廖仲生，王昭焜，邵書音，陳思偉，黃紹先，蔡克印，于 靜，王錦金，林水艇

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽工業(yè)區(qū)新陽路1 號 361022

烘絲入口含水率是制絲生產(chǎn)線的重要工藝指標(biāo)，直接影響烘絲環(huán)節(jié)的相關(guān)過程參數(shù)，對于烘絲出口含水率有顯著影響［1］。在實際生產(chǎn)中，由于存在烘絲入口含水率控制點單一、控制間隔時間長、受環(huán)境溫濕度影響大等問題，造成烘絲入口含水率容易偏離工藝標(biāo)準(zhǔn)值且批次間波動較大，進而影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。針對此，孫一鶴［2］通過穩(wěn)定來料含水率、統(tǒng)一操作方法、優(yōu)化控制參數(shù)等方法提高了烘絲入口含水率穩(wěn)定性；劉穗君等［3］通過回歸分析實現(xiàn)了松散回潮出口含水率的精確控制；趙偉［4］采用前饋-反饋算法提高了篩分加料出口含水率的控制精度；陳杰等［5］根據(jù)不同等級煙葉的吸濕性能進行了松散回潮加水系數(shù)的差異化調(diào)整；鐘文焱等［6］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了烘絲入口含水率控制預(yù)測模型。上述改進方法主要著重于對加水比例實施精確調(diào)控，但由于實際生產(chǎn)流程長且存在不可控環(huán)境因素等影響，導(dǎo)致控制效果并不理想，具有較大局限性。為此，設(shè)計了一種基于補償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)，采用在片煙松散回潮環(huán)節(jié)減少加水，在片煙增溫環(huán)節(jié)補償加水的策略，建立多元回歸模型對烘絲入口含水率進行調(diào)控，以期實現(xiàn)烘絲入口含水率的準(zhǔn)確控制。

1 問題分析

制絲線烘絲前的工藝流程見圖1。煙包經(jīng)切片后進入松散回潮滾筒增溫增濕，松散后片煙進入篩分加料筒加料，然后進入儲葉柜存放；在達到工藝要求的存放時間后，進入葉絲工藝段的松葉筒進行增溫，再經(jīng)切絲后進入烘絲環(huán)節(jié)。改進前制絲線存在烘絲入口含水率控制精度低、批次間波動大等問題，主要原因：①主要依靠片煙松散回潮環(huán)節(jié)對加水比例進行調(diào)整，由于涉及工藝環(huán)節(jié)多、間隔周期長，容易受到排產(chǎn)調(diào)整等不確定因素的影響，難以形成有效的閉環(huán)反饋控制；②國內(nèi)煙草企業(yè)制絲線未實現(xiàn)全線恒溫恒濕控制［7］，生產(chǎn)現(xiàn)場溫濕度波動較大，進而影響烘絲入口含水率的穩(wěn)定性。分析可見，在實際生產(chǎn)中無論是依靠人工經(jīng)驗還是其他輔助手段，單純調(diào)節(jié)片煙松散回潮環(huán)節(jié)的加水比例，均難以實現(xiàn)烘絲入口含水率的準(zhǔn)確控制。

2 改進設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為解決上述問題，設(shè)計了基于補償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置在制絲線片煙增溫環(huán)節(jié)，主要由斜坡輸送帶、撥輥式勻料器、進料振槽、入口水分儀、加水裝置、松葉筒、出料振槽、出口水分儀等部分組成，見圖2。

改進后采用松散回潮環(huán)節(jié)減少加水，片煙增溫環(huán)節(jié)補償加水的工藝，控制原理見圖3。首先，降低片煙松散回潮環(huán)節(jié)加水比例，為片煙增溫環(huán)節(jié)補償加水預(yù)留調(diào)整空間；其次，通過多元回歸分析預(yù)測片煙增溫環(huán)節(jié)出口到烘絲入口物料含水率變化；再次，通過主輔PID 聯(lián)動控制補償加水，完成補償加水目標(biāo)；最后，片煙進入喂料機并經(jīng)過一段時間平衡后切絲，實現(xiàn)烘絲入口含水率的準(zhǔn)確控制。此外，在斜坡輸送帶上增設(shè)撥輥式勻料器，用于在物料行進過程中限制物料高度，穩(wěn)定物料流量；將松葉筒內(nèi)壁上的松散短釘改進為釘板結(jié)合的多功能組合抄板，增加對筒內(nèi)片煙的擾動能力，延長片煙在筒內(nèi)停留時間，提高補償加水的均勻性。

圖3 基于補償加水的烘絲入口含水率控制框圖Fig.3 Block diagram of control for moisture content in tobacco at inlet of tobacco dryer based on water compensation

2.2 加水比例調(diào)整

2.2.1 松散回潮減少加水

為確保片煙增溫環(huán)節(jié)補償加水有足夠的調(diào)整空間，需要在工藝要求范圍內(nèi)降低片煙松散回潮環(huán)節(jié)的加水比例。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（豪情）”牌號卷煙為例，按照《卷煙工藝規(guī)范》［8］要求進行批次梯度實驗，通過逐級降低松散回潮環(huán)節(jié)的加水比例，考察松散回潮后的片煙板結(jié)質(zhì)量、煙絲結(jié)構(gòu)并組織感官質(zhì)量評吸，結(jié)果見表1?？梢姡?dāng)松散回潮加水比例由8.5 L/（100 kg 片煙）逐級降低至7.0 L/（100 kg 片煙）時，片煙板結(jié)質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，整絲率、長絲率、碎絲率、填充值及感官質(zhì)量也均符合工藝要求。因此，將松散回潮加水比例標(biāo)準(zhǔn)值確定為7.0 L/（100 kg 片煙），以保證片煙增溫補償加水的調(diào)整空間。

表1 松散回潮環(huán)節(jié)不同加水比例下煙絲質(zhì)量評價結(jié)果Tab.1 Evaluation results of tobacco quality at different water addition rates in loosening and conditioning process

2.2.2 補償加水范圍界定

為考察補償加水對卷煙產(chǎn)品感官質(zhì)量的影響，以“七匹狼（豪情）”牌號卷煙為例，通過逐級調(diào)整片煙增溫環(huán)節(jié)的含水率修正量（即片煙增溫出口含水率與入口含水率的差值），進行補償加水強度梯度實驗并組織感官質(zhì)量評吸，結(jié)果見表2?？梢?，當(dāng)含水率修正量等于或超過1.0%時，卷煙感官質(zhì)量評吸結(jié)果差異明顯。因此，將補償加水對物料含水率的最大修正量界定為0.8%。

表2 片煙增溫環(huán)節(jié)不同含水率修正量下感官質(zhì)量評吸結(jié)果Tab.2 Sensory evaluation results at different moisture content compensation rates in strip heating process

2.3 多元回歸模型建立

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

以“七匹狼（豪情）”牌號卷煙為例，通過車間數(shù)采系統(tǒng)采集2019 年全年制絲線歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將各批次的片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、烘絲入口含水率等數(shù)據(jù)進行整合，剔除無效數(shù)據(jù)后得到312 組有效數(shù)據(jù)集合。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

由于烘絲入口含水率為受控指標(biāo)，各牌號各批次的歷史數(shù)據(jù)均會在相應(yīng)工藝標(biāo)準(zhǔn)值附近波動，故該項數(shù)據(jù)的集中度較高，不適合用于構(gòu)建多元回歸分析模型［9］。因此，將烘絲入口含水率與片煙增溫出口含水率之間的差值整合為含水率差值，其表達式為：

式中：Y 是含水率差值，%；Wc是片煙增溫出口含水率，%；Wr是烘絲入口含水率，%。

對含水率差值、片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度進行歸一化處理，其目的是將各項指標(biāo)的所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為［0，1］之間的數(shù)，避免因數(shù)據(jù)之間數(shù)量級差別較大而造成回歸誤差增大［10］。本研究中采用最大最小法進行數(shù)據(jù)歸一化處理，其函數(shù)形式為：

式中：Xk是任意項指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中的任意數(shù)；是任意項指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中任意數(shù)對應(yīng)的歸一化結(jié)果；Xmin是任意項指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中的最小數(shù)；Xmax是任意項指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中的最大數(shù)。

2.3.3 回歸分析

將歸一化處理后的有效數(shù)據(jù)集合代入控制系統(tǒng)，令含水率差值為因變量，片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度為自變量，對相關(guān)數(shù)據(jù)集合進行多元回歸分析。

（1）最佳子集回歸。為得到最佳數(shù)據(jù)擬合效果，利用最佳子集回歸模型對相關(guān)數(shù)據(jù)進行量化評估，結(jié)果見表3?？梢姡哂衅瑹熢鰷爻隹诤?、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度4 個自變量的模型7，其均方差S 和統(tǒng)計量Mallows Cp均為最小，表明該模型預(yù)測精度高；決定系數(shù)R2值和調(diào)整決定系數(shù)值最大，表明該模型的自變量對因變量的解釋程度較好。因此，確定模型7 為最佳模型。

表3 最佳子集回歸模型評估結(jié)果Tab.3 Evaluation results of optimum subset regression model

（2）持續(xù)優(yōu)化。確定最佳模型結(jié)構(gòu)后，對歸一化處理后的312 組數(shù)據(jù)樣本進行多元回歸分析。其中，對提示殘差較大的異常數(shù)據(jù)進行回溯性分析，并進一步判斷后剔除或保留。通過持續(xù)的優(yōu)化調(diào)整，最終得到有效數(shù)據(jù)樣本289 組。

（3）分析結(jié)論。經(jīng)過多輪多元回歸分析和調(diào)整，得到從片煙增溫出口到烘絲入口物料含水率變化關(guān)系的回歸方程：

式中：Y 為含水率差值，%；Wc為片煙增溫出口含水率，%；Tc為片煙增溫出口溫度，℃；Th為環(huán)境溫度，℃；Wh為環(huán)境濕度，%。

回歸方程評估結(jié)果（表4）顯示決定系數(shù)R2=96.4%，調(diào)整決定系數(shù)表明該方程能夠較好地描述片煙增溫出口含水率、片煙增溫出口溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度4 個自變量與含水率差值之間的關(guān)系。

表4 回歸方程評估結(jié)果Tab.4 Evaluation results of regression equation

2.3.4 效果驗證

將2020 年1—5 月所有生產(chǎn)批次的相關(guān)數(shù)據(jù)代入多元回歸方程，通過對比烘絲入口含水率的預(yù)測值與實際值，得到預(yù)測偏差值，將預(yù)測偏差值＜0.2%的批次定義為低偏差批次，以驗證回歸方程對烘絲入口含水率的預(yù)測精度，結(jié)果見表5?？梢?，所建立的多元回歸方程可以根據(jù)給定參數(shù)較好地預(yù)測各批次烘絲入口含水率，預(yù)測偏差均值為0.075%，低偏差（＜0.2%）批次占比達到85.5%，可以用于指導(dǎo)片煙增溫出口含水率的精確設(shè)定。

2.4 片煙增溫出口含水率控制

改進后片煙增溫出口含水率采用主輔PID 聯(lián)動控制方式，包括實現(xiàn)含水率控制的主PID 控制回路和實現(xiàn)加水量控制的輔PID 控制回路。其中，主PID 控制回路根據(jù)片煙增溫出口含水率實際值與設(shè)定值的偏差，計算得到加水調(diào)整量，見圖4。加水調(diào)整量與理論加水量共同構(gòu)成輔PID 控制回路的加水量設(shè)定值，通過水質(zhì)量流量計反饋，實現(xiàn)加水量的精確控制，見圖5。實際生產(chǎn)中，處于工藝流程銜接位置的松葉筒經(jīng)常出現(xiàn)短暫停機情況，此時參與加水量控制的PID 也相應(yīng)停止工作。當(dāng)松葉筒啟動后重新開始加水時，按正常生產(chǎn)設(shè)置的PID 參數(shù)需要經(jīng)過較長時間調(diào)整才能達到停機前加水量。為此，改進后主輔PID 控制回路均使用了兩個PID 功能塊，當(dāng)松葉筒重新加水時，啟用PID 功能塊1，通過快速調(diào)整使加水量盡快達到停機前狀態(tài)，經(jīng)過一定延時后再切換到PID 功能塊2，以保證正常生產(chǎn)的加水穩(wěn)定性。

圖4 主PID 控制回路Fig.4 Control loop of the main PID

圖5 輔PID 控制回路Fig.5 Control loop of the ancillary PID

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：“七匹狼（豪情）”牌號卷煙煙絲（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

儀器和設(shè)備：廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司5 000 kg/h 制絲線，主要包括TB-L 型超級回潮機（德國HAUNI 公司）；SJ1528 型加料機（秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司）；WQ318 型松葉筒（云南昆船第二機械有限公司）；A1 型切絲機和CTD 氣流式烘絲機（意大利COMAS 公司）；TM710e 型在線水分儀（精度0.1%，美國NDC 公司）。

方法：分別采集改進前數(shù)據(jù)312 批次，改進后數(shù)據(jù)30 批次，對改進前后烘絲入口含水率調(diào)控情況進行評估對比，取烘絲入口含水率平均值，并考察烘絲入口含水率與工藝標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均值以及低偏差（＜0.2%）批次占比。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表6 可見，調(diào)控系統(tǒng)改進后烘絲入口含水率與工藝標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均值從0.191%降低到0.093%，降低0.098 百分點；低偏差（＜0.2%）批次占比從65.7%提升到83.3%，提高17.6 百分點，有效提高了烘絲入口含水率的調(diào)控精度，減少了批次間波動。

表6 調(diào)控系統(tǒng)改進前后烘絲入口含水率對比Tab.6 Comparison of moisture content in tobacco at inlet of tobacco dryer before and after modification

4 結(jié)論

設(shè)計了一種基于補償加水的烘絲入口含水率調(diào)控系統(tǒng)，在保證卷煙產(chǎn)品工藝質(zhì)量前提下，采用松散回潮環(huán)節(jié)減少加水，片煙增溫環(huán)節(jié)補償加水的策略，通過多元回歸分析，得到片煙增溫出口到烘絲入口物料含水率變化關(guān)系的回歸方程，用于指導(dǎo)片煙增溫環(huán)節(jié)補償加水目標(biāo)的設(shè)定，從而實現(xiàn)烘絲入口含水率的精準(zhǔn)調(diào)控。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（豪情）”牌號卷煙煙絲為對象進行對比測試，結(jié)果表明：調(diào)控系統(tǒng)改進后實現(xiàn)了烘絲入口含水率的精確控制，烘絲入口含水率與工藝標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均值降低0.098 百分點，低偏差（＜0.2%）批次占比提高17.6 百分點，有效提升了烘絲入口含水率調(diào)控水平，卷煙產(chǎn)品工藝質(zhì)量顯著提高。