張麗娜，許利平，樊虎，鄭華麗，徐清泉，許式強(qiáng)，高陽(yáng)*

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)科海路118號(hào) 310008

國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)眾多技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室中采用手工配料配香，手工翻炒煙絲，手工噴料、噴香等方式進(jìn)行煙絲加料加香小樣制樣，配料配香精度較低、噴料噴香均勻性及烘烤后煙絲水分精度無(wú)法精準(zhǔn)控制，重復(fù)性不高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室香精香料小樣制樣與大線生產(chǎn)中樣之間存在品質(zhì)差異。因此研究開(kāi)發(fā)一套模擬香料調(diào)配線、制絲生產(chǎn)線工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室加料加香烘絲一體化自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)香料調(diào)配精度、噴料噴香均勻性及煙絲水分精度精準(zhǔn)控制具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)針加料加香設(shè)備有許多研究[1-3]，如李鳳英[4]等研究了一種新型的加香加料裝置，采用可編程控制器、高精度流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了加香加料自動(dòng)配比、均勻霧化、自動(dòng)清洗等功能。李福辰等[5]研制了一種煙絲真空加香設(shè)備，提高了香料液浸入煙絲細(xì)胞內(nèi)的能力和煙絲香料液分布的均勻性。王文輝[6]設(shè)計(jì)和優(yōu)化了南陽(yáng)卷煙廠煙草制絲線集中加料加香系統(tǒng)。在這些加香加料設(shè)備中運(yùn)用了一系列技術(shù)如CFD技術(shù)、PID技術(shù)、模糊控制理論等進(jìn)行煙絲加香控制[7-9]。但以上都是針對(duì)卷煙廠生產(chǎn)線上研究，缺乏針對(duì)實(shí)驗(yàn)室卷煙研發(fā)過(guò)程自動(dòng)加料加香設(shè)備的研究。因此本研究開(kāi)發(fā)一套模擬香料調(diào)配線、制絲生產(chǎn)線工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)香料調(diào)配精度、噴料噴香均勻性及煙絲水分精度精準(zhǔn)控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備主要由機(jī)械部分、控制部分和軟件部分組成。微型設(shè)備總體框架圖和設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)時(shí)初始化后，實(shí)驗(yàn)人員稱量好實(shí)驗(yàn)煙絲重量，在人機(jī)界面12處輸入本次實(shí)驗(yàn)的香料配方值、煙草重量以及其他參數(shù)，點(diǎn)擊確認(rèn)后，滾筒2移動(dòng)至煙草加入位置，實(shí)驗(yàn)人員加入煙絲并確認(rèn)；滾筒2移動(dòng)至工作位置，機(jī)械手7開(kāi)始執(zhí)行加料環(huán)節(jié)，先將用于裝取配方并稀釋的稀釋瓶放至電子天平9上，再將物料臺(tái)13上對(duì)應(yīng)配方的香料瓶蓋移至固定位置，抓取針頭10吸取香料，并通過(guò)上位機(jī)控制程序進(jìn)行精確加料；加料完成后針頭10移動(dòng)至清洗位置，通過(guò)加入清洗液和壓縮空氣對(duì)管道和針頭進(jìn)行反復(fù)清洗；清洗完成后，將針頭和瓶蓋復(fù)原并以同樣的方式加入下一個(gè)香料直至完成；加料完成后，機(jī)械手7抓取針頭10向稀釋瓶?jī)?nèi)加入一定比例水進(jìn)行稀釋，然后抓取稀釋瓶對(duì)混合液體進(jìn)行搖勻；搖勻結(jié)束后將連接霧化器的氣管放入稀釋瓶中，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3，滾筒2開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手7將霧化器伸入滾筒2內(nèi)將混合好的配方霧化加入煙絲中；加料環(huán)節(jié)完成后煙絲靜置半小時(shí)開(kāi)始烘烤環(huán)節(jié)，滾筒2開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并開(kāi)啟熱風(fēng)槍對(duì)滾筒進(jìn)行加熱，同時(shí)紅外水分儀器5對(duì)滾筒內(nèi)煙絲水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上位機(jī)控制程序?qū)_烘烤進(jìn)行控制，水分值達(dá)到后烘烤環(huán)節(jié)完成，熱風(fēng)槍和步進(jìn)電機(jī)3停止，開(kāi)始加香環(huán)節(jié)；加香與加料過(guò)程基本一致，至霧化加入后結(jié)束，無(wú)需再次烘烤；最后滾筒移動(dòng)至下料位置，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)將成品煙絲傾倒至煙絲收集箱內(nèi)，加料加香實(shí)驗(yàn)全過(guò)程完成。

圖1 高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Design structure of high - precision automatic integrated micro equipment for cut tobacco flavoring and drying

1.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)原理

為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化加料加香設(shè)計(jì)，設(shè)備模擬了卷煙大線生產(chǎn)一次完整的加料（加香）過(guò)程：煙絲加入→提取料液→精確配料→管道清洗→稀釋配方→霧化加液→烘烤煙絲→靜置這八個(gè)環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)了一套具有上下料模塊、加料加香模塊、清洗模塊、烘烤模塊四大模塊，能實(shí)現(xiàn)加料加香、煙絲烘烤兩個(gè)核心功能及配料配香、管道清洗兩個(gè)輔助功能的機(jī)械系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹加料加香系統(tǒng)、煙絲烘烤系統(tǒng)以及獨(dú)創(chuàng)的混料滾筒。

1.1.1 混料滾筒設(shè)計(jì)

混料滾筒是煙草和香精香料混合的主要場(chǎng)所，是本設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分，其設(shè)計(jì)不僅要考慮到體積和結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需要考慮如何使煙絲在桶內(nèi)的充分翻滾，保證均勻加液。通過(guò)圖2分析煙絲在滾筒內(nèi)的受力可以發(fā)現(xiàn)，在滾筒做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，煙絲受到重力、滾筒的葉片力，其合力方向?yàn)闈L筒的左側(cè)，結(jié)合實(shí)際情況可知煙絲在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)集中在滾筒左下側(cè)。由此可以確定滾筒體積約為煙絲最大體積的3-4倍時(shí)加料加香效果較好。實(shí)驗(yàn)用煙絲量約為40g-400g，以最大量400g，并結(jié)合滾筒實(shí)際需求，將滾筒體積設(shè)為0.0724 m3。

圖2 煙絲受力情況Fig.2 Force condition of cut tobacco

同時(shí)考慮到讓煙絲在滾筒中的厚度分布較為均勻，設(shè)計(jì)了如圖3a所示的鼓型結(jié)構(gòu)：滾筒內(nèi)壁焊有葉片，能在滾筒運(yùn)動(dòng)的同時(shí)翻動(dòng)煙絲，將底層的煙絲翻至表面接受香料噴灑。經(jīng)過(guò)導(dǎo)熱性比較，滾筒采用不銹鋼材質(zhì)，滾筒后置有步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。滾筒需要加入煙絲，混料和倒出煙絲，故設(shè)置常用位置三個(gè)，分別為上料位、工作位、下料位。滾筒整體結(jié)構(gòu)如圖3b所示?；炝蠞L筒集攪拌、翻面、烘干、加料加香、自卸等功能于一體。

1.1.2 自動(dòng)加料加香系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精確的自動(dòng)加料加香系統(tǒng)是本設(shè)備的核心，由機(jī)械手、90物料臺(tái)、多功能抓手、注射泵、電子天平、工控機(jī)、數(shù)字I/O板塊等組成。通過(guò)機(jī)械手控制多功能抓手實(shí)現(xiàn)提取料液、精確配料、稀釋配方和霧化加液幾大功能。如圖4所示：

圖3 滾筒設(shè)計(jì)Fig.3 Design of roller

圖4 自動(dòng)加料加香系統(tǒng)Fig.4 Automatic dressing and flavoring system

考慮到本設(shè)備為中小批量柔性生產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，選用了連續(xù)軌跡控制、靈活性好的ABB六軸機(jī)器人作為機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的人工動(dòng)作，定位精度0.01mm。機(jī)械手前端裝有多功能抓手，負(fù)責(zé)對(duì)針頭、物料瓶蓋、稀釋瓶進(jìn)行抓取并裝有霧化器進(jìn)行霧化加液。抓取過(guò)程中對(duì)針頭和稀釋瓶口的抓取要求尤其高，因?yàn)樽ト≌`差稍大就會(huì)造成針尖或稀釋瓶壓到硬物從而造成損害。故設(shè)計(jì)自定心的抓手，能使針頭和稀釋瓶被抓取后自動(dòng)擺正。所有加料加香過(guò)程通過(guò)RAPID 編程指令實(shí)現(xiàn)。

霧化加液是實(shí)現(xiàn)噴料噴香均勻性尤為重要的一步，故霧化噴嘴類(lèi)型、噴嘴位置的選擇十分重要。為達(dá)到均勻和細(xì)密的霧化效果，選用了壓力式空氣霧化噴嘴。根據(jù)實(shí)際情況，霧化器工作位置在滾筒中間離煙絲距離約70-100mm，再根據(jù)圖2中煙絲在滾筒中的翻轉(zhuǎn)軌跡，可知范圍為70-90°，故選用了扇形空氣帽SUC14，平均霧化顆粒直徑能達(dá)到50μm以下。為達(dá)到較好的霧化效果對(duì)其輸入壓縮空氣壓力大小如何設(shè)定進(jìn)行了分析。畫(huà)圖4霧化噴嘴等效圖進(jìn)行理論分析：

圖 5 霧化噴嘴等效圖Fig.5 Equivalent diagram of atomizing nozzle

截取霧化噴嘴內(nèi)腔A-A和霧化噴嘴口B-B兩個(gè)面，其中P0，P分別為兩截面處的壓力，v2、v1為兩截面處稀釋液流速。通過(guò)計(jì)算得到簡(jiǎn)化的關(guān)系式：

由式(1-1)可以看出在相當(dāng)大的范圍內(nèi)v1與P0正相關(guān)，故可以通過(guò)加大輸入壓縮空氣的氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)提高霧化效果的作用。

物料臺(tái)設(shè)計(jì)成9×10矩陣分布，可以均勻擺放90個(gè)不同種類(lèi)的香料瓶，每個(gè)瓶配有統(tǒng)一瓶蓋，防止香料揮發(fā)?？紤]到加香加料范圍差異加大，為實(shí)現(xiàn)流速可調(diào)節(jié)，選擇注射泵并連接內(nèi)徑6mm，有效長(zhǎng)度為1.3m的注射軟管進(jìn)行加料加香。注射流量范圍0.5 μm/min-150 mm/min，精確度為±0.5%。電子天平選型時(shí)選用了波特率高，響應(yīng)時(shí)間短的常量電子天平，以避免讀數(shù)延時(shí)影響到加液控制系統(tǒng)的處理，從而影響加液準(zhǔn)確度。

1.1.3 煙絲烘烤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)大多使用的卷煙烘絲方式有氣流式烘絲和滾筒式烘絲兩種。前者采用高溫、快速烘干的理念，但容易導(dǎo)致煙絲受熱不均后出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；后者使用相對(duì)溫度較低的熱風(fēng)機(jī)加熱滾筒，滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙絲的均勻烘烤，烘烤后煙絲含水率較穩(wěn)定，故本設(shè)備選用滾筒式烘烤機(jī)。在加熱裝置選擇上，考慮了傳統(tǒng)加熱、電磁加熱、電阻加熱、紅外線加熱四類(lèi)加熱方式。為實(shí)現(xiàn)快速集中加熱，減小對(duì)其他部件熱影響，選用熱風(fēng)槍作為加熱部件，通過(guò)快速加熱滾筒壁同時(shí)翻滾煙絲使煙絲內(nèi)水分含量迅速下降。再通過(guò)紅外在線水分測(cè)定儀精確控制滾筒內(nèi)煙絲水分精度，由工控機(jī)根據(jù)水分及溫度的數(shù)據(jù)通過(guò)控制算法對(duì)煙絲水分進(jìn)行精確控制，保證水分誤差在0.5%以內(nèi)。

圖6 煙絲烘烤系統(tǒng)Fig.6 Cut tobacco baking system

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 加液策略設(shè)計(jì)

為制定相應(yīng)的定量加液策略對(duì)精度和效率進(jìn)行控制，本設(shè)備考察了分段式加液和點(diǎn)動(dòng)式加液兩種方式，結(jié)合兩者優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用組合式加液方式進(jìn)行控制：第一階段借鑒分段式加料的思想，運(yùn)用自動(dòng)控制方法加液至設(shè)定值的80%-90%；第二階段運(yùn)用點(diǎn)動(dòng)式加料的優(yōu)點(diǎn)，首先停止加液設(shè)備，等待滯后的液體加入，消除第一階段自動(dòng)控制所產(chǎn)生的超調(diào)量的影響；然后進(jìn)行定值多次逼近加料，在本設(shè)備中通過(guò)機(jī)械手控制針頭執(zhí)行靠壁動(dòng)作實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)加料（靠壁過(guò)程中電子天平的讀數(shù)通過(guò)控制程序過(guò)濾），直至達(dá)到加料標(biāo)準(zhǔn)。其流程圖如圖7所示：

圖7 組合式加料過(guò)程圖Fig.7 Composites dressing and flavoring progress diagram

1.2.2 模糊-PID精度控制設(shè)計(jì)

1.2.2.1 加料加香精度控制

為實(shí)現(xiàn)加料加香的精準(zhǔn)控制，考察傳統(tǒng)PID控制和模-PID控制兩種方式。將模糊自適應(yīng)PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器放在同一個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)，得到PID的最優(yōu)仿真曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在輸入信號(hào)相同的情況下，兩者的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)速度及其他關(guān)鍵指標(biāo)如圖8a所示。結(jié)果說(shuō)明模糊-PID控制保證了加香加料精度和快速響應(yīng)性，減少超調(diào)，實(shí)現(xiàn)卷煙加料、加香一致性，因此選用模糊-PID 進(jìn)行精度控制。設(shè)備將加料加香誤差值模糊化，通過(guò)制定合適的模糊規(guī)則[10]，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了模糊-PID切換開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)圖8b，對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)來(lái)控制加香加料精度和速度。

圖8 加料加香精度控制設(shè)計(jì)Fig.8 Design of dressing and flavoring precision control

1.2.2.2 煙絲水分精度控制

在烘絲過(guò)程中，煙草的溫濕度需要同時(shí)控制，但兩者之間存在典型的非線性交叉耦合現(xiàn)象，常規(guī)PID控制具有非線性、大滯后性問(wèn)題，難以建立合適的數(shù)學(xué)模型且控制現(xiàn)精度不高。本設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了煙絲溫濕度模糊解耦烘絲模型[11]，原理圖見(jiàn)9a。通過(guò)建立合適的模糊控制原理和策略，有效解決了卷煙烘絲濕溫度控制中出現(xiàn)的大滯后性，非線性和交叉耦合的問(wèn)題，具有響應(yīng)快，超調(diào)量小，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。利用Matlab分別對(duì)傳統(tǒng)PID和模糊控制算法的仿真試驗(yàn)，兩組響應(yīng)曲線如圖9b所示。

圖9 煙絲水分精度控制設(shè)計(jì)Fig.9 Moisture precision control system for cut tobacco

1.3 自動(dòng)加料加香軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)加料加香軟件系統(tǒng)。通過(guò)RAPID編程在LabVIEW環(huán)境下利用數(shù)字I/O卡以及RS-232、RS-485和TCP/IP通訊實(shí)現(xiàn)程序控制，通過(guò)指令控制機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加料加香和烘絲。圖10為微型設(shè)備的LabVIEW人機(jī)交互界面，顯示內(nèi)容包括當(dāng)前進(jìn)行步驟、實(shí)際加入香料信息、輸入配方信息、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)行模式等。

圖10 高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備軟件顯示界面Fig.10 Software display interface of high - precision automatic cut tobacco flavoring and drying integrated micro equipment

2 應(yīng)用效果

2.1 微型設(shè)備技術(shù)參數(shù)測(cè)定

經(jīng)上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院按照GB5226.1《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件》、GB/T17421.2《機(jī)床檢驗(yàn)通則 第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》、GB/T12642《工業(yè)機(jī)器人 性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》檢測(cè)，高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備規(guī)格為2000×700×1900 mm，單次處理煙絲能力達(dá)40～400 g，香料香精配制精度達(dá)到±0.02 g，烘后煙絲相對(duì)水分精度達(dá)到±0.5%。

2.2 微型設(shè)備所制樣品與大線生產(chǎn)樣品相似度評(píng)價(jià)

按照同一配方分別由浙江中煙調(diào)配中心實(shí)際生產(chǎn)、高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備、手工調(diào)配等方法進(jìn)行調(diào)配獲得1#料液、1#香精各50g，利用GC-MS及內(nèi)標(biāo)法對(duì)主要香味成分進(jìn)行定量，選擇峰形較好主要香味成分進(jìn)行比較分析，分別計(jì)算不同調(diào)配方法各成分的含量，每一樣品重復(fù)5次，取平均值分別與生產(chǎn)調(diào)配的各成分含量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。加料、加香的均勻程度以調(diào)配中心調(diào)配的料液、香精各成分含量為基準(zhǔn)利用相似度評(píng)價(jià)軟件計(jì)算相似度[12]。

表1 不同調(diào)配方法(1#料液)的主要香味成分分析結(jié)果Tab.1 Results of analysis of main fragrance components by different methods（1 # fragrance）

表2 不同調(diào)配方法(1#香精)的主要香味成分分析結(jié)果Tab.2 Results of analysis of main fragrance components by different methods（1 # essence）

1#料液、1#香精分別按照不同的方法進(jìn)行調(diào)配并按各自方法施加于利群煙絲中，按照四分法分別取生產(chǎn)線、高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室人工操作三類(lèi)煙絲作為實(shí)驗(yàn)樣品，每一施加方法分別取樣15個(gè)樣品。每類(lèi)樣品稱取1 g純加料和1g純加香煙絲頂空進(jìn)樣分析。利用YC/T426煙草混合均勻度公式[13]來(lái)表征加料、加香的均勻程度。

所有樣品經(jīng)鄭州輕工業(yè)學(xué)院第三方認(rèn)證檢測(cè)，微型設(shè)備所調(diào)料液香精品質(zhì)與浙江中煙調(diào)配中心大線生產(chǎn)所調(diào)料液香精品質(zhì)基本接近，煙絲加料加香均勻性與生產(chǎn)大線差異較小。具體詳見(jiàn)下表3：

表3 微型設(shè)備制樣、手工制樣與大線生產(chǎn)制樣相似度比較Tab.3 The similarity among micro equipment sample, manual sample and production sample

2.3 微型設(shè)備所制樣品與大線生產(chǎn)樣品感官質(zhì)量評(píng)價(jià)

將同一香精配方按照不同的方法進(jìn)行調(diào)配并按各自方法施加于利群煙絲中，按照四分法分別取生產(chǎn)線、高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室手工加料加香后同一規(guī)格煙絲作為實(shí)驗(yàn)樣品，并分別卷制成煙支進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。將樣品按照標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行處理好后，由浙江中煙技術(shù)中心7名以上評(píng)吸專家（有評(píng)吸資格證）對(duì)樣品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 感官質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.4 Sensory evaluation

由上表4可知，加料加香微型設(shè)備制樣的感官質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與大線生產(chǎn)樣差異較小，感官抽吸品質(zhì)接近。

3 結(jié)論

高精度自動(dòng)化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備采用自動(dòng)化配料、配香、加料、加香及烘絲一體化手段，有效提高了實(shí)驗(yàn)室卷煙小樣制樣過(guò)程加料加香精度和烘后煙絲水分精度，設(shè)備規(guī)格為2000×700×1900 mm，單次處理煙絲能力達(dá)40～400 g，香料香精配制精度達(dá)到±0.02 g，烘后煙絲相對(duì)水分精度達(dá)到±0.5%；微型設(shè)備所調(diào)香精與大線生產(chǎn)相似度達(dá)98.26%，料液相似度達(dá)99.11%，與大線加香加料均勻性差異系數(shù)為0.38%，與大線感官評(píng)價(jià)差異較小，明顯優(yōu)于人工加料加香效果。本微型設(shè)備實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室小樣制樣環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化加料加香，有效減少了傳統(tǒng)小樣與大線中樣放樣過(guò)程中的品質(zhì)差異，加快產(chǎn)品研發(fā)速率，提升產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量。