?qū)Ρ龋?dāng)某一個(gè)堆垛箱芯溫度高于其它堆垛箱芯溫度4℃即進(jìn)行箱芯溫度預(yù)警；堆垛箱芯溫度和室內(nèi)溫度縱向?qū)Ρ龋湫緶囟冗B續(xù)兩次檢測(cè)均高于室內(nèi)溫度5℃的，進(jìn)行異常報(bào)警。箱芯溫度計(jì)點(diǎn)檢對(duì)比頻次每小時(shí)一次。

3.庫區(qū)進(jìn)行熏殺蟲害時(shí)，庫內(nèi)磷化氫濃度大概在兩天半的時(shí)間達(dá)到最高值，然后磷化氫排放大概需要一周的時(shí)間才能完全排放干凈。

4.系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)檢和設(shè)備狀態(tài)自檢，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，可在操作界面發(fā)出預(yù)警，提醒工作人員進(jìn)行維保。

5.當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻次為一秒一次，系統(tǒng)界面刷新頻率為一分鐘一次。

5 技術(shù)應(yīng)用

醇化庫環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，能夠針對(duì)庫區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和整理分析，幫助管理人員實(shí)時(shí)了解片煙醇化過程中環(huán)境數(shù)據(jù)的微小改變，以便能做出相應(yīng)措施，有效保障了片煙的醇化和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，同時(shí)該系統(tǒng)為片煙養(yǎng)護(hù)技術(shù)的各項(xiàng)研究提供了物理設(shè)施條件和龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為片煙養(yǎng)護(hù)的規(guī)范化、科學(xué)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。