洪凱強(qiáng)，陳榮峰，楊志力，劉灼成，陳振業(yè)，伍穎翔，林利明

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88 號(hào) 510385

二氧化碳煙絲膨脹技術(shù)（Dry Ice Expanded Tobacco，簡(jiǎn)稱DIET）采用液態(tài)二氧化碳對(duì)煙絲進(jìn)行浸泡，在煙絲的內(nèi)部及表面形成干冰，之后通過(guò)文丘里管將干冰煙絲迅速吸入升華管，在330 ℃左右的熱氣流中干冰迅速升華變?yōu)闅鈶B(tài)二氧化碳，促使煙絲膨脹，膨脹后的煙絲經(jīng)過(guò)冷卻、定型、回潮后形成可以直接摻兌的成品煙絲［1-4］。DIET技術(shù)可分為3 類，分別是美國(guó)埃爾考工業(yè)氣體公司（AIRCO）的A 式、英國(guó)英美煙草公司（BAT）的B式以及秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司的C 式［5-6］。其中，B 式采用電子皮帶秤輸送干冰煙絲，由于干冰煙絲溫度較低，輸送帶上容易凝結(jié)冷凝水和結(jié)冰，需要用水沖洗［7-9］，無(wú)法保證電子皮帶秤的穩(wěn)定運(yùn)行；A 式和C 式均采用定量帶（帶變頻器的輸送設(shè)備）輸送干冰煙絲，由于定量帶沒(méi)有稱重裝置且干冰煙絲的截面積及密度經(jīng)常變化，導(dǎo)致定量帶輸出的干冰煙絲流量不穩(wěn)定，生產(chǎn)中需要人工根據(jù)電子皮帶秤的運(yùn)行情況對(duì)定量帶頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在滯后性和不確定性，造成升華后干冰煙絲流量及含水率波動(dòng)較大。針對(duì)此問(wèn)題，張振［10］通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)化了升華前干冰煙絲的生產(chǎn)參數(shù)，提高了升華后煙絲流量和含水率的穩(wěn)定性；王忠燕等［11］通過(guò)調(diào)整升華后煙絲落料口尺寸，減少了堵料頻次，同時(shí)改造了冷卻皮帶機(jī)使其具備煙絲緩存功能，提高了煙絲流量的穩(wěn)定性；林天勤等［12］根據(jù)振動(dòng)倉(cāng)煙絲質(zhì)量變化計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)干冰煙絲的平均流量，通過(guò)調(diào)整MC-45 定量帶運(yùn)行速度，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)干冰煙絲流量的控制。但經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后對(duì)干冰煙絲流量控制仍有一定滯后性。為此，以廣州卷煙廠C 式干冰煙絲膨脹設(shè)備為對(duì)象，基于PLC 技術(shù)對(duì)定量帶頻率控制程序進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)向自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變，以期提高升華后煙絲流量及含水率的穩(wěn)定性。

1 問(wèn)題分析

1.1 生產(chǎn)流程

如圖1 所示，1 140 kg/h 膨脹煙絲生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程為：含水率在20%～22%之間的定量煙絲通過(guò)皮帶機(jī)送入浸漬器，在浸漬器中二氧化碳液體對(duì)煙絲進(jìn)行充分浸泡，形成干冰煙絲；干冰煙絲經(jīng)開(kāi)松器松散后落入AB-44 振動(dòng)倉(cāng)中暫存，再經(jīng)由AB-44 振動(dòng)倉(cāng)、MC-45 定量帶組成的喂料系統(tǒng)向膨脹系統(tǒng)輸送干冰煙絲，使干冰煙絲由斷續(xù)批次供料變?yōu)檫B續(xù)輸送［5］；干冰煙絲經(jīng)升華、冷卻后進(jìn)入BC-74 電子皮帶秤，根據(jù)來(lái)料質(zhì)量自動(dòng)調(diào)節(jié)皮帶速度以保證煙絲流量為預(yù)設(shè)的額定值［11］，恒流量控制后的煙絲經(jīng)RC-80 加料回潮、風(fēng)選后進(jìn)入貯柜。

圖1 膨脹煙絲熱端生產(chǎn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot processing line of dry ice expanded tobacco

1.2 存在問(wèn)題

由于AB-44 振動(dòng)倉(cāng)出料口溫度較低，干冰煙絲容易粘連在出料口內(nèi)壁上，導(dǎo)致MC-45 定量帶上的煙絲質(zhì)量、煙絲流量不穩(wěn)定［12］。若定量帶頻率保持不變，當(dāng)定量帶上的煙絲質(zhì)量增多時(shí)，則定量帶輸出的煙絲流量也增加，導(dǎo)致BC-74 電子皮帶秤上的煙絲高度上升、皮帶速度下降，當(dāng)皮帶速度低于1.8 m/min 時(shí)，電子皮帶秤上的煙絲與其上方安裝的防塵罩、水分儀等接觸，造成計(jì)量失準(zhǔn)；反之，當(dāng)定量帶上的煙絲質(zhì)量減少時(shí)，則定量帶輸出的煙絲流量也降低，導(dǎo)致BC-74 電子皮帶秤上的煙絲高度下降、皮帶速度上升，當(dāng)皮帶速度達(dá)到上限10.2 m/min 時(shí)，電子皮帶秤會(huì)失去流量控制功能，輸出的煙絲流量無(wú)法達(dá)到設(shè)定值，造成煙絲流量波動(dòng)。因此，生產(chǎn)中需要操作人員時(shí)刻關(guān)注電子秤皮帶速度的變化情況，并不斷對(duì)MC-45 定量帶頻率進(jìn)行修正，使BC-74 電子秤的皮帶速度保持在2.5～4 m/min 之間，而干冰煙絲從定量帶出口輸送至電子皮帶秤的時(shí)間約為2 min，且出料口處存在煙絲粘連情況，所以依靠人工調(diào)節(jié)定量帶頻率以控制煙絲流量具有滯后性和不確定性。

2 改進(jìn)方法

2.1 控制周期與變頻器頻率關(guān)系

通過(guò)控制定量帶的變頻器頻率MC45_FQ，可在時(shí)間MC45_T 內(nèi)將定量帶上質(zhì)量為MC45_W 的干冰煙絲全部輸出。生產(chǎn)中定量帶皮帶的行程=線速度×?xí)r間，由于定量帶皮帶的線速度與主動(dòng)軸的角速度成正比，主動(dòng)軸的角速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器頻率成正比，故定量帶皮帶的線速度與變頻器頻率成正比，進(jìn)而可得定量帶皮帶的行程與MC45_FQ×MC45_T 成正比。

選取廣州卷煙廠生產(chǎn)的A 牌號(hào)卷煙干冰煙絲對(duì)SP67 型升華裝置（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）定量帶進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定定量帶頻率MC45_FQ 分別為34、32、31 Hz，測(cè)算干冰煙絲從振動(dòng)倉(cāng)出口至定量帶出口（即定量帶入口與出口間距離）所需時(shí)間MC45_T，重復(fù)2 次，取平均值，再計(jì)算定量帶累計(jì)運(yùn)行頻率MC45_FQ_TOTAL=MC45_FQ×MC45_T，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，當(dāng)MC45_FQ_TOTAL平均值為3 218.04 Hz（采樣時(shí)間為1 s）時(shí)，質(zhì)量為MC45_W 的干冰煙絲可全部從振動(dòng)倉(cāng)出口輸送至定量帶出口并進(jìn)入升華裝置。因此，以MC45_FQ_TOTAL達(dá)到3 218.04 Hz 作為一個(gè)控制周期。

表1 干冰煙絲從振動(dòng)倉(cāng)出口至定量帶出口所需時(shí)間及定量帶頻率Tab.1 Time needed by dry ice tobacco from vibrator outlet to metering belt outlet and frequency of metering belt

2.2 定量帶上干冰煙絲質(zhì)量計(jì)算

在振動(dòng)倉(cāng)的支架上方安裝有壓力傳感器，用于檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)干冰煙絲質(zhì)量。觀察發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)倉(cāng)內(nèi)的煙絲在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)逐漸減少，雖然新輸入的煙絲會(huì)使倉(cāng)內(nèi)煙絲突然增多，但之后又進(jìn)入逐漸減少狀態(tài)［12］。在煙絲質(zhì)量下降過(guò)程中，記錄倉(cāng)內(nèi)煙絲在每個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)質(zhì)量W1、結(jié)束時(shí)質(zhì)量W2，則一個(gè)控制周期內(nèi)定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W 的計(jì)算公式為：

式中：MC45_W 為定量帶上干冰煙絲質(zhì)量，kg；W1為周期開(kāi)始時(shí)振動(dòng)倉(cāng)內(nèi)煙絲質(zhì)量，kg；W2為周期結(jié)束時(shí)振動(dòng)倉(cāng)內(nèi)煙絲質(zhì)量，kg。

生產(chǎn)中當(dāng)冷端開(kāi)松器運(yùn)行、打開(kāi)浸漬器下蓋門(mén)時(shí)，干冰煙絲從浸漬器中卸出進(jìn)入振動(dòng)倉(cāng)，振動(dòng)倉(cāng)內(nèi)的煙絲突然增多，此時(shí)無(wú)法計(jì)算定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W，系統(tǒng)進(jìn)入“盲控”狀態(tài)。經(jīng)過(guò)程序計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，可得正常生產(chǎn)時(shí)一個(gè)控制周期內(nèi)定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W 平均值為44.2 kg。為減少升華后煙絲流量波動(dòng)，當(dāng)電子秤的皮帶速度BC74_SPD 較高時(shí)，需設(shè)定較高的定量帶頻率MC45_FQ。因此，在“盲控”狀態(tài)下干冰煙絲質(zhì)量MC45_W'的計(jì)算公式為：

式中：MC45_W'為“盲控”時(shí)定量帶上干冰煙絲質(zhì)量，kg；BC74_SPD 為電子秤皮帶速度，m/s；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，kg/（m·s-1），取值0.5。

2.3 定量帶頻率設(shè)定值計(jì)算

已知定量帶上干冰煙絲質(zhì)量為MC45_W，若在時(shí)間MC45_T（控制周期）內(nèi)將定量帶上干冰煙絲全部輸出，則干冰煙絲平均流量為MC45_F，計(jì)算公式為：

根據(jù)定量帶上干冰煙絲流量、煙絲質(zhì)量、控制周期、變頻器頻率間的關(guān)系可計(jì)算得到定量帶頻率設(shè)定值MC45_FQ，計(jì)算公式為：

式（3）和式（4）中：MC45_F 為定量帶上干冰煙絲流量，kg/h；MC45_W 為定量帶上干冰煙絲質(zhì)量（“盲控”時(shí)采用MC45_W'計(jì)算），kg；MC45_T 為控制周期，s；MC45_FQ 為定量帶頻率設(shè)定值，Hz；MC45_FQ_TOTAL 為定量帶累計(jì)運(yùn)行頻率，Hz。

2.4 定量帶頻率控制流程設(shè)計(jì)

以干冰煙絲從定量帶入口至出口間所需時(shí)間作為一個(gè)控制周期，利用振動(dòng)倉(cāng)內(nèi)煙絲質(zhì)量在控制周期內(nèi)的變化量確定定量帶上煙絲質(zhì)量，通過(guò)PLC 對(duì)定量帶頻率控制程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)干冰煙絲流量的自動(dòng)調(diào)控，改進(jìn)后控制流程見(jiàn)圖2。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于MC45_FQ 的實(shí)際值與設(shè)定值不完全同步，實(shí)際值需要經(jīng)過(guò)斜坡上升或下降時(shí)間后才能達(dá)到設(shè)定值，因此程序中采用∑MC45_FQ×t 計(jì)算定量帶累計(jì)運(yùn)行頻率（t 為程序掃描周期）。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：A 牌號(hào)卷煙膨脹煙絲（由廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠提供）。

圖2 改進(jìn)后定量帶頻率控制流程框圖Fig.2 Flow chart of metering belt frequency control after improvement

儀器與設(shè)備：1 140 kg/h 膨脹煙絲生產(chǎn)線（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；SP67 型升華裝置（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；ICS-1200-ST 型BC-74 電子皮帶秤（最大流量1 500 kg/h，杭州四五〇九機(jī)電設(shè)備有限公司）；TM710e 水分儀（精度≤0.5%，英國(guó)NDC Technologies 公司）；Powerflex 70 EC 變頻器（MC-45 定量帶，美國(guó)Allen-Bradley 公司）；1756-L63 ControlLogix5563 Controller PLC（美國(guó)Allen-Bradley 公司）；System Platform 3.1.2 系統(tǒng)平臺(tái)人機(jī)界面（美國(guó)WonderWare 公司）。

方法：改進(jìn)前定量帶采用人工調(diào)節(jié)變頻器頻率，改進(jìn)后定量帶為自動(dòng)控制變頻器頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定干冰煙絲流量MC45_F 為1 490 kg/h，分別取改進(jìn)前12 批次、改進(jìn)后20 批次BC-74 電子皮帶秤煙絲累計(jì)值在500～4 000 kg 范圍內(nèi)的升華后煙絲流量數(shù)據(jù)，根據(jù)《廣州卷煙廠膨脹煙絲制造工藝要求》統(tǒng)計(jì)煙絲流量超標(biāo)［（1 100±30）kg/h］批次數(shù)量和持續(xù)時(shí)間以及煙絲含水率，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見(jiàn)，升華后干冰煙絲流量超標(biāo)次數(shù)由改進(jìn)前1.13 次/h 減少為0.57 次/h，每小時(shí)超標(biāo)時(shí)間由218.69 s 減少為43.65 s，提升了煙絲流量的穩(wěn)定性；煙絲含水率極差由改進(jìn)前的2.52%下降到2.25%，標(biāo)準(zhǔn)差由0.365%下降到0.338%，提高了煙絲含水率的控制精度。在實(shí)際生產(chǎn)中偶爾會(huì)出現(xiàn)煙絲含水率大幅波動(dòng)現(xiàn)象，這是由于“盲控”階段干冰煙絲流量無(wú)法精確控制所致，可考慮在定量帶上加裝稱重裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W，及時(shí)調(diào)整定量帶頻率，實(shí)現(xiàn)干冰煙絲流量的全程控制。

表2 改進(jìn)前后升華后煙絲流量超標(biāo)次數(shù)及煙絲含水率對(duì)比Tab.2 Comparison of tobacco throughput and moisture content data before and after improvement

4 結(jié)論

利用振動(dòng)倉(cāng)壓力傳感器、定量帶變頻器的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)定量帶頻率控制程序進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了升華前定量帶上干冰煙絲流量的自動(dòng)調(diào)控，消除了人工控制的滯后性和不確定性，提高了升華后煙絲流量的穩(wěn)定性。以廣州卷煙廠生產(chǎn)的A 牌號(hào)卷煙膨脹煙絲為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后升華后煙絲流量超標(biāo)次數(shù)減少約0.56 批次/h，每小時(shí)超標(biāo)時(shí)間減少約175.04 s，煙絲含水率極差下降0.27 百分點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)差下降0.027 百分點(diǎn)，有效提高了升華后煙絲流量和含水率的穩(wěn)定性。