基于自動溫控系統的煙用料液攪拌罐研發

摘要：卷煙用香精香料的配置，是煙草生產過程中一項關鍵工藝步驟。鑒于此，研發了一種基于自動溫控系統的煙用料液攪拌罐，通過在攪拌罐內附設加熱裝置，并對加熱裝置進行自動控制，解決了以往料液配制過程中混合時間長、混合不均勻、溫度不穩定等問題，有效保證了煙用料液的質量。

關鍵詞：香精香料;煙用料液;攪拌罐;自動溫控

中圖分類號：TS43" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0045-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.011

0" " 引言

在卷煙制造加工過程中需要用到各類煙用料液，即香精香料。常用的香精香料多為酒精、糖類與水配制而成的溶液，為了節約配制時間，需要攪拌罐來加速介質溶解，提高溶液混合均勻度。煙用料液混合均勻度很大程度上影響著煙用料液的質量及后續卷煙產品整體風味的穩定性，但是當前煙草企業中廣泛使用的煙用料液攪拌罐多不附帶加溫系統，或加溫系統為開環控制系統，導致料液配制過程混合時間長，經常出現混合不均勻、溫度不穩定等問題，攪拌效果難以滿足生產需求。

針對香精香料配制過程中遇到的問題，擬通過加強技術研發與創新，提高生產效率，降低成本[1]。本文提出了一種帶有自動溫控系統的煙用料液攪拌裝置，該裝置具有結構簡單、操作簡便、混合效率高、溫度控制準確的特點，能夠有效提升煙用料液的質量與卷煙產品的風味穩定性，在實際應用中取得了良好的效果。

1" " 設計原理

煙用料液攪拌槳的設計主要是基于溫度傳感與控制技術，系統通過溫度傳感器實時監測料液的溫度，并將數據傳輸至控制器，控制器根據溫度預設值與實際溫度之間的偏差，自動調節加熱或冷卻裝置的輸出功率，以保持料液溫度在設定的范圍內波動。

2" " 關鍵技術

1）溫度傳感技術：采用高精度溫度傳感器，確保實時、準確地監測攪拌罐內料液的溫度變化。

2）智能控制技術：運用PID或其他先進控制算法，實現對加熱或冷卻裝置輸出功率的精確調節，確保溫度控制的穩定性和快速響應性。

3）加熱與冷卻裝置：根據具體工藝需求，選擇合適的加熱裝置（如蒸汽管道等）和冷卻裝置（如冷卻水循環等），確保攪拌罐內料液溫度的有效調節。

4）攪拌裝置：設計合理的攪拌機構，確保料液在攪拌過程中能夠充分混合，同時避免產生局部高溫或低溫區域。

3" " 系統組成

自動溫控系統的煙用料液攪拌罐主要由以下幾部分組成：

1）攪拌罐罐體：攪拌罐采用雙層夾套設計，內層為耐腐蝕、易清洗的不銹鋼材質;外層為高效保溫層，以減少熱量散失。罐體頂部設有進料口、排氣口及人孔，便于料液加入、氣體排出及罐內維護。罐底設有出料口，并配備精密閥門控制。攪拌裝置采用多層槳葉結構，結合變頻電機驅動，確保料液在攪拌過程中形成復雜的流動模式，提高攪拌均勻性。

2）攪拌控制系統：攪拌控制系統采用變頻電機驅動攪拌裝置，通過PLC控制電機轉速和攪拌時間，實現攪拌速度的精確調節和攪拌程序的靈活設置。系統可根據攪拌工藝要求預設多種攪拌模式，如低速預混、高速均質等，以滿足不同料液的攪拌需求。此外，系統還具備攪拌過載保護和自動停機功能，確保攪拌過程的安全可靠進行。

3）自動溫度控制系統：自動溫度控制系統由高精度溫度傳感器、加熱/冷卻元件（如加熱管、冷水循環系統等）、溫控儀表及PLC控制器組成。溫度傳感器安裝在攪拌罐內多個關鍵位置，以獲取全面的溫度數據。PLC控制器根據溫度傳感器反饋的信號，通過先進的PID控制算法或更高級的模糊控制算法調節加熱/冷卻元件的輸出功率，使攪拌罐內溫度精確維持在預設范圍內。同時，系統還具備超溫報警和自動斷電保護功能，以確保生產安全。

4）智能化管理系統：智能化管理系統通過觸摸屏人機界面實現與PLC控制器的無縫連接，方便操作人員實時監控攪拌罐的運行狀態、調整工藝參數、進行故障診斷和排除。系統還具備數據記錄和分析功能，可自動記錄攪拌過程中的溫度、攪拌速度、攪拌時間等關鍵參數，并生成詳細的生產報告和數據分析圖表。這些數據為生產管理和工藝優化提供了有力支持。

4" " 機械方案設計

本次研發的煙用料液自動控溫攪拌槳[2]如圖1所示，其中中空攪拌軸1如圖2所示，設置在中空攪拌軸1上的攪拌座2如圖3所示，設置在攪拌座上的葉輪3如圖4所示;中空攪拌軸1內部設置有可與外部溫度顯示裝置6相連接的測溫模塊，以及可與外部供熱系統7相連接的加熱模塊。測溫模塊包含嵌設在中空攪拌軸1中下段內壁上的溫感芯片41，加熱模塊包含循環管道52，該管道呈環狀均勻分布在中空攪拌軸1內壁的四周。

攪拌槳巧妙構建了料液混合與自動溫控的雙重功能體系，能夠實時精準捕捉煙用料液的溫度變化，并將數據即時傳輸至外部溫度顯示裝置，熱水在循環管道內流暢循環，對攪拌過程中的煙用料液進行均勻加熱，有效克服了傳統攪拌罐中溫度分布不均的難題。自動控溫攪拌槳通過測溫與加熱模塊的協同工作，實現了對煙用料液溫度的精準控制與高效混合，為卷煙制造過程中的香精香料配制提供了強有力的技術支持，顯著提升了生產效率和產品質量。

煙用料液控溫攪拌槳包括中空攪拌軸、設置在中空攪拌軸上的攪拌座和設置在攪拌座上的葉輪，中空攪拌軸內部設置有可與外部溫度顯示裝置相連接的測溫模塊和可與外部供熱系統相連接的加熱模塊，葉輪的設計考慮了流體力學原理，達到了高效、低能耗的攪拌效果。攪拌軸采用中空設計，不僅減輕了整體重量，中空結構還有助于熱量的均勻傳遞。攪拌過程中，溫感芯片可實時測量煙用料液的溫度，并傳送至外部溫度顯示裝置上，便于觀測人員隨時查看并調控溫度;由外部蒸汽機構產生的蒸汽[3]（如熱空氣、熱稀有氣體等）輸送至中空的攪拌軸內部，與煙用香料進行熱交換。測溫模塊和加熱模塊的配合使用可實現精準控溫，促使煙用糖類快速溶解，料液充分混合均勻，提高了料液的均一性和穩定性。精確的溫度控制有助于保持料液的化學特性和物理特性，從而提升料液的品質。

綜上所述，該控溫攪拌槳通過測溫與加熱模塊的協同工作，實現了對煙用料液的溫度精準控制與高效混合，為卷煙制造過程中的香精香料配制提供了強有力的技術支持，顯著提升了生產效率和產品質量。

5" " 電氣方案設計

圖5為自動溫控系統電氣部分示意圖[4]，該系統為閉環反饋控制系統。其中電子溫度輸入模塊由液晶顯示屏、數字輸入鍵盤、數模轉換電路等部分構成，用戶根據生產要求在數字輸入鍵盤上輸入所需溫度值，輸入數值會同步在液晶顯示屏上顯示，同時經由數模轉換電路將數字信號轉換為模擬信號[5]。模擬信號e1（t）與料液溫度檢測裝置反饋信號e0（t）比較后，形成輸入信號e（t）=e1（t）-e0（t），經由控制放大電路放大，控制電磁閥打開，熱水進入攪拌器循環管道，料液被加熱。

當電子溫度輸入模塊模擬信號與反饋信號相等時，即e1（t）=e0（t），輸入信號e（t）=e1（t）-e0（t）=0，電磁閥關閉，料液停止加熱。

圖5中控制放大電路采用PID控制電路，當系統受到外界干擾時，輸出信號能快速收斂，保證料液溫度穩定。

6" " 使用效果

為驗證該攪拌罐的料液溫度控制效果及料液攪拌效果，廣州卷煙廠配香中心采用新型帶自動溫控系統的攪拌罐和傳統開環溫控系統攪拌罐進行煙用料液攪拌，兩種攪拌罐配制相同溶液[6]，且容量相等，分別進行10次實驗，記錄料液溫度及攪拌均勻所需時間。實驗結果如表1所示，攪拌完成時間對比如圖6所示，攪拌完成料液溫度如圖7所示。

從以上實驗結果可以看出，新型帶自動溫控系統的攪拌罐在煙用料液配制中可以更加快速地完成料液均勻溶解，而且攪拌完成后料液溫度穩定，對于保證料液品質，提高煙草生產工藝指標精度有明顯的優勢。

7" " 結束語

該新型攪拌罐已在廣州卷煙廠配香車間應用，效果良好，大大提高了煙用料液配制的工作效率和準確性。同時，由于該裝置加工難度及成本不大，且易放便攜，有利于在不同的卷煙廠或灌裝點推廣使用，具有較好的使用價值。

[參考文獻]

[1] 翁拔炎，王堅.自動控制系統的研究[J].廣東民族學院學報（自然科學版），1990（4）：52-60.

[2] 孔慶華.機械設計基礎[M].上海：同濟大學出版社，2004.

[3] 陶文銓.數值傳熱學[M].2版.西安：西安交通大學出版社，2001.

[4] 李書婷.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計[J].自動化與儀器儀表，2015（8）：18-19.

[5] 李潔.電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2008.

[6] 張韜.稀釋溶液濃度的簡便計算公式[J].人民軍醫，1979（9）：75-76.