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一種新型煙筋水分探測功能型烤煙控制器的研發(fā)與應(yīng)用

摘要：本研究通過在烤房內(nèi)增加煙筋水分探測功能型自控儀的方式，實(shí)現(xiàn)煙筋水分含量的實(shí)時監(jiān)控，進(jìn)而達(dá)到程序化控制煙葉烘烤工藝的目的。通過對比新型配制烤房和原有配制烤房，我們發(fā)現(xiàn)配制新型水分探測功能型自控儀的烤房和原有配制烤房在烘烤煙葉效果方面差別不顯著，但經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，對現(xiàn)有烘烤工藝的改進(jìn)和完善具有重要意義。

關(guān)鍵詞：煙筋水分探測；烘烤；意義

現(xiàn)有烘烤工藝只能了解烤房內(nèi)溫濕度的變化情況，對煙葉水分散失了解不夠深入，通常只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得。我們知道，煙葉含水量和烤房溫濕度環(huán)境是影響初烤煙葉質(zhì)量的關(guān)鍵因素。但是由于目前烘烤過程中對煙葉水分散失情況判斷沒有探測數(shù)據(jù)支持，這就導(dǎo)致不同烘烤技術(shù)員的烘烤效果也不盡相同，特別對于散煙，現(xiàn)有烘烤工藝的不足更為突出。為提高卷煙工業(yè)可用性，引入新技術(shù)應(yīng)用到煙草生產(chǎn)經(jīng)營里，煙葉智能化烘烤設(shè)備的研究和應(yīng)用項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

1　工作原理

煙筋水分探測功能型自控儀以現(xiàn)有密集烤房自控儀為基礎(chǔ)，增加煙筋水分探測模塊和Zigbee無線通訊模塊，能夠在煙葉烘烤過程中動態(tài)檢測烤房內(nèi)煙葉煙筋含水量，為烘烤工藝的調(diào)整提供數(shù)據(jù)參考，可以達(dá)到準(zhǔn)確控制烘烤工藝中提溫時間點(diǎn)和理想溫濕度的目的。

1.1煙筋水分探測探針的定型和設(shè)計(jì)。采用玻璃纖維板作為基板，將126 mm長的不銹鋼鋼針按照20 mm間距焊接到基板上，在基板一端通過接線端引出導(dǎo)線。插針時將探針末端掰開至25 mm插入到排列好的多片煙葉煙筋中，從而保證在整個烘烤過程中探針和煙葉能夠緊密接觸。

1.2煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)的可靠采集和處理。煙筋水分探測主要根據(jù)煙筋含水量與電導(dǎo)率的關(guān)系進(jìn)行測定，煙筋含水量越高電導(dǎo)率越大，含水量越小電導(dǎo)率越小，由此可以根據(jù)測得的電導(dǎo)率算出煙筋的含水量。煙筋水分探測模塊使用煙筋水分探針插入煙葉中部煙筋采集電導(dǎo)率信號，通過高精度集成運(yùn)放電路對信號放大，用溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償以減小溫度的影響，然后通過模擬濾波量程切換選擇合適的量程，再由ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，最終得出煙筋水分含量。為了保證測得水分?jǐn)?shù)值的有效性，在煙筋水分換算法中還加入溫度補(bǔ)償和煙葉烘烤階段補(bǔ)償，消除烤房內(nèi)溫度和煙筋變形程度對水分?jǐn)?shù)據(jù)測定的影響。

1.3煙筋水分探測數(shù)據(jù)應(yīng)用原理。采用煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)和8點(diǎn)式烘烤工藝曲線相結(jié)合共同驅(qū)動煙葉烘烤控制。整個煙葉烘烤過程中仍然根據(jù)8點(diǎn)式烘干工藝進(jìn)行，輔助顯示煙筋水分，根據(jù)煙筋水分來確定變筋階段和干片階段的切換、定色階段和干筋階段切換以及干筋階段的結(jié)束等關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)8點(diǎn)式烘烤工藝和煙筋水分關(guān)系確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的煙筋水分?jǐn)?shù)值。烘烤過程中根據(jù)煙筋水分是否達(dá)到該閾值來判斷提前結(jié)束進(jìn)入下一烘烤階段或延長烘烤時長推遲進(jìn)入下一烘烤階段。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)材料。試驗(yàn)于2014年在平邑縣保太鎮(zhèn)和平烘烤工場進(jìn)行。烘烤煙葉品種為NC102，這是當(dāng)?shù)刂髟詿熑~品種。煙葉烘烤采用了兩種不同的處理方式，一是配置新型煙筋水分探測功能型自控儀的烤房，二是配置普通密集烤房自控儀的烤房。為了驗(yàn)證設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在烘烤實(shí)驗(yàn)的同時還采用1臺日本進(jìn)口的水分計(jì)(型號：SK-100)做參照。

2.2試驗(yàn)方法。以當(dāng)?shù)刂髟云贩N煙葉為供試材料，選取大田管理規(guī)范、個體發(fā)育正常、群體生長整齊一致的煙葉進(jìn)行烘烤試驗(yàn)，對照使用普通溫濕度自控儀密集烤房。采收不同成熟階段煙葉素質(zhì)相近的下、中、上部煙葉，每座烤房配備1臺煙筋水分探測功能型密集烤房自控儀，在烤房上、中、下3層煙葉設(shè)置6路水分探測探針，在烘烤工場監(jiān)控室配置1臺監(jiān)控電腦并部署集中監(jiān)控軟件，通過Zig-Bee無線通訊，實(shí)現(xiàn)烘烤工場內(nèi)烤房數(shù)據(jù)集中采集顯示，在線控制，數(shù)據(jù)匯總查詢。準(zhǔn)確記錄烘烤過程中煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)的變化，驗(yàn)證煙筋水分探測和可視化烘烤系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性；調(diào)查記錄烤后原煙主要經(jīng)濟(jì)性狀、外觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量，比較不同烘烤工藝優(yōu)劣。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用煙筋水分功能型自控儀采集和顯示煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)的同時，還采用進(jìn)口電子式水分計(jì)(日本三酷：SK-100)同步測量采集煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)。

3　結(jié)果與分析

3.1煙筋水分探測設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用煙筋水分功能型自控儀采集和顯示煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)的同時，還采用進(jìn)口電子式水分計(jì)(日本三酷：SK-100)同步測量采集煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)。截取其中1爐對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下(表1)：

表1　自控儀測得煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)和參照設(shè)備測得數(shù)據(jù)對比

從表1可知，本設(shè)備測得數(shù)據(jù)和參照設(shè)備測得煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)基本一致(數(shù)值誤差為1%)，說明本設(shè)備測得數(shù)據(jù)完全能滿足煙葉烘烤煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)檢測要求。

3.2煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)變化趨勢分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，從采集的煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)分析可知，在煙葉烘烤過程中煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)根據(jù)煙葉烘烤階段、煙葉烘烤環(huán)境狀態(tài)呈規(guī)律性變化?，F(xiàn)截取兩處煙葉烘烤水分?jǐn)?shù)據(jù)為例說明：

圖1　煙葉烘烤溫濕度及煙筋水分變化曲線圖

表1和圖1中水分1、水分2表示的是上棚煙葉含水量變化曲線，水分3、水分4表示的是中棚煙葉含水量變化曲線，水分5、水分6表示的是下棚煙葉含水量變化曲線。從曲線圖中可以清楚看出，煙葉烘烤過程中烤房上部煙葉的失水速度快于下部煙葉失水速度，但整體變化走勢受烤房溫度的影響，基本一致。在煙葉烘烤變黃期干球溫度穩(wěn)定在40℃～42℃時，煙筋水分變化不大，從85%左右緩慢下降至70%左右。在變黃期后半階段和定色階段，隨著烤房溫度的不斷提高，煙筋含水量迅速下降至20%左右，煙筋水分的散失主要在定色階段完成，最后在干筋階段，煙筋水分進(jìn)一步降低至5%～8%。本項(xiàng)目檢測的煙筋水分?jǐn)?shù)據(jù)和國外進(jìn)口設(shè)備檢測數(shù)據(jù)基本一致，由此可見，實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性較好，滿足煙葉烘烤水分探測要求，為烘烤過程中協(xié)調(diào)水分、變黃和定色之間的關(guān)系提供技術(shù)支持，提高煙葉烘烤質(zhì)量，對改進(jìn)和完善現(xiàn)有烘烤工藝，特別是散煙烘烤工藝有著重要意義。

3.3不同設(shè)備配置烤房煙葉烘烤效果。從K1和K2兩座烤房烤后煙葉中隨機(jī)抽取10竿煙葉，自然回潮后查看煙葉烘烤質(zhì)量情況。由表2可見，兩種烤房都能滿足煙葉烘烤需要，但是在相同條件下，在具有煙筋水分探測技術(shù)手段支持下的烤房，烤后原煙顏色較深，色度稍強(qiáng)，油分較多，葉片結(jié)構(gòu)疏松(見表3)。

表2　不同形式烤房烘烤煙葉素質(zhì)記載

表3　不同配置烤房烤后煙外觀質(zhì)量對比表

3.4不同設(shè)備配置烤房經(jīng)濟(jì)效益情況分析。不同配置的密集烤房烤后煙葉經(jīng)分級扎把后，單獨(dú)存放，單獨(dú)交售，對比經(jīng)濟(jì)效益。

表4　不同配置烤房經(jīng)濟(jì)效益對比表

從表4可以看出，不同配置的烤房經(jīng)濟(jì)效益差異較大。K1平均上等煙比例為35.47%，比K2高3.6%；每千克均價K1比K2高0.86元，平均每畝折合多收入129元。綜合比較，配置煙筋水分探測功能型的密集烤房烤后原煙經(jīng)濟(jì)性狀優(yōu)于普通密集烤房。

3.5不同設(shè)備配置烤房烤后煙化學(xué)成分分析。不同烘烤設(shè)備配置的密集烤房中部煙葉烘烤試驗(yàn)，主要化學(xué)成分見表5。

表5　不同配置烤房中部煙C3F烤后化學(xué)成分

從表5可以看出，使用支持煙筋水分探測的烤房和普通密集烤房烤后煙葉C3F化學(xué)成分無明顯變化。

4　結(jié)論

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了煙葉烘烤環(huán)節(jié)煙筋水分含量的實(shí)時采集和顯示，借助現(xiàn)有工藝進(jìn)行煙葉烘烤，是對現(xiàn)有烘烤工藝，特別是散煙烘烤工藝的改進(jìn)和完善，有著積極的意義。另外本系統(tǒng)借助自動化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化手段實(shí)現(xiàn)了真正意義上的集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程輔導(dǎo)，提升了服務(wù)效能，提高了管理水平和煙葉生產(chǎn)綜合能力。

該項(xiàng)目在一定程度上提升了煙葉烘烤環(huán)節(jié)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)了“減工、降本、提質(zhì)、增效”的預(yù)期目標(biāo)，促進(jìn)了煙葉生產(chǎn)的集約化、規(guī)?；?，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的有效途徑，有利于提升煙草公司行業(yè)和企業(yè)形象。

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