煙草生產(chǎn)線中智能設(shè)備的集成與自動化控制研究

摘要：基于先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，分析了目前煙草生產(chǎn)線所面臨的智能化需求，明確指出煙草生產(chǎn)線中智能設(shè)備集成必要性。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了煙草生產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)闡述了煙草生產(chǎn)線智能設(shè)備集成關(guān)鍵技術(shù)，具體涉及信息采集、設(shè)備檢查管理、高速自動化機(jī)械技術(shù)等的應(yīng)用。同時設(shè)計自動化控制業(yè)務(wù)模塊，覆蓋原料處理配送、煙葉加工切割、制絲烘干等多個模塊，皆在實現(xiàn)對整個煙草生產(chǎn)線的智能化管理。

關(guān)鍵詞：智能設(shè)備集成自動化控制煙草生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備

中圖分類號：TS43

ResearchontheIntegrationandAutomationControlofIntelligentEquipmentinTobaccoProductionLines

LUYuwenSANJinhuiWANGDeYUBoYANGTianhou

TrainingCenterofChinaTobaccoYunnanIndustrialCo.，Ltd.，KunmingCity，YunnanProvince，650224China

Abstract：Basedontheapplicationfoundationofadvancedtechnology，thispaperanalyzestheintelligentrequirementscurrentlyfacedbytobaccoproductionlinesandclearlypointsoutthenecessityofintegratingintelligentdevicesintobaccoproductionlines.Onthisbasis，atobaccoproductionequipmentmanagementsystemarchitectureisconstructed，andthekeytechnologiesforintelligentdeviceintegrationintobaccoproductionlinesareelaborated，specificallyinvolvingtheapplicationofinformationcollection，equipmentinspectionmanagement，high-speed automationmachinerytechnology，etc.Atthesametime，itdesignsautomatedcontrolbusinessmodules，coveringmultiplemodulessuchasrawmaterialprocessinganddistribution，tobaccoprocessingandcutting，andsilkdrying，allofwhichareachievingintelligentmanagementoftheentiretobaccoproductionline.

KeyWords：Intelligentdeviceintegration;Automationcontrol;Tobaccoproductionline;Productionequipment

隨著工業(yè)4.0的到來，煙草制造業(yè)亦面臨著轉(zhuǎn)型升級的迫切需求。但由于煙草生產(chǎn)線較為復(fù)雜，且對最終產(chǎn)品質(zhì)量有著極高的要求，這就導(dǎo)致煙草生產(chǎn)線設(shè)備集成及智能改造過程充滿挑戰(zhàn)。近年來，基于煙草生產(chǎn)線智能設(shè)備集成與自動化控制研究已取得初步進(jìn)展，但尚存在諸如系統(tǒng)集成度不高、智能化水平有限等一系列問題。本研究將深入探索更加高效穩(wěn)定的智能設(shè)備集成方案及配套自動化控制系統(tǒng)，以期推動煙草生產(chǎn)線智能化進(jìn)程。

1智能設(shè)備在煙草生產(chǎn)線的應(yīng)用

1.1煙草生產(chǎn)線智能化需求

當(dāng)前煙草產(chǎn)業(yè)中，為適應(yīng)市場需求多樣化及生產(chǎn)流程復(fù)雜性，智能化改造變得尤為重要，具體需求如表1所示。

1.2煙草生產(chǎn)線智能設(shè)備集成需求

目前煙草生產(chǎn)線智能化已然不僅僅是添加簡單的智能化設(shè)備，而是一項系統(tǒng)性工程，需全面考慮設(shè)備間協(xié)同運作及整體優(yōu)化，詳細(xì)需求如表2所示。

2面向生產(chǎn)線的智能設(shè)備管理集成方案設(shè)計

2.1面向煙草行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

針對煙草行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計時，必須充分考慮煙草生產(chǎn)過程復(fù)雜性。該系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是提升生產(chǎn)效率、降低運維成本，確保系統(tǒng)可靠性、易用性。煙草生產(chǎn)涉及制絲、卷切包兩個主要過程，分別對應(yīng)流水線和離散型加工方式。這就要求煙草生產(chǎn)線智能設(shè)備管理系統(tǒng)具備基本生產(chǎn)管理功能，還應(yīng)滿足混合生產(chǎn)線特定需求。該系統(tǒng)核心是基于生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與信息采集分析，實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備全生命周期的管理[1]。

為滿足這些要求，面向煙草生產(chǎn)線的智能設(shè)備管理系統(tǒng)具體涉及如下主要功能模塊：生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)信息采集、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、點檢管理、生產(chǎn)設(shè)備備件管理等。系統(tǒng)的框架設(shè)計如下圖1所示，該圖展示了各功能模塊布局及其相互關(guān)系。

2.2煙草生產(chǎn)線中智能設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

2.2.1生產(chǎn)設(shè)備信息采集

生產(chǎn)設(shè)備信息采集是智能化管理的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵在于精確捕獲生產(chǎn)線上各類設(shè)備實時數(shù)據(jù)。煙草生產(chǎn)線在智能設(shè)備管理方面，涉及多種傳感器及數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用，如溫度傳感器、振動傳感器、速度編碼器等，廣泛用于監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)[2]。具體應(yīng)用中，在煙絲烘干階段，通過安裝溫濕度傳感器可實時監(jiān)測烘干環(huán)境的濕度、溫度。假設(shè)烘干過程要求控制溫度在（60±5）℃，濕度在40%～60%之間。傳感器將數(shù)據(jù)實時反饋給中央控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)閥門開度和風(fēng)速，確保烘干環(huán)境穩(wěn)定。采用公式計算預(yù)測設(shè)備維護(hù)時間，如使用威布爾模型進(jìn)行故障率分析：

2.2.2生產(chǎn)設(shè)備檢查管理

生產(chǎn)設(shè)備檢查管理能夠確保煙草生產(chǎn)線順暢運行，該過程涉及設(shè)備定期維護(hù)、故障診斷。利用智能化技術(shù)可大幅度提高檢查的效率、準(zhǔn)確性，例如：借助聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)可有效識別煙草制絲機(jī)中異常聲音，以有效識別生產(chǎn)設(shè)備軸承或其他關(guān)鍵部件磨損故障等不良運行情況[3]。具體實施時可使用聲級計和頻譜分析器捕捉機(jī)械在運行時發(fā)出的聲音，假設(shè)正常情況下制絲機(jī)聲音頻率主要在20Hz～20kHz之間，而異常聲音可能在特定頻率上有顯著提升。通過設(shè)置閾值如在100～500Hz范圍內(nèi)聲音壓力級超過85dB，系統(tǒng)即判定為異常狀態(tài)并自動報警。計算公式可以應(yīng)用信號的傅里葉變換來分析聲音的頻譜：

2.2.3高速自動化機(jī)械技術(shù)

高速自動化機(jī)械技術(shù)的關(guān)鍵在于提高機(jī)器運行速度的同時保持高精度及穩(wěn)定性。例如：在煙卷包裝過程中可嘗試應(yīng)用高速自動化機(jī)械臂進(jìn)行煙盒快速搬運定位，使用配備伺服電機(jī)、精密傳感器的自動化機(jī)械臂。假設(shè)機(jī)械臂運動速度需達(dá)到每分鐘300次搬運，每次搬運精度需控制在±0.5mm內(nèi)。通過編程控制伺服電機(jī)加速度、減速度，以更好地適應(yīng)高速連續(xù)運動。另外，也可利用視覺系統(tǒng)對搬運過程進(jìn)行實時監(jiān)控，確保操作準(zhǔn)確性。視覺系統(tǒng)可采用圖像處理技術(shù)識別煙盒位置，并通過算法計算其與目標(biāo)位置的偏差，調(diào)整機(jī)械臂運動軌跡[4]。

2.3智能設(shè)備自動化控制業(yè)務(wù)模塊設(shè)計

2.3.1原料處理與配送模塊

煙草生產(chǎn)線原料處理與配送模塊中，智能設(shè)備管理集成及自動化控制技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要。該模塊主要涉及原料接收、存儲、預(yù)處理和向生產(chǎn)線的準(zhǔn)時配送，集成先進(jìn)傳感器、控制系統(tǒng)和機(jī)器視覺技術(shù)可實現(xiàn)原料處理配送的精準(zhǔn)性。具體來說，原料處理與配送模塊可采用自動化立體倉庫系統(tǒng)存儲煙葉原料，這一系統(tǒng)利用堆垛機(jī)器人和輸送帶系統(tǒng)，根據(jù)實時的生產(chǎn)需求自動將煙葉輸送到指定的預(yù)處理區(qū)域。例如：在每一批煙葉上設(shè)置射頻識別標(biāo)簽，以實時追蹤煙葉品種、來源和質(zhì)量。

預(yù)處理階段則可應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)對煙葉進(jìn)行自動分級和質(zhì)量控制，假設(shè)煙葉在輸送帶上以每秒5片的速度通過檢測區(qū)，視覺系統(tǒng)需要在這極短的時間內(nèi)對每片煙葉進(jìn)行圖像采集、分析和質(zhì)量分類，這要求系統(tǒng)具備高速度圖像處理能力和復(fù)雜算法支持。

2.3.2煙葉加工與切割模塊

煙葉加工切割模塊涉及煙葉干燥、加香、切絲等過程，在這一模塊中，煙葉干燥過程可通過溫濕度傳感器實時監(jiān)控干燥環(huán)境，并借助自動調(diào)節(jié)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)和除濕設(shè)備確保煙葉干燥均勻，以盡可能地創(chuàng)設(shè)并保持最佳濕度、溫度條件。例如設(shè)定干燥段的溫度為60℃，濕度為55%，當(dāng)傳感器檢測到環(huán)境參數(shù)偏離設(shè)定值時，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)會立即調(diào)整確保處理質(zhì)量[5]。

在加香過程中采用精密液體注入系統(tǒng)及攪拌設(shè)備，確保煙葉能夠均勻吸收香味。這一過程的自動控制系統(tǒng)可根據(jù)煙葉種類及目標(biāo)產(chǎn)品特性合理地調(diào)整加香劑量和攪拌時間。切割環(huán)節(jié)則利用自動化機(jī)械技術(shù)，使用高速運轉(zhuǎn)的切割機(jī)將煙葉切成指定寬度的煙絲，假設(shè)切割機(jī)的速度為每分鐘500刀，要求切割精度達(dá)到±1mm，這就需要精確電機(jī)控制和刀具定位技術(shù)加以保證。

2.3.3制絲與烘絲工序

在煙草生產(chǎn)線中，智能化制絲與烘絲工序設(shè)計對提升生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。本設(shè)計方案遵循“集中管理、綜合監(jiān)控、分段控制”原則，構(gòu)建了靈活配置、易于組態(tài)多級計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)架構(gòu)被分為3個層次：集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層、設(shè)備層。這些層次在功能上保持獨立，在組織結(jié)構(gòu)上則緊密相連，確保制絲、烘絲生產(chǎn)過程高效穩(wěn)定。

設(shè)備控制層的中央處理器扮演著信息傳遞的核心角色，負(fù)責(zé)向集中監(jiān)控層報告現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等信息，并接收來自監(jiān)控層的計劃調(diào)度信息、配方數(shù)據(jù)及其他控制命令。這一層直接控制生產(chǎn)線上的設(shè)備層，確保生產(chǎn)任務(wù)能夠順利完成。

集中監(jiān)控層的計算機(jī)系統(tǒng)連接生產(chǎn)管理層計算機(jī)，獲取生產(chǎn)計劃和物料調(diào)度信息，同時采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行歸檔上報。系統(tǒng)采用人機(jī)界面加PLC結(jié)構(gòu)模式，提高操作直觀性和控制精確性。梗處理段和梗絲處理段通過PLC采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息，處理后輸出至顯示屏或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，協(xié)調(diào)兩者工作，有效防止物料堆積，故障排除后迅速恢復(fù)生產(chǎn)。

3結(jié)語

就本研究而言，深度剖析了智能設(shè)備于煙草生產(chǎn)線中集成與自動化控制應(yīng)用，這于一定程度上突出了智能化需求和設(shè)備集成管理的重要性。設(shè)計適應(yīng)煙草行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)架構(gòu)，并研究生產(chǎn)設(shè)備信息采集、檢查管理、高速自動化機(jī)械等關(guān)鍵技術(shù)，很大程度上可優(yōu)化原料處理、煙葉加工、制絲烘干等業(yè)務(wù)模塊，以此充分借助智能設(shè)備管理集成系統(tǒng)顯著提升生產(chǎn)效率、降低故障率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李夢京.常德煙草機(jī)械公司設(shè)備精益管理優(yōu)化研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2022.

[2] 鄧瑞君，常晟，趙欣斐，等.煙草行業(yè)中細(xì)支卷煙表觀燃燒性能檢測設(shè)備優(yōu)化研究[J].中國設(shè)備工程，2022（18）：16-18.

[3] 吳東，楊光露，魏新峰，等.人工智能在線監(jiān)測技術(shù)在煙草機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2020（11）：85-87.

[4] 李麗霞.煙草恒溫恒濕實驗室用無線環(huán)境檢測設(shè)備的研究[J].計量與測試技術(shù)，2020，47（1）：39-41.

[5] 代寬.煙機(jī)設(shè)備零備件壽命周期管理分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配錯件，2021（7）：178-179.