基于電氣自動化的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化研究

李秀偉

（湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司四平卷煙廠，四平 136000）

0 引言

卷煙制絲是一門工序復(fù)雜、制作考究的工藝，需要對烤后的煙葉進(jìn)行嚴(yán)格的加工，其產(chǎn)品品質(zhì)和各項卷煙工序參數(shù)的設(shè)置息息相關(guān)。

卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化是提升卷煙工藝生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵，業(yè)內(nèi)對卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化已經(jīng)做出一定研究。文獻(xiàn)[1]中提出在復(fù)烤工序中對卷煙工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化提升復(fù)烤加工質(zhì)量，對某家烤煙廠進(jìn)行了工藝參數(shù)和加工數(shù)據(jù)分析，手工選擇烤煙校本，在校本中擇優(yōu)提取三個烤煙工序的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合多指標(biāo)白權(quán)分析，利用參數(shù)校正實驗對工藝產(chǎn)進(jìn)行線性回歸校正分析，采用迭代法求出參數(shù)優(yōu)解。文獻(xiàn)[2]中提出正交實驗優(yōu)化方法對制絲工藝進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，采用人工擇選卷煙工藝校本，結(jié)合正交實驗方法，確定平準(zhǔn)一起的組合誤差，結(jié)合回歸校正方法對槽深參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，并對校正后儀器進(jìn)行測試，采用參數(shù)關(guān)聯(lián)特征描述子對校本參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行空頭參數(shù)剔除，完成卷煙工藝參數(shù)的優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]提出一種煙梗切絲的干燥工藝參數(shù)優(yōu)化方法，采用人工擇選卷煙工藝校本，根據(jù)寬度對切絲參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并結(jié)合正交實驗對切絲寬度進(jìn)行方差控制，采用白權(quán)化方法選取校本中屬性較為優(yōu)秀參數(shù)，通過參數(shù)配伍性能完成切絲參數(shù)優(yōu)化。

以上文獻(xiàn)方法均采用人工擇選校本，造成校本參數(shù)誤差大，所生產(chǎn)出的產(chǎn)品整絲率低、碎絲率高的問題，故此本文提出一種基于電氣自動化的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化方法，根據(jù)電氣自動化裝置，對卷煙工藝校本進(jìn)行自動分揀，采用正交實驗表對提取的參數(shù)進(jìn)行整理，根據(jù)參數(shù)的誤差特性，結(jié)合誤差選擇優(yōu)化模型對參數(shù)進(jìn)行誤差最小化選擇，結(jié)合關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘方法，對全局參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，最終完成卷煙工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1 基于電氣自動化技術(shù)的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究

為實現(xiàn)卷煙工藝參數(shù)的優(yōu)化，文章首先規(guī)避傳統(tǒng)方法采用人工擇選卷煙工藝校本的方法，采用電氣自動換校品采集裝置對校品進(jìn)行隨機自動采校，再結(jié)合正交實驗表格對卷煙工藝參數(shù)進(jìn)行提取，通過誤差選擇優(yōu)化模型對參數(shù)進(jìn)行誤差最小化選擇，采用關(guān)聯(lián)挖掘方法提取出全局參數(shù)的關(guān)聯(lián)規(guī)則，對全局參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，本文方法的總體構(gòu)架如圖1所示。

1.1 基于電氣自動化的煙梗提取

在對卷煙中各項工藝從參數(shù)提取時，需要以煙梗自動采校設(shè)備為基礎(chǔ)，故此文章采用了一種自動取校裝置的電氣設(shè)備，根據(jù)煙廠對煙梗自動采校的需求[4]，需要對采校時間進(jìn)行設(shè)置，并在完成采校后自動關(guān)閉裝置，因此采用了一種型號為ZJ116機組的收撿裝置，完成在線自動收撿。煙梗自動采校裝置代碼如圖1所示。

圖1 基于電氣自動化技術(shù)的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化方法總體構(gòu)架

圖2 ZJ116煙梗自動采樣裝置代碼

圖2中，M285是低頻采校始發(fā)信號，經(jīng)過取反能夠做到高電頻觸發(fā)開啟和關(guān)斷計時器T1，TTT為開關(guān)時間，數(shù)值需要提前設(shè)置[7,8]。M985.6控制氣缸開啟取校門閥進(jìn)行取校，M985.7則控制氣缸在完成取校后關(guān)閉門閥。邏輯為：發(fā)送信號—信號變頻—取校開始—門閥打開TTT秒—取?！P(guān)閉門閥，完成取校。

1.2 卷煙工藝數(shù)據(jù)指標(biāo)提取

對卷煙過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化和選擇要基于卷煙工藝各項指標(biāo)的提取和分析[9,10]。本文對吉林某煙廠的特色卷煙工藝中的浸梗、螺旋蒸梗工序進(jìn)行了參數(shù)指標(biāo)提取，其工序中決定整絲率的影響因子為浸梗水槽水溫、蒸梗溫度、蒸梗含水量這仨個個工藝參數(shù)數(shù)值，數(shù)據(jù)指標(biāo)后再對其進(jìn)行優(yōu)化。

為了優(yōu)化螺旋蒸梗、浸梗水槽水溫工序出口的煙梗溫度和含水量，需要將出口含水量控制在（12.8±0.5）%采用梗絲膨脹工序?qū)Τ隹诠＝z的整絲率作為工藝考察的考察指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)值越大表示參數(shù)提取環(huán)境越好[11,12]。

卷煙工藝參數(shù)初始水平如表1所示。

表1 卷煙工藝參數(shù)初始設(shè)置水平

在所采集過程中，假設(shè)其他參數(shù)和生產(chǎn)條件以及操作人員等條件不發(fā)生改變的前提[5,6]，采用 L9（34）正交實驗表對所采集進(jìn)行參數(shù)指標(biāo)采集，將自動采集的進(jìn)行排序，所得結(jié)果如表2所示。

表2 待提取樣本排序

對表2中所整理的進(jìn)行隨機抽取，測試其浸梗水槽水溫、蒸梗含水率、以及正梗溫度，如抽到試驗5號，即按條件：浸梗水槽水溫40，蒸梗溫度98，蒸梗含水率38%進(jìn)行工藝提取，得出梗絲膨脹工序出口梗絲整絲率84%，碎絲率6%，并將提取結(jié)果記錄在表2中對應(yīng)單元格內(nèi)。以此為標(biāo)準(zhǔn)反復(fù)進(jìn)行6次提取，整理結(jié)果表3所示。

表3 提取結(jié)果整理表

1.3 卷煙工藝參數(shù)誤差最小選擇

參數(shù)提取完成后還要進(jìn)行處理，由于誤差特性，導(dǎo)致參數(shù)在優(yōu)化過程中受到干擾，造成局部最優(yōu)解[13,14]。需要對參數(shù)校本參數(shù)采用誤差最小選擇模型進(jìn)行誤差度選擇優(yōu)化，模型公式表達(dá)為：

模型中z21為被標(biāo)記的誤差較大的21號校本參數(shù)，Z12為被標(biāo)記的過于誤差的12號校本參數(shù)，同理解釋Z11和Z22，X1、X2、X3、X4疑似帶有誤差特性的參數(shù)，經(jīng)過模型輸出所得誤差度校正參數(shù)如表4所示。

表4 誤差校正后參數(shù)整理

表4中經(jīng)去疑后的參數(shù)，同比表3中相比，參數(shù)更為精確，但隨機抽校僅能表現(xiàn)出局部最優(yōu)參數(shù)，需要根據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘，找出全局參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，進(jìn)行全局尋優(yōu)。

1.4 卷煙過程中工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)挖掘優(yōu)化

參數(shù)關(guān)聯(lián)挖掘技術(shù)能夠在海量數(shù)據(jù)中挖掘出數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和規(guī)則，是一種以開發(fā)信息資源為基礎(chǔ)的新數(shù)據(jù)處理方法，通過誤差度選擇優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘?qū)砭頍煿に噮?shù)進(jìn)行參數(shù)全局優(yōu)化[15,16]。

首先構(gòu)建基于關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的資源數(shù)據(jù)庫和工藝參數(shù)推理系統(tǒng)，如圖3所示，然后采用語義匹配和關(guān)聯(lián)規(guī)則搜尋最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

圖3 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫推理示意圖

語義匹配是對工藝參數(shù)的相似度進(jìn)行計算，可以選用m個工藝參數(shù)值的n條數(shù)據(jù)對象構(gòu)成的矩陣來進(jìn)行篩選和尋優(yōu)。設(shè)aij為第i個工藝參數(shù)值的第j條數(shù)據(jù)，用矩陣A可以表示為：

設(shè)f(ai,aj)為第i中工藝參數(shù)值與第j中工藝參數(shù)值之間的相似度，可以用公式表示為：

通過對數(shù)據(jù)庫中各工藝參數(shù)相似度的計算和歸類，能夠揭示出參數(shù)之間的規(guī)則變化關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)組合的提取[17,18]。通過基于關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)而得出的最優(yōu)卷煙工藝參數(shù)組合為實驗B的參數(shù)組合，基于關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對大量的卷煙工藝參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測[19]，證明使用驗2的配方、浸梗含水率及蒸梗溫度能夠，獲取最優(yōu)產(chǎn)品參數(shù)質(zhì)量，因此實驗B選取的的工藝參數(shù)組合是最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

本文提出一種基于電氣自動化的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究，基于3組實驗來提取參數(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，如含水率優(yōu)化、整絲率和碎絲率等。構(gòu)建基于電氣自動化技術(shù)的資源數(shù)據(jù)庫和工藝參數(shù)推理系統(tǒng)，采用語義匹配和關(guān)聯(lián)規(guī)則，實現(xiàn)卷煙過程中的最優(yōu)工藝參數(shù)的尋優(yōu)。

2 實驗結(jié)果與分析

為驗證基于電氣自動化技術(shù)的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化研究的有效性，本文采用優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，進(jìn)行了卷煙工藝實驗，來對比使用優(yōu)化的工藝參數(shù)前后，卷煙校本的參數(shù)變化情況。

2.1 參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)對比

各隨機抽取600個校本，為了更為直觀地觀測測量結(jié)果，分別對校本測參數(shù)的優(yōu)化情況，并將測試結(jié)果擬合成曲線，如圖4所示。

圖4 使用優(yōu)化工藝參數(shù)組合前后的參數(shù)優(yōu)化曲線對比

從圖4中可以看出，采用本文的優(yōu)化工藝參數(shù)組合進(jìn)行卷煙實驗后，參數(shù)的優(yōu)化可以達(dá)到2～2.5左右，而且比較穩(wěn)定，對比使用前，參數(shù)的優(yōu)化有較大提高。

2.2 參數(shù)整絲率指標(biāo)對比

再對以上抽取的600個校本做整絲率測試，原材料、人工和機械器材不變的情況下，采用喜歡同參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)在對校本的整絲率和含水率進(jìn)行分別進(jìn)行檢測，如圖5所示。

圖5 使用優(yōu)化工藝參數(shù)組合前后的整絲率曲線

如圖5所示，原材料、人工和機械器材不變的情況下，采用本文優(yōu)化的工藝參數(shù)組合卷煙工藝產(chǎn)品在整絲率方法有良好的表現(xiàn)，再次證明了卷煙過程中采用本文的工藝參數(shù)優(yōu)化方法具有較大的優(yōu)越性。

3 結(jié)束語

本文提出了基于電氣自動化的卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化研究，通過電氣自動化技術(shù)對卷煙工藝校本進(jìn)行自動取校，根據(jù)正交實驗表格對參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，再結(jié)合誤差校正模型對所提取數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差最小選擇，利用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘完成全局參數(shù)尋優(yōu)，最終實現(xiàn)卷煙工藝的參數(shù)優(yōu)化。經(jīng)實驗驗證本文所提方法對卷煙工藝參數(shù)優(yōu)化有著良好的表現(xiàn)，本文參數(shù)優(yōu)化方法，在卷煙工藝技術(shù)研究中起到了數(shù)據(jù)支持作用。