提高梗絲氣流干燥出口水分穩(wěn)定性的研究

關(guān)鍵詞：梗絲；氣流干燥；水分穩(wěn)定性；優(yōu)化

中圖分類號：TS452 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0030-05

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.008

0 引言

梗絲氣流干燥是制梗絲工藝中對梗絲水分進行控制的關(guān)鍵工序[i-，其工藝任務(wù)是去除梗絲中的部分水分，提高梗絲的彈性、填充能力和燃燒性[3]。在實際生產(chǎn)中，梗絲氣流干燥的出口水分容易出現(xiàn)波動，導(dǎo)致干燥后的梗絲水分合格率降低，這種情況還將影響后續(xù)工序的物料水分穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致成品梗絲的質(zhì)量降低[4-5]。為此，行業(yè)內(nèi)對梗絲氣流干燥出口水分的穩(wěn)定性開展了廣泛研究。如王享譽等設(shè)計了一套喂料流量穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提升電子皮帶秤頻率的穩(wěn)定性，以期提高烘梗絲喂料流量的穩(wěn)定性；金曉亮等在進料口設(shè)計一套拋料裝置，利用波紋型板材達到均料效果，使梗絲無法形成結(jié)塊，提高水分的穩(wěn)定性；余佑輝等8研制出一種烘梗絲機風(fēng)門自動調(diào)節(jié)裝置，對設(shè)備性能進行改進與創(chuàng)新，達到穩(wěn)定梗絲水分和提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的；靳松等設(shè)計了倒錐管式梗絲干燥系統(tǒng)，以期縮短干燥路徑，降低干燥風(fēng)速，提高梗絲物料的水分均勻性；袁書豪[10]針對梗絲干燥出口含水率波動較大的問題，提出對烘干一區(qū)、二區(qū)熱風(fēng)采用級聯(lián)型PID控制的模式，以提高過程控制能力；任志軍[1]和他的團隊針對烘梗絲過程中存在的不確定性、非線性和大滯后等問題，提出了一種融合模糊控制與PID控制的綜合控制策略。在這些研究中，相關(guān)人員對設(shè)備或控制策略的單一方面進行了升級或針對性優(yōu)化，而缺乏整體的研究改進，因此梗絲氣流干燥出口水分的波動情況有所改善，但效果并不顯著。鑒于此，本研究在梳理梗絲氣流干燥工藝流程的基礎(chǔ)上，從設(shè)備改善和控制模式優(yōu)化兩個方面對梗絲干燥過程中的關(guān)鍵點進行系統(tǒng)改進，以期達到提高梗絲氣流干燥出口水分穩(wěn)定性的目的，進而提升工藝控制水平，提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。

1 問題分析

1.1梗絲氣流干燥原理

目前，梗絲氣流干燥通常采用SH23A型梗絲低速氣流干燥機，其結(jié)構(gòu)主要由閃蒸膨化裝置、進料氣鎖、進料管道、檢修平臺、干燥管、氣料分離裝置、旋風(fēng)除塵器、回風(fēng)管道、循環(huán)風(fēng)機、排潮及冷熱風(fēng)分配管道、熱風(fēng)爐、冷熱風(fēng)混合箱、蒸汽加熱器、電控柜以及水、氣、汽管路系統(tǒng)等組成[12]，如圖1所示。

梗絲經(jīng)加料回潮機回潮后進入喂料柜，然后通過提升機進入限量管，由限量管上的光電管配合電子皮帶秤實現(xiàn)對物料流量的控制，流量穩(wěn)定的梗絲由進料振槽均勻地送入進料氣鎖，經(jīng)氣鎖落下的梗絲由飽和蒸汽吹入文氏管，梗絲與蒸汽進行充分迅速的熱交換，得以迅速膨化。膨化后的梗絲通過汽料分離器進入干燥進料氣鎖，當(dāng)梗絲達到干燥管后，受到從底部向上吹送的熱風(fēng)的力，便能飄浮起來并向上移動。在干燥過程中，主要通過混合風(fēng)對梗絲進行干燥，其過程如下：循環(huán)風(fēng)機出口處對接排潮及冷熱

1一閃蒸膨化裝置；2一進料氣鎖；3—進料管道；4—檢修平臺；

5—干燥管；6—氣料分離裝置；7一旋風(fēng)除塵器；8一回風(fēng)管道；

9—循環(huán)風(fēng)機；10—排潮及冷熱風(fēng)分配管道；11—熱風(fēng)爐；

12—排潮風(fēng)機；13—冷熱風(fēng)混合箱；14—排尾氣風(fēng)機；

15一水氣汽控制柜。

風(fēng)分配管道，經(jīng)過排潮后的風(fēng)，一部分進入熱風(fēng)爐進行加熱，另一部分通過旁風(fēng)管直接進入混合箱；在混合箱里，經(jīng)過熱風(fēng)爐加熱的風(fēng)和直接通過旁風(fēng)管進來的風(fēng)進行充分混合后進入進料管道，同時，濕物料經(jīng)過閃蒸膨化裝置通過干燥進料氣鎖落入進料管道，在熱風(fēng)的帶動下進入干燥管；干燥后，物料和熱風(fēng)一起進入氣料分離裝置，物料通過出料氣鎖排出，熱風(fēng)進入旋風(fēng)除塵器；除塵后的熱風(fēng)通過回風(fēng)管回到循環(huán)風(fēng)機，構(gòu)成一個循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 存在問題

通過上述分析可知，來料流量的穩(wěn)定性情況、回風(fēng)負(fù)壓的控制情況和混合風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)情況都會影響梗絲氣流干燥出口水分的穩(wěn)定性。

梗絲氣流干燥前物料的流量采用電子皮帶秤進行控制，現(xiàn)有的控制程序是當(dāng)喂料機提升帶將物料輸送至限量管，限量管低位光電檢測開關(guān)檢測到物料后，主電柜電控程序發(fā)送啟動信號給電子皮帶秤，電子皮帶秤直接啟動，因限量管上的物料還未到達皮帶秤的稱重區(qū)域，電子皮帶秤會自動提高皮帶速度，皮帶電機以最快速度 50Hz 運行，物料到達稱重區(qū)域后，再根據(jù)設(shè)定流量PID自動調(diào)整皮帶速度，皮帶電機速度再慢慢下降，這樣在料頭階段容易出現(xiàn)流量沖高，超過工藝要求的情況。

目前，梗絲氣流干燥機上的排潮風(fēng)機為定頻控制，當(dāng)排潮管道負(fù)壓不足時，容易造成回風(fēng)負(fù)壓波動，影響回風(fēng)控制，進而影響梗絲氣流干燥出口水分的控制。

梗絲氣流干燥中，物料在設(shè)備內(nèi)停留的時間很短，當(dāng)出口水分波動時，需快速進行混合風(fēng)溫度的調(diào)整。目前，混合風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)反應(yīng)偏慢，不能快速跟蹤出口水分變化趨勢。

2 改進方法

2.1 電子皮帶秤流量穩(wěn)定性優(yōu)化

開發(fā)電子皮帶秤預(yù)填充功能，如圖2所示，當(dāng)限量管低位檢測到物料后，系統(tǒng)向電子皮帶秤發(fā)送預(yù)填充指令，電子皮帶秤皮帶以 30Hz 運行，當(dāng)物料到達稱重區(qū)域時，預(yù)填充結(jié)束，電子皮帶秤停止運行，發(fā)送預(yù)填充完成信號給梗絲氣流干燥設(shè)備，梗絲氣流干燥設(shè)備接收到電子秤已預(yù)填充好的信號后，根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)，發(fā)送生產(chǎn)啟動指令給電子皮帶秤，電子皮帶秤再根據(jù)工藝設(shè)定流量，PID自動調(diào)整皮帶速度，解決了料頭物料流量沖高的問題。

2.2 回風(fēng)負(fù)壓控制優(yōu)化

梗絲氣流干燥機的回風(fēng)負(fù)壓穩(wěn)定控制的優(yōu)化主要是通過將原軟啟控制的排潮風(fēng)機改進為變頻控制，以預(yù)設(shè)的回風(fēng)負(fù)壓設(shè)定值為控制目的，使用PID調(diào)節(jié)的方式對排潮風(fēng)機的頻率進行精準(zhǔn)控制，達到回風(fēng)負(fù)壓穩(wěn)定受控的效果。梗絲低速氣流干燥機的排潮風(fēng)機控制方式由原來的軟啟控制改為變頻控制，如圖3所示。

增加排潮風(fēng)機的變頻器后，對回風(fēng)負(fù)壓進行PID調(diào)節(jié)控制，將設(shè)定的回風(fēng)負(fù)壓值和回風(fēng)負(fù)壓傳感器采集的實際負(fù)壓值進行比較，調(diào)節(jié)排潮風(fēng)機的運行頻率，從而調(diào)節(jié)回風(fēng)管道內(nèi)的負(fù)壓，使回風(fēng)負(fù)壓保持穩(wěn)定。具體控制程序流程圖如圖4所示。

2.2.1 新增變頻器相關(guān)控制程序

新增變頻器標(biāo)準(zhǔn)塊控制程序，如圖5所示，實現(xiàn)對丹佛斯變頻器的頻率設(shè)定、控制字的輸入，同時能獲得變頻器反饋狀態(tài)字和速度字，并對變頻器實現(xiàn)手動/自動狀態(tài)下的啟動、停正功能，頻率設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)測功能等。

2.2.2 增加回風(fēng)負(fù)壓PID控制程序

通過調(diào)用PID控制標(biāo)準(zhǔn)塊，將控制畫面上的PID相關(guān)參數(shù)設(shè)定值傳入至PID標(biāo)準(zhǔn)塊內(nèi)，對PID模塊的P、I、D值和上下限、死區(qū)值進行設(shè)定，模塊通過比對回風(fēng)負(fù)壓實際值和設(shè)定值，經(jīng)過程序分析和計算，從而獲得建議的排潮風(fēng)機頻率輸出值，最后再根據(jù)干燥機的工作狀態(tài)來決定排潮風(fēng)機的實際頻率。

2.2.3 增加風(fēng)機頻率設(shè)定程序

在梗絲氣流干燥機不同的工作狀態(tài)下，需要對排潮風(fēng)機進行不同的頻率設(shè)定。在手動狀態(tài)下，將風(fēng)機的頻率設(shè)定值定為手動頻率設(shè)定值。在自動狀態(tài)下，當(dāng)干燥機處于非生產(chǎn)狀態(tài)時（如待機、預(yù)熱、預(yù)熱完成、冷卻和閃蒸清洗時），頻率設(shè)定值定為手動頻率設(shè)定值；當(dāng)干燥機處于生產(chǎn)狀態(tài)時，將頻率設(shè)定為PID標(biāo)準(zhǔn)塊的建議頻率輸出值。

2.3 混合風(fēng)溫度控制優(yōu)化

調(diào)整爐溫控制參數(shù)，增加分階段控制功能，如圖6所示，將爐溫控制分成兩個階段，即當(dāng)實際爐溫與設(shè)定爐溫差值超過 5°C 時，采用快速控制參數(shù)，當(dāng)差值在 5°C 以內(nèi)時，采用平穩(wěn)控制參數(shù)，使生產(chǎn)過程中爐溫調(diào)節(jié)更平穩(wěn)，有利于熱風(fēng)溫度控制，從而使出口水分PID控制回路更好地調(diào)節(jié)混合風(fēng)門開度。

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：梅州卷煙廠在產(chǎn)A膨脹梗絲和B膨脹梗絲。設(shè)備：SH23A型梗絲低速氣流干燥機。方法：分別統(tǒng)計優(yōu)化前后梗絲氣流干燥出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

如表1所示，優(yōu)化后，A膨脹梗絲和B膨脹梗絲的出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為 0.2334% 和 0.2207% 相較于優(yōu)化前的 0.323 5% 和 0.3385% ，分別降低了

0.09個百分點和0.118個百分點，降幅分別為 27.9% 和 34.8% 。說明采用上述措施優(yōu)化后，梗絲氣流干燥出口水分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有顯著提升。

4總結(jié)與展望

針對梗絲氣流干燥過程中出口水分波動大、合格率低的問題，本研究從設(shè)備改進與控制策略優(yōu)化兩方面進行了系統(tǒng)性優(yōu)化。通過開發(fā)電子皮帶秤預(yù)填充功能、改進排潮風(fēng)機變頻控制及優(yōu)化混合風(fēng)溫分階段調(diào)節(jié)策略，達到提升梗絲氣流干燥出口水分穩(wěn)定性的目的。優(yōu)化后，A膨脹梗絲和B膨脹梗絲的出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差分別由 0.3235% 和 0.3385% 降至0.2334% 和 0.2207% ，梗絲干燥工藝的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，為保障后續(xù)工序的物料水分一致性奠定了基礎(chǔ)。

本研究通過多維度優(yōu)化策略的系統(tǒng)整合，突破了傳統(tǒng)單點優(yōu)化的局限性，為行業(yè)同類設(shè)備的工藝改進提供了可借鑒的解決方案。未來可進一步探索智能控制算法與設(shè)備結(jié)構(gòu)的深度融合，以持續(xù)提升梗絲氣流干燥的自動化與智能化水平。

[參考文獻]

[1］楊艷陽，蘇國壽，任淑本.梗絲氣流干燥出口含水率控制模式的優(yōu)化設(shè)計[J].煙草科技，2016，49（6）：100-104.

[2]周翠江，徐堂富，陳洪標(biāo)，等.提升烘梗絲工序出口水分穩(wěn)定性研究[J].輕工科技，2024，40（3）：39-43.

[3]國家煙草專賣局.卷煙工藝規(guī)范[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2016.

[4]姚光明，李春光，劉強，等.低速氣流干燥工藝參數(shù)對梗絲加工質(zhì)量的影響[J].煙草科技，2013（9）：10-13.

[5]劉穎，劉穗君，馮凱迪，等.基于趨勢預(yù)測和分區(qū)反饋的梗絲氣流干燥出口含水率精準(zhǔn)控制策略[J].輕工學(xué)報，2022，37（2）：65-70.

[6]王享譽，朱樺，鄧煒晗，等.基于智能模型的梗絲干燥喂料流量穩(wěn)定控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2023，59（2）：166-169.

[7]金曉亮，俞佳俊，陸磊.烘梗絲機進口拋料裝置的研究[C]//上海市煙草學(xué)會2019年度優(yōu)秀論文集，2019：585-593.

[8]余佑輝，王杰，張瑞琪，等.提升烘梗絲機水分均勻性研究[J].今日制造與升級，2022（3）：98-100.

[9]靳松，張煥家，鄭洪興，等.倒錐管式梗絲干燥系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用[J].輕工科技，2019，35（4）：53-54.

[10]袁書豪.級聯(lián)型PID控制在梗絲干燥控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2017（4）：60-61.

[11]任志軍，李愛蓮.模糊控制在煙草梗絲干燥控制中的應(yīng)用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2017，30（6）：83-85

[12]林啟紅.卷煙制絲設(shè)備[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2014.