復(fù)烤片煙箱內(nèi)密度偏差率實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)

孫彥波 王子沖 孫洪江 吳 箭 張耀輝 劉 鑫

（云南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司 云南保山）

打葉復(fù)烤生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，復(fù)烤片煙箱（以下簡稱片煙箱）內(nèi)密度偏差率(DVR)是重要的質(zhì)量技術(shù)要求之一。DVR是影響復(fù)烤片煙儲(chǔ)存醇化質(zhì)量的重要因素，偏差較大時(shí)還可能引起煙葉壓油、霉變和炭化。目前打葉復(fù)烤生產(chǎn)線主要采用X-射線無損測(cè)試儀或9點(diǎn)密度取樣裝置在預(yù)壓打包工段復(fù)壓打包后對(duì)DVR進(jìn)行檢測(cè)，然而這兩種檢測(cè)方式的檢測(cè)結(jié)果均難以用于對(duì)片煙裝箱過程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，往往造成單箱片煙DVR指標(biāo)難以達(dá)標(biāo)或批次產(chǎn)品內(nèi)片煙DVR波動(dòng)大、難以達(dá)標(biāo)。為此，開發(fā)基于壓力傳感器的片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)，對(duì)復(fù)烤后的片煙裝箱過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，從根本上解決片煙箱內(nèi)密度偏差率難以達(dá)標(biāo)的問題。

對(duì)片煙裝箱過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，前提是對(duì)片煙箱內(nèi)密度偏差的檢測(cè)應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果適時(shí)反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。從片煙裝箱過程看，當(dāng)片煙煙箱進(jìn)料結(jié)束，預(yù)壓機(jī)預(yù)壓完成后，片煙箱內(nèi)密度即確定，不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。因此，對(duì)片煙箱內(nèi)密度偏差的檢測(cè)如在預(yù)壓機(jī)預(yù)壓過程結(jié)束前完成，是對(duì)片煙箱內(nèi)密度偏差進(jìn)行檢測(cè)的最早環(huán)節(jié)，能更加真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)煙箱內(nèi)片煙的密度情況，同時(shí)將此時(shí)的檢測(cè)結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)下一箱片煙的裝箱過程進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，即能實(shí)現(xiàn)片煙裝箱過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。復(fù)烤片煙在裝箱過程中，受預(yù)壓機(jī)罩箱與煙箱的約束，自由下落后在煙箱中分層堆積，直至達(dá)到設(shè)定的重量限值，然后預(yù)壓機(jī)進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓機(jī)在預(yù)壓時(shí)，壓頭作用于煙箱內(nèi)分層堆積的煙片上，然后通過煙片、煙箱將作用力傳遞到煙箱底部的支撐臺(tái)面，支撐臺(tái)面同時(shí)給予煙箱、煙片、壓頭相應(yīng)的反作用力，在壓頭、煙箱、支撐臺(tái)面的共同作用下，完成片煙的預(yù)壓包裝。由于壓頭、支撐臺(tái)面均為水平安裝且預(yù)壓完成時(shí)兩者間的間距是固定的，因此壓頭在預(yù)壓過程中以及預(yù)壓完成時(shí)，作用于支撐臺(tái)面各區(qū)域或點(diǎn)的作用力大小取決于煙片在煙箱中堆積的厚薄狀況，即煙片堆積越厚的區(qū)域或點(diǎn)，作用在支撐臺(tái)面上的作用力就越大，煙片堆積越薄的區(qū)域或點(diǎn)，作用在支撐臺(tái)面上的作用力就越小，同樣支撐臺(tái)面通過煙箱、煙片作用于壓頭的反作用力同支撐臺(tái)面所受的作用力大小一致。因此，預(yù)壓機(jī)預(yù)壓時(shí)壓頭上不同區(qū)域或點(diǎn)所受反作用力的大小能真實(shí)地反映煙箱內(nèi)煙片堆積的厚薄狀況，各區(qū)域或點(diǎn)的壓力偏差也能真實(shí)地反映煙箱內(nèi)煙片堆積的厚薄偏差狀況。由于片煙在預(yù)壓過程中體積被煙箱約束為一相對(duì)固定值，且預(yù)壓時(shí)煙片在煙箱內(nèi)不會(huì)自由流動(dòng)，因此壓頭上各區(qū)域或點(diǎn)的壓力偏差就真實(shí)地反映了煙箱內(nèi)片煙的密度偏差狀況?；谝陨显恚▓D1），在預(yù)壓機(jī)壓頭上安裝壓力傳感器，在預(yù)壓過程中對(duì)復(fù)烤片煙的裝箱密度偏差進(jìn)行檢測(cè)，可以及時(shí)獲得煙箱內(nèi)片煙的密度偏差情況，此時(shí)將檢測(cè)結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)下一箱片煙裝箱時(shí)的調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)整控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)烤片煙裝箱過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。

另外，對(duì)復(fù)烤片煙裝箱過程進(jìn)行分析可知，影響復(fù)烤片煙在煙箱內(nèi)堆積厚薄的主要因素有：煙箱長度方向包括煙片在預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)上的分布均勻情況和預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)的速度；在煙箱寬度方向包括預(yù)壓機(jī)罩箱口均料板的停留位置和預(yù)壓機(jī)罩箱口均料板在各停留位置的停留時(shí)間。4個(gè)主要影響因素中，預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)的速度可手動(dòng)調(diào)整設(shè)定，設(shè)定后在生產(chǎn)時(shí)對(duì)煙箱內(nèi)片煙堆積的厚薄狀況影響不大，其他3個(gè)因素則必須在生產(chǎn)過程中根據(jù)檢測(cè)結(jié)果適時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，才能保證片煙裝箱后箱內(nèi)DVR達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 片煙壓實(shí)過程的作用力

一、系統(tǒng)構(gòu)成

對(duì)傳統(tǒng)預(yù)壓機(jī)壓頭進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 146-2010，片煙箱的外形尺寸（長×寬×高）1115 mm×690 mm×725 mm或1136 mm×720 mm×725 mm，俯視投影為長方形。因此，對(duì)預(yù)壓機(jī)壓頭進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，根據(jù)YC/T 147-2001中8.2a條密度9點(diǎn)法取樣板取樣點(diǎn)的位置，在預(yù)壓機(jī)壓頭底部相應(yīng)位置安裝9只壓力傳感器，同時(shí)在壓頭內(nèi)部安裝壓力傳感器電源（可循環(huán)充電的鋰電池組）、數(shù)據(jù)采集處理模塊和無線發(fā)射裝置，負(fù)責(zé)在預(yù)壓機(jī)預(yù)壓過程中及時(shí)采集壓頭上9點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射裝置進(jìn)行適時(shí)發(fā)送。在預(yù)壓機(jī)罩箱口安裝無線接收裝置，接收預(yù)壓機(jī)壓頭在預(yù)壓時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)。

對(duì)預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)上的鋪料裝置和預(yù)壓機(jī)罩箱口的均料板進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。片煙在預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)上的分布由安裝于輸送機(jī)上方的3分鋪料板進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，3分鋪料板采用伺服電缸作為執(zhí)行器，依據(jù)片煙在煙箱長度方向上的壓力偏差情況對(duì)每個(gè)鋪料板的停留位置和停留時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)；預(yù)壓機(jī)罩箱口的均料板主要影響片煙在煙箱寬度方向上的分布，均料板的執(zhí)行器采用伺服電缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服氣缸或普通氣缸，并依據(jù)片煙在煙箱寬度方向上的壓力偏差情況對(duì)均料板的停留位置和各停留位置的停留時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)可以設(shè)計(jì)為獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以集成到預(yù)壓打包機(jī)控制系統(tǒng)中。主要負(fù)責(zé)與預(yù)壓打包機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，存儲(chǔ)、分析處理從預(yù)壓機(jī)壓頭傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)出3分鋪料板和均料板的控制指令，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控并記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)、操作模式轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)的運(yùn)行控制原理（圖3）

系統(tǒng)運(yùn)行前，按生產(chǎn)加工中部煙葉的來料條件設(shè)置預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)上方3分鋪料板的初始位置。預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)同上位來料輸送機(jī)一般成90°角，上位輸送機(jī)的來料分布示意見圖4。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行控制原理

圖4 上位輸送機(jī)來料分布

片煙在上位來料輸送機(jī)上的分布截面為不規(guī)則的弧形，通過3分鋪料板的反射（阻擋后滑落）作用后落在預(yù)壓機(jī)罩箱前輸送機(jī)上。根據(jù)來料片煙在上位輸送機(jī)上弧形分布的特點(diǎn)，對(duì)3分鋪料板的3個(gè)鋪料板初始位置分別進(jìn)行設(shè)置。

1#、2#鋪料板初始位置的設(shè)置。1#、2#鋪料板在X方向適當(dāng)靠攏布置，X方向的具體位置通過現(xiàn)場觀察確定，Y方向在中間位置設(shè)一個(gè)初始位置，負(fù)責(zé)對(duì)弧形截面右半邊的片煙進(jìn)行反射，具體位置可根據(jù)從壓頭反饋得到的壓力偏差情況手動(dòng)反復(fù)調(diào)整確定，初始位置設(shè)置的合理性根據(jù)W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值進(jìn)行判斷，W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值越接近，初始位置越理想。初始位置確定后，生產(chǎn)加工中部煙葉時(shí)均保持不變。

3#鋪料板初始位置的設(shè)置。3#鋪料板在X方向的初始位置通過現(xiàn)場觀察確定，Y方向分別在原點(diǎn)、中間、終點(diǎn)設(shè)3個(gè)初始位置。

當(dāng)生產(chǎn)加工上部煙葉或下部煙葉時(shí)，3個(gè)鋪料板的初始位置可根據(jù)W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值偏差情況進(jìn)行微調(diào)。

系統(tǒng)運(yùn)行前，按生產(chǎn)加工中部煙葉的來料條件設(shè)置預(yù)壓機(jī)罩箱口均料板的初始位置。均料板由一個(gè)伺服電缸驅(qū)動(dòng)，控制均料板在煙箱寬度方向的停留位置和各停留位置的停留時(shí)間，對(duì)片煙在煙箱寬度方向上的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)。均料板分別在原點(diǎn)、中間、終點(diǎn)設(shè)3個(gè)初始位置（圖5）。

1.系統(tǒng)控制流程

根據(jù)來料條件設(shè)定好鋪料板、均料板的初始位置后，系統(tǒng)切換到在線實(shí)時(shí)檢測(cè)控制模式運(yùn)行。從預(yù)壓機(jī)壓頭上檢測(cè)反饋得到的9個(gè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)分別用 V1～V9表示,煙箱長度方向3行的壓力平均值用 W1，W2，W3 表示，即W1=（V1+V2+V3）/3，W2=（V4+V5+V6）/3，W3=（V7+V8+V9）/3。煙箱寬度方向

3列的壓力平均值用H1，H2，H3 表示，即 H1=（V1+V4+V7）/3，H2=（V2+V5+V8）/3，H3=（V3+V6+V9）/3。9個(gè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)的平均值為AVG=（V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9）/9。

圖5 均料板3個(gè)初始位置

根據(jù)9個(gè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù),分別將煙箱長度方向(W1，W2，W3行)各行的壓力平均值以及煙箱寬度方向(H1，H2，H3列)各列的壓力平均值與9個(gè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)的平均值A(chǔ)VG進(jìn)行偏差對(duì)比分析，作為調(diào)節(jié)控制3分鋪料板及均料板的依據(jù)。為排除生產(chǎn)過程中偶然因素的干擾，若一個(gè)煙箱的壓力偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可不對(duì)3分鋪料板及均料板實(shí)施調(diào)節(jié)，若連續(xù)兩個(gè)煙箱的壓力偏差均出現(xiàn)異常，則根據(jù)偏差分析結(jié)果，對(duì)3分鋪料板及均料板實(shí)施調(diào)節(jié)，從而分別從煙箱長度方向和寬度方向?qū)ζ瑹熢跓熛鋬?nèi)的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.煙箱長度方向的調(diào)節(jié)控制

1#、2#鋪料板的初始位置確定后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程中不再進(jìn)行調(diào)節(jié)，而3#鋪料板則根據(jù)W1，W2，W3與AVG的偏差分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。若W1，W2，W3與AVG的偏差值在允許范圍內(nèi)，則3#鋪料板維持上一個(gè)煙箱的裝箱過程參數(shù)繼續(xù)對(duì)下一個(gè)煙箱的裝箱過程進(jìn)行控制，若W1，W2，W3與AVG的偏差值超出允許范圍內(nèi)，則依據(jù)偏差分布情況對(duì)3#鋪料板采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，控制調(diào)節(jié)流程見圖6。

圖6 控制調(diào)節(jié)流程

3.煙箱寬度方向的調(diào)節(jié)控制

均料板初始位置確定后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程中根據(jù)H1，H2，H3與AVG的偏差分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。若H1，H2，H3與AVG的偏差值在允許范圍內(nèi)，則維持上一個(gè)煙箱的裝箱過程參數(shù)繼續(xù)對(duì)下一個(gè)煙箱的裝箱過程進(jìn)行控制，若 H1，H2，H3 與 AVG 的偏差值超出允許范圍內(nèi)，則依據(jù)偏差分布情況采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，控制調(diào)節(jié)流程見圖7。

圖7 控制調(diào)節(jié)流程

三、系統(tǒng)運(yùn)行效果

片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用后,對(duì)生產(chǎn)過程中經(jīng)該系統(tǒng)連續(xù)控制調(diào)節(jié)的20個(gè)樣品采用X-射線無損測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，共19個(gè)樣品的DVR處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(DVR≤10%)，1個(gè)樣品的DVR略高于10%。

對(duì)系統(tǒng)投入應(yīng)用后連續(xù)生產(chǎn)30天的片煙進(jìn)行隨機(jī)抽樣，共抽取177個(gè)樣品（含上、中、下部煙葉）采用9點(diǎn)密度取樣裝置進(jìn)行檢測(cè)，其中167個(gè)樣品的DVR處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi) (DVR≤10%)，占樣品總數(shù)的94.35%，10個(gè)樣品的DVR略高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，占樣品總數(shù)的5.65%。

由檢測(cè)（抽檢）結(jié)果可以看出,沒有應(yīng)用片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)前,生產(chǎn)的箱內(nèi)片煙DVR普遍高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (DVR≤10%)，應(yīng)用片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)后,箱內(nèi)片煙DVR基本都處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi) (DVR≤10%)。由此可見，在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線預(yù)壓打包工藝段運(yùn)用片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制系統(tǒng)，對(duì)箱內(nèi)片煙DVR實(shí)施在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制,可以很好地實(shí)現(xiàn)DVR指標(biāo)的過程控制,從根本上解決這一指標(biāo)難以達(dá)標(biāo)的問題,滿足復(fù)烤片煙儲(chǔ)存、醇化要求。