松散回潮機智能單機系統的研究與應用

趙 新 趙忠帥 張 琪 聶金寧

（山東中煙工業有限責任公司青州卷煙廠，青州 262500）

1 項目立項的背景及現狀

1.1 項目背景

松散回潮作為卷煙生產加工的首道核心工序，其工藝任務是增加葉片的含水率和溫度，提高煙片耐加工性，使煙片均勻、松散，并改善感官質量，滿足后續制絲工藝要求。含水率是影響煙絲填充能力和卷制過程造碎率的關鍵指標，對煙支的質量、吸阻、硬度及燃吸品質和煙氣化學成分等都有影響。不同的加水比例下，松散回潮的出口煙片含水率不同。它的穩定性對后續各工序工藝指標有著直接影響，因此松散回潮的出口水分的穩定控制尤為重要[1]。

1.2 項目現狀

1.2.1 出口水分波動

出口水分受來料物理特性、蒸汽質量、環境溫濕度等因素影響，無法實現精準控制，普遍存在波動較大、批次間不一致等現象。

1.2.2 人為經驗依賴

生產中需通過人工改變加水流量設定值來調節出口水分。出口水分僅作為人工調節的參考數據，不參與自動控制。

1.2.3 來料性質不穩定

來料差異性較大，不同煙包的煙片顏色、外觀、吸水性等質量特性影響水分儀的檢測結果，且水分儀檢測的是表面水分。

1.2.4 系統控制延時

加水點與控制點之間的距離較長，屬于大時滯系統。調整加水量后，通常要經過3～5 min才能產生影響。

2 松散回潮機智能單機系統的研究

2.1 設計思路

在現有設備的基礎上加裝關鍵感知及提升器件，可為智能控制提供前置的必要條件?；凇皺C理+數據驅動”模式進行數學建模，設計基于模型的智能控制算法，可實現回潮過程的綜合最優化和自動化，提升自控水平和產品質量。發揮主機廠優勢，針對設備建立全面的專家知識體系，通過與管理端的信息融合和便捷交互設計，可提升業務人員運維的查詢、處理速度，提高工作效率。將設備的監視與控制全面三維可視化設計，可充分發揮三維可視化在交互方面的優勢，形成集精準狀態感知、可視化信息查詢、數據透視于一體的綜合性和智能化管控平臺[2]。

2.2 總體設計方案

回潮機智能單機系統分為設備控制層和信息處理層兩個層次。

設備控制層主要由設備感知元器件、智能控制器及現場人機交互（Human Machine Interaction，HMI）組成。本項目盡可能配置帶有DP/PA（Decentralized Periphery/Process Automation）通信協議的傳感器、執行器件，各種網絡接線配置原廠網絡接頭、PA網絡T形轉接頭和終端電阻，以保障數據通信的穩定安全。

信息處理層主要由智能算法分析系統和三維可視化運營系統構成。智能算法分析系統主要由算法服務器、數據采集軟件以及時序數據庫組成，主要功能為采集設備的運行數據進行智能分析，實現控制模型的優化及算法迭代等?？梢暬\營系統主要由管理服務器、關系數據庫、時序數據庫、OPC軟件和以太網網絡器件組成，主要功能為形成基于三維可視化的設備監、控、管一體化信息處理平臺。所有的數據收集、分析、統計、存儲，設備的人機交互監控，設備對外信息交換等，均由此系統完成[3]。

3 松散回潮機智能單機系統的應用

如圖1所示，智能單機系統的總體結構以數字孿生和智能處理中樞為載體，輻射智能控制、設備數字化、三維實景化、專家知識庫、設備控制交互及對外數據交互等具體功能模塊。

3.1 智能控制

基于機器視覺技術判斷來料的特性信息，增加溫濕度傳感器感知環境信息，綜合分析影響松散回潮關鍵指標特性的因子，利用先進的智能算法建立智能控制模型，實現對松散回潮機工藝過程的智能化控制。

3.2 智能自檢

基于現場實際情況的開機自檢功能包括靜態自檢（檢測關鍵器件狀態、網絡狀態等）和動態自檢（儀表數值是否準確、執行機構是否到位等）兩種，如圖2所示。

3.3 三維實景化

基于設備實體和設計模型進行三維可視化實景設計，可充分發揮其在三維可視化交互方面的優勢，建設全新的三維智能監視管控體系，通過豐富監管手段提升設備的運營效率。它的主要功能涵蓋基礎權限管理、用戶應用場景、三維模型、實景動畫、運維顯示、信息推送、控制人機交互界面以及三維拆裝動畫等。

3.4 系統日志管理

日志類型分為管理系統日志和監控系統日志。管理系統日志包括業務操作日志、安全審計日志、安全管理日志和系統管理日志。以業務操作日志為例，它的展示內容主要包括登錄名、用戶部門、登錄計算機網際互連協議（Internet Protocol，IP）、操作內容以及操作時間等信息，并可滿足多條件查詢。監控系統日志主要包括工藝段、操作變量、操作變量更改前后數值、操作員、操作PC機名以及操作時間等信息[4]。

4 松散回潮機智能單機系統的實施效果及推廣價值

4.1 實施效果

項目通過對現有制絲線上松散回潮機控制系統進行智能化改造，實現生產過程的去人工化和工藝控制的智能化，建立三維實景化監控體系，并開發配套的智能運營系統，最終減少人工對生產的影響，減輕勞動強度，提高生產和運維工作效率，改進產品質量，提高制絲車間生產智能化水平。

2021年第一季度生產加工36個批次，其中有28個實驗批次采用智能控制模式，分別統計并比較非實驗批次和實驗批次的質量指標平均值。結果顯示實驗批次的質量指標均優于非實驗批次，且料頭料尾的出口含水率更加平穩。出料含水率精度允差±1.0%（設備具備實現水分精度1.0%的硬件條件，由設備、電控系統以及利舊流量控制設備聯合保證水分精度；來料流量均勻穩定，流量變異系數不大于0.25%，來料含水率允差±1.5%，含水率標準偏差≤0.5%時，以水分儀的檢測數據為依據），出口含水率標準偏差≤0.3%（來料流量均勻穩定，在流量變異系數不大于0.25%、來料含水率允差±1.5%、含水率標準偏差≤0.5%時，以水分儀的檢測數據為依據）[5]。

4.2 推廣價值

松散回潮機智能單機系統減少了松散回潮出口水分的波動，提升了松散回潮工藝質量控制的穩定性與精確性。實現全自動化的松散回潮出口水分智能控制，可減少對人為經驗的依賴，縮小不同操作人員的經驗帶來的差異?？梢?，工業智能技術在煙草行業的業務場景下的融合應用，可為未來煙草行業的智能化轉型奠定基礎。