煙葉裝箱系統重量動態預測算法的設計與實現

摘" 要：煙葉裝箱系統是煙草制絲環節的重要設備，其重量預測對于保證煙葉質量和生產效率具有重要意義。該文針對煙葉裝箱系統重量預測的難點和挑戰，提出一種基于動態算法的重量預測方法。該方法綜合考慮煙葉裝箱系統的工作原理和流程、環境因素和干擾因素等多方面因素，建立煙葉裝箱系統重量動態預測算法的數學模型，并采用一種高效的求解方法，設計并實現該算法，在實際生產數據上進行測試和評估，結果表明，該算法具有較高的預測精度和穩定性，能夠有效地提高煙葉裝箱系統的重量控制水平。

關鍵詞：煙葉裝箱；重量預測；動態算法；工藝；箱體

中圖分類號：TS452" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0110-05

隨著中式卷煙特色工藝的深入開展及應用，卷煙產品精細化加工的發展必將導致各卷煙品牌的加工模式更加靈活多樣，這也對加工工藝、設備及其控制提出了更高的要求，引發了煙草行業對貯煙方式的重新認識。箱式貯煙具有以下特點。

相對敞開不密閉的柜式結構，箱式貯煙密閉性好，單元箱體密閉隔絕，溫濕度易于控制，煙葉煙絲香氣損失小，能最大限度減少香精、香料、水分的損耗，減少多品種煙葉煙絲在存儲過程中相互串香串味的可能。

箱式貯煙密閉性好有利于進行貯葉貯絲自然醇化作用，提高醇化效果，從而有效改善煙草自然香味，并在一定程度上減少外加香料。

集中裝箱布料，揚塵小，可以靈活擴充貯箱的輸送范圍，縮短貯絲車間到卷接包車間的距離，減少長距離風力送絲帶來的造碎。

有利于提高設備的加工效能，實現加工路徑的多樣化和靈活性，以更好地實現煙葉原料分組模塊有針對性的“功能性加工”和“柔性化加工”。

這些特點隨著煙草工業集團的規模越來越大，對卷煙品質、生產管理、市場需求越來越高而日顯突出，越來越多的煙廠用箱式貯煙工藝以提高其自動化、信息化、精細化和柔性化加工水平。

在箱式貯煙系統中，煙葉煙絲的定量裝箱技術是其核心技術，而煙葉煙絲定量裝箱技術的關健是裝箱準確度問題，其不僅直接關系企業內部的出片率、出絲率的計算，而且直接關系生產自動化、信息化、精細化、柔性化加工水平及生產管理成本，特別是復烤片煙的裝箱準確率，還直接影響買賣雙方的公平交易及企業品牌形象。

在線實時去皮問題是煙葉煙絲定量裝箱系統迫切解決的另一技術問題。卷煙行業裝箱系統中采用的箱體主要有紙箱、木箱和木夾板，去皮方法大多采用取平均皮重的固定去皮方法，而箱體皮重的個體差異是客觀存在的，僅拿紙箱而言，受紙箱加工廠的加工質量、環境濕度、重復使用次數的影響，紙箱皮重的個體差異是較大的，有的紙箱誤差本身就已經超過了裝箱系統誤差，要提高裝箱系統的裝箱精度，必須解決空箱皮重的在線實時去皮問題。傳統對煙箱的計量是采用靜態方式，煙箱需要停在秤臺上才能完成計量，秤臺的頻繁啟停，對秤臺沖擊大，傳感器量程就必需加大，由此降低了稱量精度；頻繁起停引起的震動還會造成傳感器的彈性形變，易使傳感器疲勞、損壞，從而降低傳感器的線性度和可靠性。

隨著卷煙工業深化內在品質及精細化加工水平不斷提高的發展趨勢，為進一步提高片煙、卷煙品牌的內在品質，單靠傳統的粗放式定量裝箱技術已不能滿足這種發展的需要，卷煙工業急需要解決片煙及煙絲的定量裝箱精度的技術難題，同時可進一步提高箱式物流自動化水平，降低生產品成本，對落實精細化加工的品牌戰略具有十分重要的意義。

煙草是我國重要的經濟作物之一，卷煙是其主要加工產品。卷煙生產過程中，煙草制絲環節是一個關鍵環節，它直接影響著卷煙的品質和成本。隨著煙草工業物流技術的發展，在煙草制絲環節中，煙葉裝箱系統是一種常用的設備，它將經過切片、松散、一次加料等處理后的煙葉，裝入標準化的木箱，以便于儲存和運輸。

煙葉裝箱系統的重量預測是根據已裝箱煙葉的數量、質量和密度等，預測下次裝箱所需煙葉的數量，從而使每箱總重量在規定范圍內。這對保證煙葉質量和生產效率很重要。一方面，每箱總重量合理可以避免倉儲空間浪費、翻箱流量不穩定等問題；另一方面，每箱總重量合理可以使每箱煙葉物理指標一致，有利于煙葉自然醇化和品質提升。

1" 煙葉箱儲單箱重量問題

1.1" 裝箱工作原理

裝箱站是將成品（成品煙絲）或半成品（煙葉或煙絲）物料按設定重量裝入煙箱的箱式儲存系統。為滿足模塊化、精細化加工的要求，空箱進站后經去蓋—裝箱—讀寫電子標簽—加蓋后完成裝箱。煙箱裝滿后，電子標簽讀寫器會將箱號、配方號、批次號和裝箱時間等信息寫入箱底的電子標簽內。電子標簽是煙箱的“身份證”，將伴隨煙箱的整個流動過程直至下次裝箱，能有效地避免錯牌、混牌。

裝箱站有2個裝箱位，煙箱經過裝箱位1時先裝設定值的一半，在裝箱位2再裝一半，這樣設計是為了在裝箱過程中使上游設備不停機，從而保證加香的均勻性。裝箱時，煙箱往復運動，布料均勻。高精度的電子秤與先進的軟件系統緊密配合，可以使裝箱精度達到99%。在操作面板上，可以看到皮帶流量、瞬時速度等實時信息，同樣還可以查看裝箱記錄和電子標簽記錄等。

裝箱系統采用“落料式”全懸浮電子皮帶秤，解決傳統張力皮帶秤用“非落料式”計量原理帶來的“慣性誤差”，并解決流量波動和物料偏載對裝箱精度的影響，引用全懸浮電子皮帶秤計量精度高、穩定性好、維護量小的優點提高裝箱系統的裝箱精度和裝箱合格率。

非慣性定量裝箱技術是為適應煙草企業箱式貯煙工藝技術發展而專門開發的機電一體化高新技術專利產品。安裝于裝箱系統的空箱進箱通道和出箱通道上，在線動態秤稱量出空箱重量及裝箱重量，實時準確地計算出裝箱物料凈重。

該項技術由于采用非慣性全懸浮型電子皮帶秤技術，單口連續緩沖加料技術，動態煙箱秤技術，削尖技術、多箱橫向同步裝箱技術及自動加蓋去蓋技術等很好地解決了傳統“慣性定量裝箱技術”不能解決的問題，消除了慣性誤差，使煙葉煙絲定量裝箱技術有了根本性突破，達到國際先進水平：①裝箱精度優于0.5%的合格率達95%；②可單口連續裝箱，裝箱能力最大可達15 000 kg/h；③動態實時準確去除箱體皮重；④可實現振動、二維布料及液壓裝箱3種削除堆尖方法；⑤可實現多箱橫向同步裝箱，裝箱均衡性高。

由西門子PLC及觸摸屏、電控元件組成總線控制系統，完成對裝箱系統供料設備、料位控制、轉換機構和裝箱輸出設備的關聯控制，形成完整緊密的自動裝箱控制系統。通過控制系統自動采集裝箱數據，上傳生產管理信息系統，進行生產數據管理。

裝箱站由全懸浮型電子皮帶秤、全自動加蓋去蓋裝置、動態煙箱秤、箱體鏈式輸送機、往復裝箱臺、箱蓋鏈式輸送機和裝箱電控系統等組成。

全懸浮型電子皮帶秤如圖1所示。主要技術參數：裝箱速度大于等于60箱/h；裝箱精度優于0.5%。

動態煙箱秤結構圖如圖2所示。

本文以二維連續裝箱系統為研究背景，空箱經去蓋機去蓋后，經鏈式輸送機運送進入裝箱位1，煙葉經皮帶、計量管、電子稱以及雙向皮帶裝入儲箱，煙箱在裝箱位1和裝箱位2各裝入設定重量一半的煙葉后，經稱重、編碼計數后由加蓋機進行加蓋，最后進入葉庫存儲，整個裝箱過程循環進行直到尾箱處理或批次結束。裝箱站結構示意圖如圖3所示。

1.2" 存在問題

煙葉裝箱系統的重量預測并不是一個簡單的問題，它面臨著許多難點和挑戰。一方面，煙葉裝箱系統的工作原理和流程比較復雜，涉及多個環節和多個參數，如煙葉的切片、松散、一次加料和裝箱等環節，以及煙葉的種類、品質、含水率等參數，這些環節和參數之間存在著復雜的相互影響和變化規律，難以用簡單的數學模型來描述。另一方面，煙葉裝箱系統的重量預測受到多種因素的干擾和影響，如煙葉的物理特性和變化規律、環境因素（如溫度、濕度、氣壓等）、人為因素（如操作誤差、設備故障等）和隨機因素（如煙葉的不均勻性、噪聲等），這些因素導致了煙葉裝箱系統的重量預測具有較高的不確定性和非線性性。

因此，研究一種有效的煙葉裝箱系統重量預測方法具有重要的理論意義和實際價值。傳統的煙葉裝箱系統重量預測方法主要有2種：一種是基于經驗公式的方法，即根據歷史數據或專家經驗建立一些簡單的數學公式或規則來進行預測；另一種是基于統計模型的方法，即利用統計學習或機器學習等技術建立一些復雜的數學模型或算法來進行預測。這2種方法各有優缺點，但都不能很好地解決上述難點和挑戰。基于經驗公式的方法雖然簡單易用，但缺乏理論依據和普適性，不能適應煙葉裝箱系統的復雜性和變化性；基于統計模型的方法雖然具有一定的理論支持和泛化能力，但需要大量的數據和計算資源，不能滿足煙葉裝箱系統的實時性和高效性。

電子皮帶秤計量通道工作原理：當電子皮帶秤運行時，裝于驅動電機軸上的光電脈沖編碼器發出脈沖，每一個脈沖代表皮帶走過一個固定的間隔ΔL，該脈沖進入PLC高速計數模塊作為速度采樣。

當輸送機皮帶上有物料流過時，稱重模塊輸出0～24 mA正比于物料重量的電壓信號，該信號經稱重終端轉化為秤臺負荷信號送入PLC進行運算，完成一次重量采樣工作。隨著輸送秤的不斷運轉，每隔一定長度ΔL都將產生一個脈沖，進行一次重量采樣，將各次采樣值按下式累計即可得到累計重量W

式中：i為采樣脈沖；Pi為計量段上物料重量；L為計量段長；ΔL為采樣間隔距離。

從式中可以看出P/L即為皮帶每米上物料的重量，n為皮帶走過ΔL的段數，P/L·ΔL即為走過ΔL長度的重量，對n段重量求和即得累計重量W。

電子秤皮帶速度V可由下式求得

式中：T為走過ΔL長度所需的時間，ΔL為采樣間隔。

2" 煙葉裝箱系統重量動態預測算法的設計與實現

本文提出了一種基于動態算法的煙葉裝箱系統重量預測方法，該方法綜合考慮了煙葉裝箱系統的工作原理和流程、煙葉的物理特性和變化規律、環境因素和干擾因素等多方面因素，建立了煙葉裝箱系統重量動態預測算法的數學模型，并采用了一種高效的求解方法。該方法具有以下特點：①動態性，該方法能夠根據當前已裝入箱內的煙葉數量、質量和密度等信息，動態地調整預測參數和策略，從而適應煙葉裝箱系統的復雜性和變化性；②準確性，該方法能夠充分利用煙葉裝箱系統的歷史數據和實時數據，通過機器學習算法建立高效的預測模型，從而提高預測結果的準確性和可靠性；③實用性，該方法能夠根據不同的煙葉品種、等級和規格，靈活地設置預測目標和約束條件，從而滿足煙葉裝箱系統的多樣化需求。

2.1" 算法的設計思想

煙葉裝箱系統重量動態預測算法的基本原理，是根據當前已裝入箱內的煙箱數量和質量等信息，動態地計算出下一次裝入時所需的煙葉重量量，從而適應煙葉裝箱系統的復雜性和變化性。算法的目標是使每個箱子的重量盡可能接近預設的目標重量，同時保證尾箱的重量大于120 kg。算法的基本步驟如下。

步驟1初始化：輸入煙葉裝箱系統的工作參數，如箱子的目標重量等，以及煙葉儲柜底帶運動脈沖計數值等。

步驟2開始裝箱：啟動煙葉輸送裝置，將儲柜或其他設備中的煙葉輸送到裝箱機上；啟動煙葉稱重裝置，測量當前已裝入箱內的總重量，并輸出當前已裝入數量和質量等信息。

步驟3預測下一次裝入數量：啟動煙葉控制裝置，根據當前已裝入信息和預設的目標重量，建立高效的預測模型，并輸出下一次裝入時所需的煙葉數量給煙葉輸送裝置。預測模型的具體實現將在下一節介紹。

步驟4判斷是否結束：如果當前已裝入重量達到或超過目標重量，或者箱子已經滿了，或者沒有更多的煙葉可以裝入，則結束裝箱；否則，返回步驟2，繼續裝箱。

2.2" 動態算法的數學模型

建立煙葉裝箱系統重量動態預測算法的數學模型，分析其變量、約束和目標函數。裝箱系統前段設備為煙葉儲柜，煙葉儲柜通過儲柜底帶將儲柜內煙葉輸送至裝箱系統。通過煙葉儲柜底帶運動的脈沖計數，已知儲柜從滿載狀態運行至運空狀態脈沖計數值為定值K，設儲柜內煙葉總質量為MX，（K與MX無關，由儲柜柜體長度決定）。在n箱之前裝系統以裝箱重量以固定值210 kg運行，當裝箱系統裝箱數量為n時，修正算法介入，通過裝箱系統裝箱完成后的靜態稱重電子秤可知實際已裝煙葉質量Mn

此時儲柜底帶運動脈沖計數為Kn，由于儲柜的橫截面積是固定的故可計算出儲柜內單個脈沖值所代表的質量mk

所以，此時可預估出煙葉儲柜中該批次煙葉總質量

計算儲柜內剩余煙葉可裝箱數量N

為確保之后的裝箱重量不超過210 kg，對N進行上取整：「N？骎。

計算新的裝箱重量設值ms

當200≤（MX-Mn）≤210時，N取1，此時跳出裝箱重量動態修正程序。

3" 應用效果

3.1" 算法的實驗結果

為了驗證算法的有效性和優越性，我們在煙葉裝箱系統上進行了實驗，實驗環境、方法和數據如下。

1）實驗環境：我們使用了一臺煙葉裝箱機，其由煙葉儲柜、煙葉輸送裝置、煙葉稱重裝置和煙葉控制裝置等組成。我們使用了不同品種、不同質量的煙葉進行裝箱，每次裝箱20個箱子，每個箱子的目標重量為210 kg。

2）實驗方法：將算法與傳統的固定重量裝箱方法進行對比，分別記錄每個箱子的實際重量、平均重量、重量誤差和尾箱重量等指標，并計算各自的平均值和標準差。采用3種不同品種、不同質量的煙葉進行裝箱，分別為A、B和C，每種煙葉進行3次重復實驗，共計18次實驗。

3）實驗數據：各種煙葉的裝箱結果匯總見表1。從表中可以看出，算法在各種煙葉上都能達到較高的準確度和穩定性，每個箱子的重量誤差都在±1 kg以內，尾箱的重量都大于120 kg，而傳統方法則存在較大的重量誤差和尾箱不足的問題。

3.2" 算法的優點和不足

煙葉裝箱系統重量動態預測算法具有以下優點：

1）能夠適應煙葉裝箱系統的復雜性和變化性，根據前面煙箱的裝箱重量和脈沖數量，動態地計算出下一次裝入時所需的煙葉數量，提高了裝箱的準確度和穩定性。

2）能夠保證每個箱子的重量盡可能接近預設的目標重量，同時保證尾箱的重量大于120 kg，避免了重量誤差和尾箱不足的問題，提高了裝箱的效率和質量。

3）能夠簡化煙葉裝箱系統的控制邏輯，減少了人為干預和調整的次數，降低了裝箱的成本和風險。

煙葉裝箱系統重量動態預測算法也存在以下不足：

1）需要根據不同品種、不同質量的煙葉進行參數調整，增加了煙葉裝箱系統的軟件復雜度和運行時間。

2）需要收集大量的煙葉裝箱數據，建立高效的預測模型，增加了煙葉裝箱系統的數據處理和存儲需求。

針對以上不足，可以從以下方面進行改進和展望：

1）采用更加智能、自適應和通用的參數調整方法，使之能夠根據不同品種、不同質量的煙葉自動調整參數，減少人為干預和調整。

2）采用更加高效、準確和簡潔的預測模型，使之能夠根據少量的煙葉裝箱數據快速建立模型，減少數據處理和存儲需求。

4" 結論

本文針對煙葉裝箱系統重量動態預測問題，提出了一種基于非線性規劃的動態算法，能夠根據當前已裝入信息和預設的目標重量，動態地調整預測參數和策略，從而適應煙葉裝箱系統的復雜性和變化性。建立了煙葉裝箱系統重量動態預測算法的數學模型，分析了其變量、約束和目標函數，并給出了算法的求解方法和具體實現，以及算法的偽代碼或程序代碼。

本文通過實驗驗證了動態算法的有效性、優勢和不足，結果表明，動態算法具有較高的預測精度和實時性，能夠在有限的迭代次數內達到較小的誤差范圍，并且能夠及時響應煙葉裝箱系統的狀態變化。同時，動態算法也存在一些不足之處，例如需要依賴外部優化求解器或自行編寫優化算法來求解非線性規劃問題，這可能增加了算法的復雜度和運行時間；另外，算法的預測性能也受到煙葉裝箱系統參數和預測參數的影響，如果參數設置不合理，可能導致預測結果不準確或不穩定。

參考文獻：

[1] 馬林，羅國英.全面質量管理基本知識[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 孫海鑫，張魏群，梁爽，等.基于射頻識別（RFID）與傳感器的智能貨架系統[J].信息技術與信息化，2020（6）：201-202.

[3] 崔煒.試析RFID在煙草行業自動化物流系統中的運用[J].機電工程技術，2015，44（10）：74-76.

[4] 顏玫，蔡喆，文雅玫.湖南煙草商業信息化和工業化深度融合的探索與實踐[J].中國煙草學報，2015，21（2）：90-93.

[5] 王志勇，祝世敏.煙葉全程質量追溯系統設計與實現[J].電腦知識與技術，2014，10（24）：5779-5782.

Abstract： The tobacco baling system is an important equipment in the tobacco cutting process， and its weight prediction is of great significance for ensuring the quality and production efficiency of tobacco leaves. This paper proposes a weight prediction method based on a dynamic algorithm for the tobacco baling system， which comprehensively considers various factors such as the working principle and process of the tobacco baling system， environmental factors and interference factors， etc. A mathematical model of the weight dynamic prediction algorithm for the tobacco baling system is established， and an efficient solution method is adopted. This paper designs and implements the algorithm， and tests and evaluates it on actual production data. The results show that the algorithm has high prediction accuracy and stability， and can effectively improve the weight control level of the tobacco baling system， providing a new technical support for the tobacco cutting process.

第一作者簡介：肖然（1991-），男，助理工程師。研究方向為煙機設備原理。