配方打葉投料均勻性的精確控制應用研究

羅瑞林，查天，熊祥隆，黃劍海

（1.云南省煙草煙葉公司，云南 昆明 650500；2.昆明海光環保科技有限公司，云南 昆明 650500）

《煙草行業中長期科技發展規劃綱要》（2006-2020）中明確指出，保證打葉復烤過程中煙葉品質的一致性和質量穩定性是發展煙草特色工藝的優先主題之一。作為打葉復烤的前置環節，配方打葉可以弱化煙葉質量的地域差異性，提供外觀質量一致、內在品質協調的原料供給，實現煙草資源的有效利用［1］。目前，我國打葉復烤企業的配方模式主要有擺臺配方和儲柜配方兩種［2-3］，前者操作簡便，但容易受到人工因素的影響，配方煙葉的產品均質性不易得到精確控制；后者雖然在一定程度上能夠保障配方打葉的均勻度，但儲存時間長、占用場地多［4-5］。因此，開展配方打葉投料均勻性的精確控制應用研究，開發新型配方打葉投料系統，建立量化指標為質量控制主體的質量控制模式和體系，不僅能夠在現有基礎上進一步提高煙葉品質的均質性，同時這也緊密貼合 《綱要》對煙草行業提出的 “突出重點，持續創新”指導方針。

目前，國內針對配方打葉均勻性控制的研究已有諸多報道。2007年，劉冬梅等［6］從煙葉生產、收購、倉儲、品質及葉組配方等方面出發，提出了一種以煙葉主要化學成分為品質依據進行打葉復烤組合配方的計算機輔助系統構架方案。2011年，肖明禮等［7］提出鋪葉臺優化和貯葉柜協調應用有利于煙葉各項化學成分數據趨于平穩，保證葉組配方的內質穩定性。同年，吳昊等［8］將獨立配方單元與LED顯示相結合，大大提高了配方的精度，降低了工作人員的工作量。2013年，針對配方打葉計量參數傳統發布方式信息量小、傳遞滯后等缺點，敖偉智等［9］采用可編程邏輯控制器 （PLC）和智能移動終端構建配方打葉計量系統，實現了配方打葉計量參數的及時發布，有效提高了卷煙質檢效率，以保持合格穩定的產品質量。

不難看出，配方打葉系統的智能化改進是提高煙葉生產過程中產品均質化的一條有效途徑。本文針對云南某煙葉公司內的普通電子秤稱重—人工投料打葉模式，從煙葉投料的角度，研究了配方打葉鋪葉投料配比精度的控制方法，搭建了一種新型的配方打葉投料系統，以期為鋪葉投料不均衡、打葉配比不精準等難題提供有效的解決措施，同時為煙草加工行業的廣大同仁形成可借鑒推廣的均質化加工模式。

1 新型配方打葉投料系統設計

云南某煙葉公司的配方打葉模式為普通電子秤稱重——人工投料。即使在理想的煙葉原料 （單等級煙葉）前提下，這種投料方式也會因人為因素的影響，造成批次間的投料誤差，使得不同批次間成品片煙的化學成分、內在品質不一致［10］。因此，投料環節流量的均勻、穩定是打葉復烤加工質量均質化先決條件。若能從打葉復烤第一道工序控制好投料均衡配比，實現加工過程可靠、精準、可追溯管控，可以為整個煙葉加工過程提供穩定來料保障，達到確保最終成品質量穩定的目的。

1.1 系統設計原理

為了保證配方的精度，首先設備上要盡量保證流量的穩定。新型配方打葉投料系統的技術原理如圖1所示。采用多功能電子皮帶秤取代普通電子秤，引進完善的PLC控制單元，該單元能夠準確接收多功能電子皮帶秤的稱重信息及投料情況信息，及時地記錄相應信息，并在工位顯示屏上予以反饋顯示。多功能電子皮帶秤與擺把臺長皮帶之間采用延時控制，煙葉在每個多功能電子皮帶秤上按規定重量及配比進行稱重，當重量達標后，通過計算擺把臺長皮帶與多功能電子皮帶秤的速率，調整擺把臺長皮帶電機轉速和電子皮帶秤主動力滾筒頻率，精準地將煙葉投放到擺把臺長皮帶上，使得工位投放準確、穩定，保證各工位所投放煙葉重量及配比都在規定范圍之內，保障后續工藝的正常平穩生產，確保產品的優質化和均質化。

圖1 新型配方打葉系統技術原理示意圖

1.2 系統構成

新型配方打葉投料系統包含實時監控系統和配方比例糾偏模塊，如圖2所示。實時監控系統的核心組件為PLC，配方比例糾偏模塊的核心組件為多功能電子皮帶秤。除此之外，新型配方打葉投料系統還包含提示燈裝置，顯示器，連接線等組件。從功能的角度而言，PLC是新型配方打葉投料系統的中樞，多功能電子皮帶秤是執行元件，而指示燈裝置及顯示屏為信息反饋元件。以下將詳細介紹兩個新型配方打葉投料系統核心組件的工作原理。

圖2 新型配方打葉系統的構成

多功能電子皮帶秤具有稱重信息收集與傳輸、可被PLC控制，精準稱重，精準送料等功能。工人根據規定將煙葉擺放在多功能電子皮帶秤上，電子皮帶秤精確稱重后根據重量達標情況顯示不同的警示燈，當重量達標時，顯示綠色警示燈，通過延時控制功能，待工位到位，進行精確投料；當重量超出上下限值不達標將顯示紅色警示燈，并提示補料或減料。在紅色警示燈狀態下，當長皮帶相應的投料位到達時仍未調整重量到規定值，為降低對配比的影響，多功能電子皮帶秤依然進行投料，但投料超標信息將傳送給PLC控制中樞進行記錄，并在顯示屏上予以反饋提示，以便管理人員實時監控及追溯管理，如此可以減少因人為因素引發的多稱少稱，甚至錯過投料的情況，避免投料不均勻穩定，配比不精確的問題。

PLC控制系統可以將配比信息每個工位要求的每次投放等級和重量準確傳達到各工位處的電子皮帶秤并予以顯示，接收每一工位在生產運行中的稱重和投料信息，并予以記錄存檔，以便操作人員進行監督和管理以及后期的追蹤查檔問責管理。PLC能夠精準控制電子皮帶秤在稱重過程中送料皮帶的啟停功能，在電子皮帶秤上煙葉重量達標時控制啟動電子皮帶秤電機進行送料，當重量不在合格區間時系統數據顯示警示信息，對超限值投料情況進行自動記錄和提示，可統計任意時間段任意工位投料情況，形成加工過程全時間段的數據統計，便于現場操作管理員及時分析調整，有效促進擺把臺管理工作。

兩個模塊相互集成，構成了智能化的新型配方打葉投料控制系統，能夠做到每批次每工位稱重及投料煙葉重量準確及時，實現投料流量的穩定及配方打葉配比的精確，杜絕人為因素造成的多稱少稱和不稱不投等特殊情況，有效地監管鋪葉擺把臺的運行狀態，做到實時控制和溯源追責、強化精細管理，解決了目前稱重不準、配比不精確以及不便實時管理的難題，保證了生產線投料流量的穩定和均質，為提升產品質量提供穩定的支持。

經過多輪討論、實驗，新型配方打葉投料系統中核心組件分別選定為：西門子S-1500型PLC，臺柯YHS型電子秤，所搭建的新型配方打葉投料系統如圖3所示。

圖3 新型配方打葉投料系統現場示意圖

2 結果與分析

2.1 投料比例誤差

為了說明新型配方打葉投料系統的先進性，本文隨機選取云南某煙草公司2018年9月11日至2019年3月26日期間采用普通電子秤——人工投料方式的38個煙葉加工批次作為對比樣本。隨機選取2019年10月29日至2020年2月28日期間采用新型配方打葉投料系統的38個煙葉加工批次作為試驗樣本，以投料比例誤差為分析對象，以1.5%為投料比例誤差的控制目標。

新型配方打葉投料系統應用前后投料比例絕對誤差對比如圖4所示。可以看出，配方投料比例平均誤差由普通電子秤稱重——人工投料的1.37%降低至新型配方打葉投料系統的0.83%，配方投料比例最大誤差由普通電子秤稱重——人工投料的2.79%降到了新型配方打葉投料系統的1.27%。前者的降幅達到39.4%，后者的降幅達到54.9%，成功地達到了預期的目標。而且，采用新型配方打葉投料系統以后，各煙葉加工批次的投料比例誤差波動程度明顯的變緩。這表明新型配方打葉投料系統顯著提高了煙葉投料流量的穩定性和準確度，為后續卷煙產品的均質化提供了基礎。

圖4 新型配方打葉投料系統應用前后投料比例誤差對比圖

此外，采用新型配方打葉投料系統以后，根據配方可以增加各工位每次擺把的重量。也就是說，通過整合轉運原煙至待稱重區、人工稱重兩個環節為搬運原煙至多功能電子皮帶秤，在滿足配方需求的同時可以減少各工位操作人員的數量。每個工位可以由新型配方打葉投料系統應用前的4人減至應用后的3人。按生產線有48個工位、人均日工資126元、月均工作時間26天計，則所需人員可以由新型配方打葉投料系統應用前的192人減至應用后的144人。根據公式 （1）可得，單一生產線每烤季 （8個月）可節約人工成本125.8萬元，所節省的人工成本極為可觀。

2.2 煙堿變異系數

煙堿含量是表征煙葉風格特征極為重要的因素之一［11］。以云南某煙草公司2019年9月5日至2019年10月31日采用普通電子秤——人工投料方式的27個批次作為對比樣本，以2019年11月1日至2020年3月10日采用新型配方打葉投料系統的27個批次作為試驗樣本，分別檢測對比樣本、試驗樣本的煙堿變異系數，其散度分布和平均值分別如圖5、圖6所示。可以看出，新型配方打葉投料系統應用前后，煙草的煙堿變異系數均有一定的起伏。總體來看，兩組樣本的煙堿變異系數均小于5%，這滿足中煙辦 ［2016］127號文件明確提出的要求：重點品牌原料均質化復烤加工的成品煙堿變異系數須穩定控制在5%以內。對比樣本、試驗樣本的煙堿變異系數最大值分別為2.9%、1.19%，兩組樣本的煙堿變異系數的平均值分別為4.34%、3.41%。這表明對配方打葉投料方式進行智能化改造之后，成品片煙批次間的煙堿變異系數整體下降了21.4%，煙堿波動幅度減緩，即煙堿含量更均勻，煙葉質量更穩定。

圖5 新型配方打葉投料系統應用前后煙堿變異系數對比圖

圖6 新型配方打葉投料系統應用前后煙堿變異系數平均值對比圖

3 結論

1）針對云南某煙草公司現有的普通電子秤——人工投料的配方打葉投料模式，從煙葉投料的角度出發，采用多功能電子皮帶秤與PLC集成的方式，構建了一種新型的配方打葉投料系統。

2）新型配方打葉投料系統顯著提高了煙葉投料流量的穩定性和準確度，與常規的投料方式相比，可以使配方投料比例平均誤差降低39.4%，同時能夠節省極為可觀的人工成本。

3）以煙堿變異系數為分析對象時，新型配方打葉投料系統使成品片煙批次間的煙堿變異系數整體下降了21.4%，煙堿波動幅度減緩。結合結論2），所建立的新型配方打葉投料系統可以實現配方打葉投料均勻性的精確控制。