探索氣流式烘絲過程水分影響體系的研究

秦 凌 鄭 炯 朱 軼 滑曄軍 潘 軍

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082）

氣流式烘絲出口水分穩(wěn)定性是評價煙絲質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，該文將重點從設(shè)備原理、生產(chǎn)流程、過程參數(shù)影響、參數(shù)試驗等方面較為全面地探索煙絲在氣流式烘絲機(jī)內(nèi)部的過程水分變化情況，針對性地提升氣流式烘絲機(jī)出口水分穩(wěn)定性的控制能力。

1 數(shù)據(jù)樣本

該文選取了在平穩(wěn)生產(chǎn)過程中某一批次的大批數(shù)據(jù)作為研究樣本數(shù)據(jù)，其中大批生產(chǎn)包括四個小批的連續(xù)生產(chǎn)。該文將通過大批生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)來著重研究氣流式烘絲機(jī)過程的水分變化情況。

1.1 數(shù)據(jù)處理

大批分為四個小批次，每個小批次數(shù)據(jù)以6s作為原始數(shù)據(jù)間隔。而過程數(shù)據(jù)可能存在的缺失、重復(fù)、異常等情況，由于相鄰數(shù)據(jù)時間間隔過短的原因，針對缺失值的情況，會采取相鄰兩位取均值替代的方法，填補(bǔ)中間缺失值；針對數(shù)值重復(fù)的情況，需要根據(jù)重復(fù)段長來決定處理方法，重復(fù)段長為5個點以內(nèi)，不做處理，重復(fù)段長超過5個點，進(jìn)行數(shù)據(jù)泛化和刪除處理；由于生產(chǎn)分為料頭、料尾、平穩(wěn)生產(chǎn)過程，因此數(shù)據(jù)異常值處理主要針對平穩(wěn)段。針對異常數(shù)據(jù)的情況，會預(yù)先以3個標(biāo)準(zhǔn)差為控制限對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，刪除處于控制線以外的點。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

煙絲在進(jìn)入氣流式烘絲機(jī)至風(fēng)選出口的停留時間一般為2min~3min，為了保證后續(xù)能充分分析數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行壓縮處理。第一類為原始數(shù)據(jù)過程，數(shù)據(jù)時間間隔為6s；第二類為基于第一類原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計壓縮的數(shù)據(jù)，時間間隔為5min。

2 數(shù)據(jù)分析

利用大批數(shù)據(jù)的小批次原始數(shù)據(jù)與時間間隔5min的壓縮數(shù)據(jù)來探究烘絲入口水分與中部水分、風(fēng)選出口水分的關(guān)系。

2.1 原始數(shù)據(jù)分析

對原始數(shù)據(jù)間隔為6s的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行氣流式烘絲機(jī)入口水分、中部水分、出口水分的現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，每個大批內(nèi)的各小批水分均值表現(xiàn)并不一致，但是水分波動范圍基本在±0.2。而中部水分第一小批由于受到入口水分第一小批水分相對較高的影響，而出現(xiàn)頭批過高的現(xiàn)象，后續(xù)基本在16.8左右波動。

風(fēng)選出口水分表現(xiàn)出明顯的正弦變化，反應(yīng)氣流式烘絲機(jī)連接出口水分與工藝氣體溫度的PID調(diào)節(jié)產(chǎn)生了全程控制的效果。

由于氣流式烘絲機(jī)生產(chǎn)過程中，煙絲從準(zhǔn)備進(jìn)入設(shè)備到烘絲結(jié)束的時間大約為2min，因此原始數(shù)據(jù)間隔為6s的數(shù)據(jù)樣本不能直接進(jìn)行水分段關(guān)聯(lián)分析，后續(xù)需要對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行壓縮處理。

2.2 1min數(shù)據(jù)分析

由于同一時刻下的入口、中部、風(fēng)選出口水分在6s的時間間隔內(nèi)并不是相對應(yīng)的煙絲測量值，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以大致逼近對應(yīng)時間段煙絲的入口、中部、風(fēng)選出口水分值，于是利用5min的時間間隔進(jìn)行壓縮數(shù)據(jù)和分析。如圖1所示。

圖1為5min壓縮的矩陣圖，顯示氣流式烘絲機(jī)中部出口水分與葉絲風(fēng)選出口水分存在相關(guān)系數(shù)為0.6的相關(guān)性，從而反映了風(fēng)選段對水分影響的定量作用并不會改變水分的趨勢性變化，而入口水分與兩者關(guān)聯(lián)性并不大。

圖1 氣流式烘絲各段水分矩陣圖

3 設(shè)備機(jī)理控制

由于氣流式烘絲機(jī)出口水分的PID控制是水分控制的關(guān)鍵，與中部水分相比，PID循環(huán)控制以出口水分作為反饋點更精確。圖2為氣流式烘絲機(jī)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理示意圖。

圖2 氣流式烘絲機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可見，系統(tǒng)內(nèi)部以煙絲風(fēng)選冷卻水分作為負(fù)反饋，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部的熱風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)最終的風(fēng)選出口水分，而熱風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)指令會發(fā)送到燃燒爐，以調(diào)節(jié)燃燒爐功率，從而實現(xiàn)整體水分穩(wěn)定性控制的功能，而中部煙絲水分由于煙絲溫度過高，水分測量并不準(zhǔn)確，因此并不能作為PID的負(fù)反饋調(diào)節(jié)輸入；由于氣流式烘絲機(jī)采取恒流量控制，在進(jìn)口處會有水分實際值檢測和公式換算來確定相應(yīng)的質(zhì)量控制輸入。

物料在達(dá)到規(guī)定的流量后進(jìn)入烘絲機(jī)內(nèi)部，經(jīng)振槽、進(jìn)料口、引拋針輥混合蒸汽進(jìn)入工藝處理段，后經(jīng)氣鎖分離物料和工藝氣體，工藝氣體通過風(fēng)機(jī)循環(huán)回流，物料經(jīng)旋風(fēng)落料器、VAS后冷卻輸送。

其中物料水分穩(wěn)定性控制主要受出口水分PID控制模塊、設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)狀態(tài)、物料進(jìn)入進(jìn)料口時物氣混合狀態(tài)以及生產(chǎn)運(yùn)行對頭、尾料的控制水平的影響。接下來該文將介紹其中4個主要方面的改進(jìn)方法。

4 水分穩(wěn)定性提升措施

4.1 水分控制系統(tǒng)改進(jìn)

由于氣流式烘絲機(jī)工作時間較短、自動化程度較高，其中最核心的是出口水分PID控制系統(tǒng)，而、、D參數(shù)設(shè)置是控制水分調(diào)節(jié)幅度和時機(jī)的關(guān)鍵。（比例）代表最終的水分步伐調(diào)節(jié)比例，決定了振幅的大小。（積分）代表歷史水分波動的總和，反應(yīng)的是對未來水分波動的預(yù)判，一般決定了波動的周期。D（微分）代表水分調(diào)節(jié)的斜率，反應(yīng)的是水分變化的劇烈程度。因此不同的入口水分、出口水分控制以及設(shè)備環(huán)境都有不同的PID設(shè)置，且隨著生產(chǎn)進(jìn)行、設(shè)備的老化與生產(chǎn)條件的變化，原先已經(jīng)預(yù)設(shè)的PID設(shè)置水平已經(jīng)不能滿足最優(yōu)化的調(diào)整，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

改進(jìn)預(yù)防措施如下：需要結(jié)合現(xiàn)有條件對目前PID的三個參數(shù)進(jìn)行三因子的田口試驗，并且引入環(huán)境溫濕度作為噪聲因子，通過以1批~2批最終的烘絲出口水分標(biāo)偏作為每組試驗結(jié)果指標(biāo)來找尋最佳的PID設(shè)備參數(shù)設(shè)置。

僅改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置還不夠完全，由于最終水分調(diào)節(jié)指令通過改變?nèi)紵隣t的功率來達(dá)到調(diào)節(jié)工藝氣體溫度的目的，因此燃燒爐是指令執(zhí)行的最基礎(chǔ)單元。而含碳的燃料長期在爐內(nèi)燃燒必然會造成爐內(nèi)積碳和結(jié)垢，造成燃燒爐功率過高或者無法加熱工藝氣體溫度到規(guī)定指令的功率。因此定期維護(hù)和檢查燃燒爐以及燃燒爐與工藝氣體進(jìn)行熱交換的熱交換器狀態(tài)是系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。

4.2 設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)差異化調(diào)整

氣流式烘絲機(jī)在實際生產(chǎn)過程中，持續(xù)性生產(chǎn)與間歇性生產(chǎn)所形成的設(shè)備狀態(tài)存在差異。當(dāng)設(shè)備預(yù)熱啟動和間歇后啟動生產(chǎn)時，由于機(jī)器由冷機(jī)向熱機(jī)狀態(tài)做過渡，相較于連續(xù)生產(chǎn)，氣流式烘絲機(jī)達(dá)到設(shè)備最佳運(yùn)行狀態(tài)所需要的時間更長，甚至生產(chǎn)過程中并未達(dá)到與持續(xù)生產(chǎn)時一樣的最佳運(yùn)行狀態(tài)。為了縮小氣流式烘絲機(jī)間歇性生產(chǎn)與持續(xù)性生產(chǎn)的差異，需要針對兩種生產(chǎn)狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)。

改進(jìn)措施如下。1）冷批：定義如果兩批生產(chǎn)時間間隔超過3小時以上，第二批為冷批生產(chǎn)；2）熱批：定義兩批生產(chǎn)時間間隔在1小時以內(nèi)的，兩批視為連續(xù)生產(chǎn)；3）其他：兩批生產(chǎn)間隔時間為1h~3h，可以適當(dāng)折中對待。

在對冷、熱生產(chǎn)狀態(tài)的批次煙絲進(jìn)行多次試驗生產(chǎn)后總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在冷批生產(chǎn)時，設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境等因素處于較低水平，氣流式烘絲機(jī)為了快速達(dá)到最佳工作狀態(tài)，其啟動溫度、預(yù)熱溫度相對熱批生產(chǎn)時高2℃~3℃。且進(jìn)料的物料流量在控制范圍內(nèi)時，冷批相對熱批要多30kg/h，冷批烘絲出口水分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的用時與熱批相近，且過程中水分穩(wěn)定性有所加強(qiáng)。

4.3 物料進(jìn)口狀態(tài)調(diào)整

物料進(jìn)入氣流式烘絲機(jī)內(nèi)部都是經(jīng)過振槽下落至進(jìn)料口，經(jīng)針輥、蒸汽打散后落入工藝處理段。而物料進(jìn)入筒內(nèi)時，煙絲是否充分松散、水分是否均勻?qū)⒅苯佑绊懙焦に嚉怏w對煙絲的干燥效果。因此在進(jìn)料處對煙絲進(jìn)行充分松散顯得尤為重要。其中針輥中的蒸汽由于受到外部條件限制無法更改，但是針輥上針孔的松堵需要定時進(jìn)行維護(hù)，以保證松散效果。除了關(guān)鍵設(shè)備的定時維護(hù)外，關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置也是重要的影響因素之一，其中引拋電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)置直接關(guān)乎煙絲下落的松散度，為了探尋最佳的設(shè)置水平，該文對進(jìn)料處引拋電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因子試驗。

試驗方案如下：選中兩批煙絲進(jìn)行試驗，在第一批生產(chǎn)批次中，前半批生產(chǎn)時間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為52r/min，并且記錄該設(shè)置下的開始、結(jié)束時間，之后根據(jù)生產(chǎn)時間進(jìn)行風(fēng)選出口水分標(biāo)偏值的計算，后半批生產(chǎn)時間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為55r/min，同樣記錄該設(shè)置下的生產(chǎn)時間，之后同理計算風(fēng)選出口水分標(biāo)偏值；在另一批煙絲生產(chǎn)過程中，效仿第一批52r/min、50r/min式，驗證電機(jī)轉(zhuǎn)速為52r/min、50r/min各自對應(yīng)的風(fēng)選出口水分標(biāo)偏值。

經(jīng)過兩批次的單因子試驗，結(jié)果如下：在保持其他條件不變的前提下，在同一批次生產(chǎn)中間進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，得到對應(yīng)時間段內(nèi)的風(fēng)選出口水分標(biāo)偏。對比在同批次內(nèi)進(jìn)行的不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下風(fēng)選出口水分標(biāo)偏結(jié)果，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速為52 r/min時，氣流式烘絲機(jī)風(fēng)選出口水分較為穩(wěn)定。

4.4 生產(chǎn)過程操作優(yōu)化

料頭、料尾是流程化生產(chǎn)不可避免出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，而料頭的控制對后續(xù)平穩(wěn)階段的生產(chǎn)顯得更重要。因此能否將料頭出口水分狀態(tài)更快速和準(zhǔn)確地控制至平穩(wěn)階段，會直接影響整體烘絲出口水分的穩(wěn)定性，而人為設(shè)置的燃燒爐啟動功率和設(shè)備的預(yù)熱溫度又是料頭生產(chǎn)中的關(guān)鍵參數(shù)，因此為了探尋兩者在一般生產(chǎn)工況條件下的最佳設(shè)置水平組合，該文將進(jìn)行兩參數(shù)全因子試驗，以風(fēng)選出口水分標(biāo)偏作為試驗結(jié)果值。試驗方案與試驗結(jié)果見表1。

根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)，通過最優(yōu)化分析找尋出在一般工況條件下生產(chǎn)時啟動功率、預(yù)熱溫度的最佳設(shè)置水平組合，分析如圖3所示。

表1 正交試驗記錄表

通過響應(yīng)優(yōu)化以及結(jié)合圖3所示的交互分析效應(yīng)圖可以得出，在當(dāng)前工況條件下，為了達(dá)到風(fēng)選出口水分更高的穩(wěn)定性水平，啟動功率和預(yù)熱溫度的最佳設(shè)置組合應(yīng)為54kW和217℃。并且預(yù)測最佳的風(fēng)選出口水分標(biāo)偏在0.168左右。

圖3 柔性風(fēng)選出口水分標(biāo)偏交互作用圖

后續(xù)為保證試驗分析結(jié)果的有效性，需要進(jìn)行優(yōu)化驗證。通過在相同工況條件下，連續(xù)進(jìn)行為期一周的優(yōu)化驗證生產(chǎn)，統(tǒng)計出為期一周共40批的驗證生產(chǎn)批次的風(fēng)選出口水分標(biāo)偏均值為0.175，試驗改善效果較為明顯。

5 總結(jié)

通過分析原始過程數(shù)據(jù)找出氣流式烘絲機(jī)過程關(guān)鍵水分點之間的相關(guān)關(guān)系，為后續(xù)水分階段化控制提供參考依據(jù)。解析氣流式烘絲機(jī)內(nèi)部設(shè)備原理與控制系統(tǒng)，從內(nèi)部控制與現(xiàn)場設(shè)備改進(jìn)角度出發(fā)，總結(jié)過程水分與風(fēng)選出口水分穩(wěn)定性控制的相關(guān)舉措，將氣流式烘絲機(jī)水分變化鏈條透明化。結(jié)合實際生產(chǎn)模式下的具體生產(chǎn)條件，探索出設(shè)備最佳的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置水平，從而規(guī)范生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提升氣流式烘絲機(jī)水分控制能力。