淺談基于煙葉烘烤的關(guān)鍵閾值實現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制烘烤的思路

楊在友 李智永 陳飛飛 劉洪艷 許 齊

（貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563300）

煙葉烘烤是煙草加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，在烘烤過程中，要同時控制烤房內(nèi)的溫度和濕度按一定規(guī)律變化，才能保證烘烤質(zhì)量。這個溫濕度的規(guī)律變化由現(xiàn)行各種數(shù)學(xué)模型控制的密集烤房烘烤控制器來控制，其控制有三個指標：即烤房中的溫度、濕度以及循環(huán)風(fēng)機送風(fēng)，其中對循環(huán)風(fēng)機送風(fēng)情況的控制相對獨立，除了個別加安變頻器變速控制外，一般都是處于開機運行狀態(tài)，而控制烤房內(nèi)部溫、濕度的因素主要包括環(huán)境因素和控制因素兩個方面，環(huán)境因素是烤房室內(nèi)的溫度和濕度，控制因素主要是鼓風(fēng)機和冷風(fēng)進風(fēng)門兩個執(zhí)行器的開閉狀態(tài)。

實現(xiàn)這一密集烤房烘烤控制執(zhí)行功能，目前有三種類型的執(zhí)行系統(tǒng)。第一類是采用機理法實現(xiàn)控制，根據(jù)能量守恒定律和各因素之間的物理特性建立數(shù)學(xué)模型、建立溫度和濕度各自的傳遞函數(shù)，進而建立的控制系統(tǒng)，理論專家有：鄧玲黎、張芬等；第二類是采用溫濕度之間的強耦合、分析系統(tǒng)中影響溫濕度變化的各個因素，建立多輸入多輸出的溫濕度變化模型控制系統(tǒng)，理論專家代表有：Fathi Fourati、王子洋、秦琳琳等；第三類是采用模糊理論控制，將煙葉烘烤時人工調(diào)節(jié)的模糊表達轉(zhuǎn)換成較為精準的、計算機可識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以表達的控制系統(tǒng)，理論專家代表有：何芬、江泳、張峻穎等。

以上三類控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中存在二個共同的缺陷：第一是控制系統(tǒng)是從溫度和濕度為對象建立的數(shù)據(jù)算法，從精準度上滿足使用要求，但控制器工藝的預(yù)設(shè)是完全開放的，使用者怎樣預(yù)設(shè)系統(tǒng)就朝其目標執(zhí)行，也就是煙葉烘烤工藝完全由人的主觀意思而運行，因此，現(xiàn)行運行的烘烤工藝五花八門，烤出來的煙葉自然就是千奇百怪，有些煙農(nóng)有意將煙葉烤黃而不香，烤出的商品價值高而工業(yè)價值低；第二是控制系統(tǒng)均以其他農(nóng)作物干燥借鑒開發(fā)的，其沒能完全與煙葉調(diào)制的生理生化變化、特定時間煙葉葉組織內(nèi)水分保持與排出、煙葉是否增香、煙葉葉片適應(yīng)烤房內(nèi)溫濕度的小氣候環(huán)境等相配合，當(dāng)然，據(jù)李光堯等專家總結(jié)，這方面烘烤數(shù)學(xué)模型研究較少。

基于以上問題，本文從烤房內(nèi)溫濕度小氣候環(huán)境和排水速度出發(fā)，結(jié)合烘烤煙葉生理生化的需求，提出解決思路，將其相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)可測化、數(shù)據(jù)化，以便為下一步將烘烤控制系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化、遠程化智能升級奠定基礎(chǔ)。

1.控制煙葉烘烤的關(guān)鍵閾值確定

在煙葉烘烤過程中，以其生理生化為中心，列出了涉及煙葉烘烤過程關(guān)聯(lián)的因素，見圖1：從圖中看出，其中重要的是三個關(guān)聯(lián)環(huán)：第一是“空氣溫度——熱量——煙葉生化”關(guān)聯(lián)環(huán)，其中最為關(guān)鍵的是空氣溫度與煙葉生化之間既有相互促進又有相互抑制的作用；第二是“空氣濕度——（煙）葉出水量——煙葉生化”關(guān)聯(lián)環(huán)，同樣空氣濕度與煙葉生化之間既有相互促進又有相互抑制的作用；第三是“煙出水量——空氣——空氣溫度”關(guān)聯(lián)環(huán)，空氣更換排出是制約煙葉水分的排出量，溫度損耗關(guān)系非常密切。從三個關(guān)聯(lián)環(huán)中不難看出，溫度、濕度、（煙）葉出水量是控制整個系統(tǒng)的關(guān)鍵閾值，只要能對這三個關(guān)鍵閾值進行控制，就能控制整個烘烤動態(tài)過程。

圖1 煙葉烘烤過程因素關(guān)聯(lián)圖

2.關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化控制及其方法

2.1 溫度

不管是何種煙葉，其烘烤溫度一般從常溫23℃~25C℃開始最終到達68℃~70℃才能完成烘烤，只是在不同時間節(jié)點停留時間的長度不同，現(xiàn)行的煙葉烘烤控制器都是有10個溫度（Ti）預(yù)設(shè)控制點，這10點時間長短由控制器的19個時間預(yù)設(shè)點（Hti）控制，其中有9個為升溫控制點（Htsi），有10個為穩(wěn)溫控制點（Htwi），對溫度關(guān)鍵閾值控制辦法是將對9個升溫點（Htsi）按此段升溫度數(shù)多少就定為多少，按現(xiàn)行烘烤慣例，每小時升溫1度來將其固定，具體1小時內(nèi)的細分由控制程序按其精度再行細分，只需調(diào)節(jié)10個穩(wěn)溫點（Htwi）的時長短，來間接調(diào)節(jié)煙葉烘烤的整個溫度走向，達到間接調(diào)整烘烤溫度，并且這個穩(wěn)溫時間本身就是可測的，可量化的，這樣實現(xiàn)了溫度關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化控制。

2.2 濕度

溫度和濕度是相互耦合并非線性的關(guān)系，是煙葉烘烤變化中不同時段有著必要小氣候環(huán)境，使用方法是，利用濕空氣焓濕圖計算器（APP），將預(yù)設(shè)的溫度(Ti)、濕度(Wi)配對轉(zhuǎn)換成相對濕度（RHKi），同時將對應(yīng)實時記錄的溫度（ti）、濕度（wi）成本轉(zhuǎn)缺換成相關(guān)對濕度（RHSi），對兩個相對濕度比差（RH=|RHsi-RHki|、取絕對值），根據(jù)差值來確定是否需要調(diào)節(jié)、怎樣調(diào)節(jié)，若要調(diào)節(jié)，只需高調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)的濕度(Wi)，即可改變相對濕度實現(xiàn)了調(diào)節(jié)煙葉烘烤濕度的環(huán)境。這樣相對濕度本身是可測量，可調(diào)節(jié)的，達到了濕度關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化控制。兩個相對濕度比差示例，詳見表1：煙葉烘烤半小時烘烤時序相對濕度列表。

表1 煙葉烘烤半小時烘烤時序相對濕度列表

120 68 41 21.24 70.8 41 18.26 -2.98 2.98

2.3 (煙)葉出水量

溫度和濕度實現(xiàn)可測控后，這僅解決了煙葉所處的溫濕度小氣候環(huán)境，而更重要的是煙葉葉內(nèi)水分排出與保留，在烘烤過程中某一狀態(tài)下排出多少保留多少是促進和控制煙葉生化的關(guān)鍵過程，就是（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值，怎樣適當(dāng)測出煙葉出水量，辦法是將烤房掛煙架整體建于地重力感應(yīng)儀（常稱地磅）上，記錄一整炕煙葉適時排水量，便獲得了適當(dāng)排水量數(shù)據(jù)，具體事例見表2：煙葉烘烤過程半小時序排水量數(shù)據(jù)表。并且在烤房內(nèi)安裝成像系統(tǒng)，記錄煙葉干燥變化狀態(tài)，與煙葉出水量成對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)多次測試后，加以分析歸納，形成相對穩(wěn)定的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，作為煙葉烘烤的出水量標準數(shù)據(jù)，實現(xiàn)此關(guān)鍵閾值數(shù)據(jù)化，采用現(xiàn)行的更新烤房內(nèi)空氣來調(diào)節(jié)與控制。在煙葉烘烤控制應(yīng)用過程中，由安裝成像系統(tǒng)自行對比干燥狀態(tài)，選取數(shù)據(jù)中標準排水量，與運行中的烤房排水量對比，指令指導(dǎo)更換空氣排出水水量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)化控制。

煙葉烘烤過程從地重力感應(yīng)儀導(dǎo)出的每半小時排水量示例列表，見表2。

表2 地重力感應(yīng)儀導(dǎo)出的排水量列表

干燥速度狀態(tài)與排水量對應(yīng)關(guān)系示例，詳見表3，表中列出了干燥程度與排水量的多少（含占總排水量的百分占比）。

表3 干燥速度狀態(tài)與排水量對應(yīng)關(guān)系

脫量(水t)0.0450.2080.3340.3930.8471.1640.8320.4990.2140.088脫水量占1.0 4.5 7.2 8.5 18.3 25.2 18.0 10.8 4.6 1.9比(%)

3.示例烘烤調(diào)控關(guān)鍵閾值控制的調(diào)節(jié)參數(shù)

烘烤調(diào)控關(guān)鍵閾值調(diào)節(jié)，現(xiàn)行的烘烤控制器上均以10段式表現(xiàn)，現(xiàn)在數(shù)據(jù)化后，可以細化到半小時甚至15分鐘進行系統(tǒng)測量與比對，具體按關(guān)鍵閾值屬性與要求的精度統(tǒng)籌而定。

根據(jù)初試結(jié)果，下面對示例三個關(guān)鍵閾值的調(diào)節(jié)參數(shù)：

溫度參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則：前面提到，現(xiàn)行控制器有10個溫度預(yù)設(shè)點（Ti）進行調(diào)節(jié)，現(xiàn)溫度采用延長或縮短穩(wěn)溫時間來間接調(diào)整溫度后，直接從系統(tǒng)上就細分監(jiān)控與調(diào)節(jié)的頻度，本示例以半小時比對調(diào)節(jié)一次，如實際溫度不及煙葉所需溫度，在0.5度以內(nèi)不需調(diào)節(jié)，若在0.5度以上則需提前減少當(dāng)前穩(wěn)溫時間（Htwi）提前進入下步升溫階段（Htsi）進行增溫調(diào)節(jié)（預(yù)設(shè)的工藝增溫階段每半小時均在0.5度以內(nèi)）。

濕度參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)則：接前面示例所述，系統(tǒng)收取兩相對濕度值進行差值對比，若△RH = RHsi-RHki是正值，說明煙葉所處的空氣濕偏高，需將控制儀的Wi調(diào)?。徽{(diào)整幅度，△RH在2至5之間，Wi調(diào)小0.2度，△RH在5至10之間，Wi調(diào)小0.4度；經(jīng)此類推以△RH除5的倍數(shù)值配0.2權(quán)值再調(diào)整Wi；相反若△RH=RHsi-RHki是負值，需將控制儀的Wi調(diào)大，調(diào)整幅度與前面一樣；調(diào)整頻率可每2小時檢測對比調(diào)節(jié)一次。

排水量參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則：按某一段烘烤所需排水量，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相對時間內(nèi)排水量進行比差，差值再與數(shù)據(jù)庫內(nèi)排水量倍除比對計算，若在0.2以內(nèi)，風(fēng)量不調(diào)增或調(diào)減，若大于0.2，測按其倍數(shù)值調(diào)增和調(diào)減排出風(fēng)量，達到(煙)葉出水量的排出與保留的動態(tài)平衡。調(diào)整頻率可每1小時檢測對比調(diào)節(jié)一次。

4.三個關(guān)鍵閾值控制程序架構(gòu)思路

以濕度關(guān)鍵閾值調(diào)整作“父”程序，再（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值作“子”程序，最后以溫度關(guān)鍵閾值作“孫”程序。按以上示例，濕度關(guān)鍵閾值“父”程序2小時檢測對比調(diào)節(jié)1次，在這期間，（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值“子”程序運行比對調(diào)節(jié)2次，同樣，（煙）葉出水量關(guān)鍵閾值“子”程運行1次個周期內(nèi)，溫度關(guān)鍵閾值“孫”程序運行比對2次，達到整個程序就統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

5.小結(jié)

通過以上煙葉烘烤的關(guān)鍵閾值的確定，并列出數(shù)據(jù)量化方法，并找到了對應(yīng)的控制調(diào)節(jié)方式，將這方式寫入程序，接入網(wǎng)絡(luò)對集群烤房便可實現(xiàn)煙葉烘烤智能化、遠程化、集中化控制、也可寫入控制儀的芯片對單體烤房進行智能控制?？傊?，一定能大幅降低煙葉烘烤損失，增強煙葉香氣量和香氣質(zhì)這一基本要求。