SP32膨絲回潮機加濕工藝優化及過程能力分析

李永進，成清校，羅興黔

(1.貴州中煙工業有限責任公司貴定卷煙廠，貴州 貴定551300；2.北京航天試驗技術研究所，北京100074)

SP32煙絲膨脹工藝技術首次結合低壓浸漬技術和單管大功率微波技術，利用微波加熱技術的高效率、無污染、對煙絲中致香成分影響較小的特點，使煙絲中的膨脹介質快速汽化溢出，實現了煙絲的有效膨脹，并且很好地保留了煙絲的致香成分，提升了膨脹煙絲的品質和感官質量，這為煙草行業膨脹煙絲的生產開辟了新的途徑。

而對SP32膨脹煙絲而言，其含水率是一項重要的質量指標，對后續的煙草加工非常重要，也會影響到最終產品的抽吸體驗。由于經微波加熱后，膨脹煙絲的含水率只有6%左右，因此須通過回潮加濕以平衡水分、增加韌性，達到成品膨絲技術要求，并減少后續摻兌及卷接工藝中的造碎，提高煙絲的利用率。SP32煙絲膨脹工藝要求膨絲含水率達到(12.5±0.5)%。

現有SP32膨脹煙絲回潮機采用飽和蒸汽加純水經混合噴嘴噴射方式對膨脹煙絲進行水分調整，以回潮機出口煙絲水分作為控制依據，通過控制器調節磁力泵的加水量，而蒸汽加注量則為手動調節，實際生產中膨絲水分波動較大，影響了膨脹煙絲的質量一致性。因此，須對回潮機的加濕工藝進行改進，提高回潮精度和水分穩定性，從而提高膨脹煙絲的質量。

1 SP32膨絲回潮工藝分析

相比卷煙制絲生產中的煙絲回潮與打葉復烤中的煙葉回潮，SP32膨脹煙絲回潮與二者工藝狀況差距較大。分析主要不同點如下：

一是由于膨脹煙絲在卷煙配方中的摻兌比例一般不高于20%，因而其生產流量小，回潮過程的加水量小，不足制絲線片煙回潮機加水量的3%[1]。

二是因煙絲經微波加熱膨脹后進入回潮機的煙絲水分較干，需要較長時間的回潮才能回潮均勻。由于水分采集設備只能安裝在回潮機的出口，而煙絲從進入回潮機到出回潮機需要120秒左右，因此回潮過程中對控制系統來說純延時較大，對控制精度影響很大[2]。

三是在制絲生產線上的回潮機還有熱風循環系統，對其內部的原料是一種軟化和攪動，有利于水分的滲入致使回潮均勻，而SP32系統回潮機因基于減少攪動以避免造碎的考慮，因而沒有熱風系統。

綜上分析并結合實際運行發現，SP32回潮機的加濕能力和水分控制穩定性存在不足，需要對回潮機的加濕工藝進行改進和優化，使回潮機的回潮能力和水分控制穩定性得到提升，生產中可自動適應廠區內蒸汽含水率變化及出料口煙絲水分變化，達到提高煙絲質量，提升設備自動化程度，提高設備廠區環境適應能力，降低不合格膨絲數量的目的。

2 工藝技術改進

回潮機總體技術改進方案為：用自來水冷卻廠區蒸汽，制造高含水率不飽和蒸汽，系統控制器同時采集回潮前后水分數據，對來料水分趨勢進行預判，同時反饋出口水分數據，通過蒸汽調節閥及冷水水流量調節閥控制回潮加水量，實現回潮水分的閉環控制，提高設備回潮能力和控制精度。水分控制過程如圖1所示。

圖1 改造后水分控制示意圖

改進內容具體表現為以下幾個方面：

(1)將原有的純水加蒸汽經混合噴嘴噴射方式改為加不飽和蒸汽的方式，以滿足較小加水狀況下的加水量控制。

(2)通過控制蒸汽換熱器的冷卻水流量實現對蒸汽不飽和度的控制。

(3)飽和蒸汽加不飽和蒸汽的總出口由控制器對薩姆森調節閥的開度控制實現。

(4)控制系統的算法采用PID控制算法，現場整定參數。

2.1 回潮蒸汽管路改進

回潮機工作蒸汽分兩路(如圖2所示)，一路為廠區飽和蒸汽，經分汽缸后由截止閥手動控制至蒸汽控制閥，為回潮機提供基礎蒸汽；另一路為不飽和蒸汽，廠區飽和蒸汽經分汽缸后通過冷卻水套進行換熱，降低蒸汽溫度，提高蒸汽的含水率，不飽和蒸汽流量由薩姆森調節閥控制，而后與飽和蒸汽匯合，由蒸汽控制閥控制流量，并最終通至回潮機內蒸汽噴嘴，對煙絲進行回潮工作。

圖2 回潮機管路系統

煙絲回潮加水量的控制主要是通過控制兩個參數實現。一是上述不飽和蒸汽的流量，由薩姆森調節閥控制，直接采用出口煙絲水分通過PID反饋算法控制調節閥開度。另一個是控制不飽和蒸汽的含水率，不飽和蒸汽的含水率在設備運行過程中是逐漸變化的，通過實踐發現，當設備充分預熱、各管路全部達到穩定溫度后，蒸汽含水率減少，造成薩姆森調節閥長期運行在100%開度而煙絲的含水率仍然無法提高，另外在蒸汽壓力發生變化時，蒸汽的含水率也會發生變化。含水率的控制是通過控制冷卻水套中冷卻水流量實現的，由于蒸汽含水率無法直接測量，在運行中主要體現在含水率降低，調節閥開度至上限。因此，可根據薩姆森調節閥的開度間接控制水套的冷卻水流量，這樣使得蒸汽調節閥運行在合理的范圍內，保證對煙絲水分具有充分的調整能力。

冷卻水套冷卻水流量通過電動比例調節閥控制，調節閥開度可控，通過調節閥門的開度來改變夾套內自來水的流量，從而影響夾套內的換熱量，最終改變噴淋蒸汽的含水率，以達到調節煙絲水分的目的，回潮蒸汽管路改進行實施如圖3所示。

圖3 回潮機管路施工

2.2 回潮控制系統優化

控制系統采用西門子1200型PLC，與電動比例調節閥及薩姆森調節閥，通過Profibus PA網絡進行通信控制。電動比例調節閥通過調節蒸汽換熱器(水套)冷卻水流量控制蒸汽的不飽和度；薩姆森調節閥則控制進入回潮筒的總和蒸汽量。作為反饋數據的水分儀采用NDC710型紅外水分儀，該儀器針對煙草行業有專用的調試軟件和參數設定，是煙草行業應用較廣泛，實踐證明精度較高、滿足煙草行業需要的一種水分儀[3]。

系統軟件設計充分考慮回潮機這個被控對象大滯后的特點，設計了PID控制算法和大林控制算法。另外，充分利用回潮機前端水分儀數據，考慮了帶有前饋的控制算法，在算法方面充分提高回潮機的控制精度。優化數據反饋機制，依靠回潮前入口水分、回潮后出口煙絲水分及廠區蒸汽壓力變化等多個數據作為回潮機閥門自動調節的數據反饋，提高出口煙絲水分穩定性，減少波動。通過制定電動比例調節閥與薩姆森調節閥聯動之間的關系，通過平衡兩個閥門開度的關系，保持出口煙絲水分在設定值內小幅度波動。

在控制煙絲的回潮時間上，通過控制回潮機筒體轉速實現。保證膨脹煙絲在濕熱環境中的停留時間，有利于控制煙絲的含水率和水分的充分均勻滲透，使得煙絲在后續的儲絲水分平衡工藝過程中不至于過度損失水分，保證膨脹煙絲含水率的真實性和有效性，回潮控制畫面如圖4所示。

圖4 回潮機控制畫面

3 回潮機過程能力分析

3.1 過程能力指數

過程能力指數是指過程能力滿足產品質量標準要求的程度，一般記為CPK。也稱工序能力指數，是指工序在一定時間里，處于控制狀態(穩定狀態)下的實際加工能力。它是工序固有的能力。過程能力指數的值越大，表明產品的離散程度相對于技術標準的公差范圍越小，因而過程能力就越高；反之，則過程能力就越低。因此，可以從過程能力指數的數值大小來判斷能力的高低。但過程能力指數值并非越大越好，需從經濟性和質量兩方面的要求綜合判斷，因此，過程能力指數應該在一個適當的范圍內取值[4]。

為檢驗SP32回潮機工藝改進后的工序能力，開展了正式煙絲的生產調試工作，并對膨絲回潮水分進行數據采集，以便分析其過程能力是否達到要求。CPK的評級標準一般如表1。

表1 CPK值評級標準

3.2 過程能力分析

SP32回潮機的工序過程能力分析，采用一個批次煙絲進行生產調試。一個批次生產膨脹煙絲量為300kg，工藝時間約50分鐘。由于檢驗回潮機的過程能力為調試過程，而非正常的連續生產過程，因此需去除回潮機工作開始和結束前的料頭料尾過程，取中間穩定段膨脹煙絲水分數據來計算回潮工序的過程能力值。中間段工藝時間為45分鐘，膨脹煙絲回潮后水分數據采集為30秒/次，獲取數據量為90個，如表2所示。

SP32膨脹煙絲水分指標要求為：含水率12.5%，允差±0.5%，標準偏差0.17%。

依據表2及圖5，計算回潮工序的過程能力指數如下：

表2 膨脹煙絲水分取樣值

圖5 調試生產過程及膨絲水分曲線

樣本平均值：

標準偏差：

允差范圍：

CPU值：

CPL值：

CPK值：

從計算結果看，經工藝優化后的回潮機回潮工序過程能力指數CPK值為1.457，對照表1，該工序處于A級水平，膨脹煙絲的含水率、含水率標準偏差值均符合技術指標要求，說明回潮過程能力充分，應當保持。因此，此次蒸汽加濕工藝改進是成功的。

4 結論

本文根據在實踐中遇到的技術問題，針對SP32膨絲回潮機的工作特點，通過改進蒸汽加水方式和系統控制算法，提高了水分的控制精度，通過調試生產并采集數據分析，回潮機工序過程能力指數達到1.457，能力充分，滿足了SP32膨脹煙絲回潮的使用需求。

通過研究，得出以下主要結論：

(1)SP32煙絲膨脹系統回潮機工序過程所需加水量小，不宜采用純水加蒸汽混合噴射的方式加濕回潮膨脹煙絲。采用調整不飽和蒸汽含水率的加濕方式能夠滿足回潮需求。

(2)經過加濕工藝優化，SP32回潮機的自動化水平顯著提高，可自動適應廠區蒸汽壓力的突然波動或變化，回潮過程膨脹煙絲水分控制精確、穩定，可有效降低水分不合格煙絲的產生量，提高膨脹煙絲的合格率，降低煙絲的消耗成本。

(3)本文所述的膨脹煙絲回潮加濕方法也適用于其他所需加水量小的類似場合，具有一定的參考意義。