縮短煙草加料機非穩態時間的技術措施

白延洪，高 強，杜 峰，楊 興

（陜西中煙工業有限責任公司延安卷煙廠，陜西延安 716000）

0 引言

近年來，隨著卷煙生產企業打造精細化加工，實現柔性化、均質化的生產需要，生產過程質量指標的穩定成為生產管理上水平的重要手段，受到煙廠質量體系建設工作的高度重視。煙草用加料機是通過定量喂料裝置及皮帶秤等附連設備將松散后的煙葉輸送至加料機滾筒內，通過4 臺變頻驅動電機對滾筒傳輸動力，使滾筒進行旋轉。從設備外側來看，滾筒具有一定的軸向傾角，同時在筒內各撥料桿、導流板的疏導作用下，使得葉片在慣性和重力的作用下向出口方向輸送。葉片進入滾筒1/3處時，增濕水在飽和蒸汽的引射霧化下，由雙介質增濕噴嘴噴出，糖料通過壓縮空氣引射形成微小顆粒，同樣由雙介質料液噴嘴噴出，上述兩種霧化后的介質施加至煙葉上后，達到提高煙葉水分、溫度和改善煙葉吸味的目的。

增濕水的加注量是由現場西門子PLC 內的程序塊進行控制的。通過入口的喂料機、限量管及電子皮帶秤將物料瞬時流量、出口水分工藝要素的設定值，通過西門子工業以太網將實際測量值寫入PLC 內的指定程序塊，計算得出理論加水量，利用增濕水泵電機運行速度變頻可調功能，根據加水質量流量計檢測值實時調整泵電機的運行頻率，從而達到加水流量可調、可控的目的。

非穩態時間是指生產過程中工序的質量指標，如含水率、溫度，超出指標期望范圍或處于非穩定生產狀態，如料頭、料尾、斷料及數據異常等，持續時間的綜合。本文根據西門子PLC可編程控制器的可靠、易操作及靈活等特點，通過簡單的加減算法和賦值語句來完成料頭水分快速達標的工藝控制任務。

1 縮短料頭非穩態時間的意義

當前我國經濟已由高速增長轉向高質量發展階段，制造業高質量發展是國家經濟高質量發展的基礎與關鍵，也是我國邁入工業化新階段的必由之路。以“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念為引領，以提高制造業供給體系質量、更好滿足消費升級需求為目標，以提高效率效益為根本要求，以創新為根本動力，優質高效、平衡協調和可持續的發展，實現制造業由“規模擴張”轉向“質效提升”，應該脫落傳統制造的運行、生產模式，必須向服務型制造、環保制造甚至智能制造等新模式，實現提升現代產業體系，擺脫傳統產業體系。制造企業特別是傳統制造企業要搶抓新一輪科技革命和產業變革的戰略機遇，以深化供給側結構性改革為主線，逐步提升網絡化、數字化、智能化等前沿技術在各個制造領域和環節的應用推廣，推動制造業發展變革，全面提升中國制造業發展質量和水平。

作為我國實體經濟重要組成部分之一的煙草行業，認真貫徹落實習近平新時代中國特色社會主義經濟思想，立足行業實際，全力推進高質量發展。煙草行業著眼于實現資源充分合理配置和效率最大化，堅持實施卷煙營銷市場化取向改革，逐步形成“1+6+2”高質量發展政策體系，進一步明確了全面實施創新驅動發展戰略的思路，提出了建設覆蓋行業、統籌管理的生產經營管控一體化平臺，以持續提升科技創新硬實力、軟實力、支撐力，推動工藝技術突破、資源共享。隨著各項技術、設備、原材料的不斷更新，卷煙企業對質量相應的管理方法和控制優化手段也在逐步完善和創新發展。為了深化過程控制和穩定產品質量，《卷煙工藝規范》提出了“三個轉變”，即：控制指標向控制參數轉變、人工控制經驗決策向自動控制科學決策轉變、結果控制向過程控制轉變，這為卷煙廠在挖掘原料（數據）使用價值、強化質量成本控制、注重加工條件保障、深化過程控制、加強工藝質量風險評估和控制等方面指明了原則和要點。

《卷煙工藝規范》定義非穩態時間為“生產過程中工序質量指標超出指標期望范圍或處于非穩態生產狀態持續的時間”。落實在加料機控制要求，應該分為料頭水分從8%至標準下限所用時間與料尾水分從標準下限至8%所用時間的和需小于等于180 s。以每小時5200 kg 物料來計算，該主機設備每秒將通過物料1.44 kg，180 s 內將通過物料約260 kg，非穩態時間每縮短1 s，即可提供1.44 kg 的合格物料。對于工廠質量上水平、產品上水平有著重要意義。

2 現狀調查及分析

為使生產方式從傳統依靠人的經驗，逐步實現數據驅動、模型預測、協同優化的智能化轉變，從本質上提升生產過程的智能化水平，現代科學技術通過工業大數據分析、人工智能建模、云計算、邊緣計算等前沿技術正在為煙草行業帶來革命性的變革。在實現體系化技術能力跨越的過程中，需要逐步引入、應用、消化這些前沿的技術，并內化成為企業核心的制造能力。

一直以來，PID 作為傳統的自動化控制器，以其實現簡單、控制有效的特性被廣泛應用于工業中的控制問題。然而在煙草制絲工藝中，一些關鍵工藝具有高度非線性和大滯后的特性。例如，在一般的烘絲工藝中，在烘絲之前，首先需要檢測瞬時流量和入口水分，煙絲才進入滾筒，在滾筒中運行很長一段時間，煙絲出筒時再檢測出口水分。在這個過程中滯后現象非常嚴重。當檢測到的出口水分超標時，再做出補償控制，已經滯后了相當長的一段時間，而此時已不能再對滾筒內的煙絲做出合理有效的控制。

為了解決制絲工藝中的高度非線性和大滯后的問題，國內采用一些先進控制方法代替傳統PID 控制器，例如預測控制、無模型自適應控制、基于組合積分控制器的雙重控制等。胡宇航、何毅等將烘絲過程水分控制相關數據看作多元時間序列，應用多元時間序列分析方法建模預測，并且在傳統線性的ARX（Auto-Regression with Exogenous）模型基礎上做了一些改進，使其能更好的適應非線性系統情形。他們用烘絲過程的歷史數據進行建模，最終得到0.05 的預測殘差絕對平均偏差以及0.07的標準偏差值，說明該方法的預測效果相對較為理想。倪瀟、汪文斌等提出用組合積分控制器來替代傳統PID 控制器，同時引入雙重控制與組合積分控制器相結合。他們對基于組合積分控制器的雙重控制與傳統PID 雙重控制以及預測PI 控制器的雙重控制進行了仿真對比實驗，發現在煙草烘絲過程中，組合積分控制器在性能上不僅大大優于傳統PID 控制器，相比預測PI 控制器也更具優勢。

從工廠角度出發，結合上述技術手段的特點和功能，應該努力逐步實現制絲關鍵工序關鍵工藝指標的智能化精準控制和質量提升的目標。在實際現場對葉片加工過程中根據各影響因素，進行分析總結，實時預測工藝指標值，給出松散回潮出口水分加水系數的控制設定值，實現制絲關鍵工序的關鍵工藝指標智能控制，進而提高整體控制穩定性和精確性。

2020 年10 月在公司的大力支持下新加料機安裝就位，設備運行穩定性和各項保障工藝技術措施的功能上均有大幅提升，但新加料機的料頭非穩態時間一直存在波動，時有超出時間范圍的現象。從2021 年1～6 月每月初10 批次統計數據可以看出自產牌號A，共計60 批次，超出批次有25 批，造成工廠穩定性評價得分略低。結合日常維修經驗總結非穩態超出工藝要求范圍的主要原因有：

（1）在加料機開始生產時，操作工人工在系統內輸入加水系數設定值時不及時、不準確，可能會造成出口水分不能快速到達工藝設定要求。

（2）加料機料尾時，滾筒的快速倒料功能接入時機不及時，造成料尾物料稀疏不能集中通過，延長了尾料通過時間。

3 解決措施

在前250 kg 物料通過時，增加加水系數修正功能，通過給定不同加水系數的數值，來控制純凈水的加入量，從而改變物料出料水分。通過論證分析，對料頭通過的物料模擬劃分為3 個階段，分別為：

（1）第1 階段，皮帶秤有料開始的20 s 內，通過西門子PLC的乘實數MUL_R 語句，實現實際加水系數為畫面系數的1.1 倍功能。

（2）第2 階段，皮帶秤有料后的20～60 s，加水系數為畫面系數的1.08 倍。

（3）第3 階段，皮帶秤有料后60～90 s，加水系數為畫面系數的1.05 倍。非上述階段時，按照畫面所給加水系數直接參與控制，如圖1 所示。

圖1 加水系數修正程序

料尾時，優化物料檢測延時，由皮帶秤無料30 s 進入高速倒料環節，調整為皮帶秤無料20 s 進入高速倒料，倒料延時120 s 或者皮帶秤檢測到來料5 s后結束高速倒料狀態，如圖2 所示。

圖2 料尾控制程序

4 效果驗證

通過優化加料機料頭控制模式，實現梯度加水功能，以及修改料尾快速倒料介入時機，從7 月份統計數據看出，非穩態時間（t1+t2）均在2 min+43 s 以內，完全滿足工藝管控要求（圖3）。

圖3 加料機非穩態時間統計