葉絲線水分過程控制能力的研究

蔣文翔，楊小輝

（1.湖南中煙吳忠卷煙廠生產管理部；2.湖南中煙吳忠卷煙廠制絲車間，寧夏 751100）

1 前言

隨著社會的進步和卷煙市場日趨激烈的競爭，人們對卷煙質量的要求也越來越高。2021 年以來，湖南中煙提出“踏實為基、扎實為要”的工作方針，為將“品質立企、品牌強企”落在實處，對制絲線工藝質量控制能力也提出了更高的要求。由于煙絲水分的穩定性是制絲線過程控制的關鍵工藝指標，因此如何提升設備過程控制能力，保障全鏈條水分的穩態輸出也就成為吳忠卷煙廠當前亟需研究解決的問題之一。

煙絲水分即煙絲含水率是卷煙工業制絲工藝段重要控制參數，煙絲水分影響卷煙煙氣水分、燃吸品質及粒相物揮發性組分的組成，因此煙絲水分需準確控制在標準范圍內，高于標準和低于標準將嚴重影響卷煙品質及其他卷煙參數。目前煙絲水分的控制主要在制絲工藝的葉絲線，并主要受控于松散回潮和烘絲機2 個工序。若僅研究烘絲機對物料出口水分穩定性的影響，當烘絲來料水分不穩或來料水分過高過低時，由于烘絲機滾筒熱慣性較大，很難實現出口水分的穩定，因此需要對松散回潮和烘絲機2 個工序進行統一分析研究，形成閉環管理，從而提升制絲線的整體水分控制能力。

2 現狀調查及原因分析

制絲葉線水分控制的設備有：真空回潮、松散回潮、預混柜、葉片加料、貯葉柜、葉絲HT、烘絲機以及保障各貯存區域的環境溫濕度的空調等設施。

2.1 現狀調查

根據調查發現，制約吳忠卷煙廠制絲線葉線水分控制穩定性的工序主要是松散回潮和烘絲2 個工序，存在的問題主要體現在以下幾個方面。

2.1.1 料頭階段時間過長

松散回潮工序進入穩態所需時間為12min 左右，烘絲工序進入穩態所需時間為20min 左右，該階段料頭水分波動較大。

2.1.2 水分波動較大，過程控制能力不足

松散回潮批次出口水分CPK 值較低（統計2020 年475批松散回潮出口水分CPK 值，平均值僅為0.636），烘絲機來料水分、流量出現波動時，出口水分波動大，統計2020 年出口水分偏差為0.050%，距離其他廠仍然存在一定的差距。

2.1.3 料尾階段調節能力不足

松散回潮工序在料尾階段水分超調現象較多，烘絲機工序在料尾階段需要操作工進行手動操作，控制干尾量，此方法對操作工的能力要求較高，干尾量因人而異。

2.2 原因分析

2.2.1 松散回潮工序

（1）無蒸汽預熱及料頭蒸汽保持控制能力，料頭階段蒸汽控制不穩定，造成出口水分控制能力較差；

（2）料頭及料尾階段僅利用數組遞推方式進行延遲加水，料頭處理能力較差；

（3）生產過程中，加水量是通過入口水分（水分儀檢測）、電子皮帶秤瞬時流量、出口水分設定計算得出，而出口水分僅做檢測，不做修正；

（4）針對全配方煙葉無特殊處理功能。

2.2.2 烘絲工序

（1）料頭階段無獨立控制程序，干頭量較大；

（2）料尾階段無控制程序，為降低干尾量，通過手動關閉蒸汽閥門的方式進行控制，控制方式落后且受人為因素影響較大；

（3）生產過程中排潮與熱風控制不聯動，水分控制能力較差；

（4）生產過程中筒溫波動較大（約在±1℃）。

3 改進措施

3.1 松散回潮工序

3.1.1 設計新增料頭、料尾控制程序

3.1.1.1 設計新增回潮機工藝蒸汽預熱程序

增加一個工藝蒸汽預熱經驗值開度，用以解決松散回潮機需要人工手動預熱的問題，使預熱過程更加準確可靠，減少因預熱不到位造成的料頭水分、溫度超調過程。

3.1.1.2 設計新增工藝蒸汽料頭程序

增加料頭階段工藝蒸汽經驗值開度及保持延時，解決料頭階段因為物料突然進入筒體造成設定值與實際值偏差較大而導致的PID 超調現象，從而解決因為工藝蒸汽超調而造成的料頭水分、溫度不穩定的情況。

3.1.1.3 設計新增加水控制料頭程序

增加加水延遲，解決料頭初期階段因筒內潮濕且物料流量較小時，物料水分超標的情況，減少料頭階段水分超標的現象。

由于水分儀在讀取水分數據時數據變化較為緩慢，而此時物料水分為一個定值，可造成加水量不足的問題。增加入口水分數據替代值、入口水分儀數據讀取延時2個設備參數，可有效解決料頭中后期松散回潮入口水分儀水分數據讀取較慢而造成的加水量不足的問題，從而實現料頭階段物料出口水分快速達到穩態。

3.1.1.4 增加水分校正系數

由于不同品牌物料吸水率存在差別，將會使同一套加水量計算公式計算出的加水量存在偏差，在生產過程中加水量將會出現實際偏差，從而造成批次水分偏高或偏低的現象。通過增加水分校正系數（圖11），可有效彌補加水量偏差這一問題。

圖1 松散回潮機料頭階段出口水分現狀

圖2 烘絲機料頭階段出口水分現狀

圖3 松散回潮單批次出口水分CPK

圖4 烘絲機出口水分偏差

圖5 松散回潮料尾階段曲線圖

圖7 預熱及料頭保持階段蒸汽控制PLC 程序梯形圖

圖8 預熱及料頭保持階段蒸汽控制人機界面圖

圖9 料頭料尾加水、停水延時控制程序及人機界面圖

圖10 料頭階段入口水分替代值及替代時間控制梯形圖及人機界面圖

圖11 水分修正系數PLC 梯形圖

3.1.2 優化松散回潮加水量PID 調節模式

僅通過水分修正系數這一參數，無法完全實現加水量的準確計算，且由于原松散回潮系統無出口水分修正，物料出口水分與設定水分之間的誤差不能達到及時修正，將造成批次水分CPK 值不高的問題。增加回潮機出口水分PID 修正模塊（圖12），通過對比回潮機出口水分及設定水分值之間的差值，利用PID 對加水流量設定值進行微調，以實現出口水分更加精確的調整。

圖12 出口水分PID 修正程序PLC 梯形圖及人機界面圖

圖13 固定加水程序PLC 梯形圖及人機界面圖

圖14 烘絲機料頭階段熱風風門、排潮風門開度PLC 梯形圖及人機界面圖

圖15 烘絲機料頭過后熱風、排潮開度PID 熱風相關參數PLC 梯形圖

3.1.3 增加全配方煙葉加水控制程序

針對全配方煙葉來料水分較為恒定這一特點，增加回潮機固定加水模式，確保全配方煙葉在經過松散回潮工序時出口水分穩定。

3.1.4 建立松散回潮工序多牌號設備參數經驗庫

建立程序后，根據不同牌號煙葉來料的特點，通過多次實驗，確定最優設備參數并形成牌號經驗庫，并將經驗參數納入系統中隨牌號自動下發，實現松散回潮工序全過程的穩態控制。

3.2 烘絲機工序

3.2.1 增加頭、尾料控制程序

新增烘絲料頭熱風開度、烘絲料頭排潮開度、烘絲料頭過后熱風開度PID 介入水分設定值、烘絲料頭過后熱風開度PID 介入保持時間、烘絲機料頭筒溫薄膜閥保持開度、烘絲機料頭上調保持時間、烘絲水分控制干尾水分值、烘絲水分控制干尾排潮開度8 個設備控制參數，確保在頭尾料階段物料能快速達到穩態要求，減少不合格品數量，降低物料浪費，提高批次水分穩定性。

3.2.1.1 設計新增烘絲機熱風、排潮料頭控制程序

（1）增加熱風、排潮料頭經驗開度

其目的在于料頭階段，在保證筒溫不變且物料流量較低時，通過降低排潮開度大小，使筒內濕度保持在一個較高的水平，煙絲水分不會被過度烘干，從而實現降低干頭量的目的。

（2）增加料頭過后熱風排潮開度PID 介入水分設定值及保持時間設備參數

其目的是在料頭階段過后（超過介入水分設定值），快速排干烘絲機滾筒內多余的水汽，使其能快速達到穩態運行點，降低因筒內積攢的濕度過高而造成料頭階段過后而產生的物料出口水分超標現象。

3.2.1.2 設計新增筒體溫度料頭控制程序

由于烘絲機空載及有料狀態時，保持相同筒溫所需蒸汽用量不同，在料頭階段烘絲機滾筒內是一個從空料到滿料的過程，且持續時間較長，若直接使用PID 調節，將導致筒溫呈現震蕩性波動。增加烘絲機料頭筒溫薄膜閥保持開度及保持時間2 個設備參數（見圖16），在料頭進入烘絲機滾筒后，快速將筒溫薄膜閥調整至一個經驗開度值并保持至物料全部進入烘絲機滾筒內為止，這樣就保證了料頭階段筒溫一直處于一個相對穩定的狀態，縮短筒溫的震蕩周期，讓烘絲機快速進入穩態運行。

圖16 烘絲機料頭筒溫薄膜閥保持開度及時間PLC 梯形圖及人機界面圖

3.2.1.3 設計新增料尾控制程序

料尾階段物料流量下降，且由于筒溫熱慣性較大，會將尾料水分快速抽干，從而造成干尾量較大。通過設計增加料尾介入水分設定值及料尾排潮開度大小2 個設備參數（見圖17），在即將進入料尾階段時將排潮關閉至設定值，減少潮氣排出，同時關閉筒溫薄膜閥，利用筒內余熱將尾料進行烘干，從而達到降低干尾料的目的。

圖17 烘絲機料尾控制模塊PLC 梯形圖

圖18 烘絲機各階段排潮、熱風風門控制模塊PLC 梯形圖

圖19 烘絲機回水系統改造后現場圖

圖20 烘絲機筒溫檢測模塊選型圖

圖21 烘絲機筒溫PID 參數設定PLC 梯形圖及人機界面圖

3.2.2 增加熱風排潮聯動控制模塊

新增熱風排潮聯動控制模塊，使熱風風量一直處于略小于排潮風量的狀態，水分控制趨于動態平衡狀態。

工作原理是在料頭、料尾階段將熱風風門開度與排潮風門開度進行分開控制，以達到在筒溫不變的情況下降低干頭干尾的目的。而在正常生產過程中將其進行聯動，并設置比例系數，當烘絲機排潮風門根據出口水分進行調節時，熱風風門開度也隨之變動，從而使烘絲機筒內風量一直處于動態平衡狀態，繼而達到水分穩態控制的目的。

3.2.3 優化筒溫控制模塊

通過現狀分析，造成筒溫波動的原因有以下3 個方面：

（1）蒸汽冷凝水排放不暢。

（2）筒溫檢測模塊存在問題。

（3）筒溫PID 調節模塊參數設置不合理。

針對以上3 個問題，吳忠卷煙廠分別從蒸汽系統改造、檢測元器件位置調整以及控制參數調節進行改造。

3.2.3.1 改造冷凝水排放系統

將DN25 冷凝水排水管路更換至DN40 管路，設置冷凝水檢測壓力表及手動旁通閥，從而提升冷凝水排放效率。

3.2.3.2 更換PLC 模塊，提高檢測精度

原筒溫檢測PLC 模塊型號為1794-IE8，該模塊檢測精度為滿量程的0.20%。將該模塊調整為精度更高的1794-IF4I，并對數據通訊線進行屏蔽層接地連接，從而提高檢測精度。

3.2.3.3 優化PID 參數

將烘絲機筒溫PID 的比例、積分、微風參數設定值進行重新優化，并將設定界面置于人機界面上，通過在生產過程中的多次實驗，得出一套最優值。

3.2.4 建立多牌號設備工藝參數經驗庫

根據4 個牌號工藝特性，對烘絲機工序新增9 個設備工藝參數不斷調整優化，建立設備參數品牌經驗庫，實現烘絲機工序料頭、料尾階段的穩態控制，確保烘絲機工序批次出口水分的穩態化。

4 改進后的成效

4.1 松散回潮工序料頭、料尾控制更加穩態

如圖22 所示，通過對比改進前后松散回潮和烘絲機料頭、料尾變化情況，可以明顯看出改進后松散回潮出口水分能更快達到穩態，相比較改進前進入穩態時間縮短7min，在料尾處理階段能更加平穩且無波動現象。

圖22 松散回潮工序料頭料尾改進前后物料出口水分對比圖

4.2 烘絲工序料頭、料尾控制更加穩態

如圖23 所示，烘絲機出口水分能更快達到穩態，相比較改進前進入穩態時間縮短14min，并且無超調現象出現，在料尾處理階段能更加平穩且無波動現象。

圖23 烘絲工序料頭料尾改進前后物料出口水分對比圖

4.3 松散回潮出口水分CPK 值提升明顯

對松散回潮出口水分CPK 值對比（改善前連續17 批次出口水分CPK 值及相應均值和改善后連續10 批次出口水分CPK 值及其均值），對比結果如圖24 所示。

圖24 松散回潮改進前后CPK 值對比圖

由圖24 可知，改善后松散回潮出口水分更加穩定，松散回潮出口水分CPK 平均值由調整之前的0.67 提升至1.09，改善效果明顯。

4.4 烘絲出口水分更加穩定

統計6～10 月烘絲機出口水分偏差平均值為0.0437%，小于目標值0.045%，圓滿完成課題目標。

4.5 煙絲水分更加穩定

表1 烘絲工序葉絲出口水分偏差

通過SPC 查看混絲加香后的煙絲水分分布圖和水分曲線，可以明顯看出混絲加香后煙絲水分均勻分布在12.2±0.5%范圍內，非常平穩。

5 結語

通過新增頭尾料控制程序、優化過程中控制邏輯、建立多牌號經驗庫，實現葉絲線水分控制由被動查看向主動預測轉變、由人為調整向科學控制的模式轉變，有效降低松散回潮、烘絲機出口水分異常超標出現的概率，同時提高出口水分控制的實時性、準確性和平穩性，保障煙絲質量的穩定性。