薄板烘絲機(jī)出口含水率穩(wěn)定性控制方法研究

劉穗君，劉穎，趙萬(wàn)瑩，王海宇，楊光露，李超，劉磊，馮凱迪

薄板烘絲機(jī)出口含水率穩(wěn)定性控制方法研究

劉穗君1，劉穎1，趙萬(wàn)瑩1，王海宇2*，楊光露1，李超3，劉磊1，馮凱迪1

1 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽(yáng)卷煙廠，河南省南陽(yáng)市新華東路6號(hào) 473007；2 鄭州大學(xué)商學(xué)院，河南省鄭州市科學(xué)大道100號(hào) 450001；3 河南中心線電子科技有限公司，河南省鄭州市東里路41號(hào) 450004

【目的】解決薄板烘絲機(jī)出口含水率控制精度較低、波動(dòng)較大問(wèn)題。【方法】采用滑窗法監(jiān)測(cè)入口含水率的整體性波動(dòng)并進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)確控制，采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均（Exponentially Weighted Moving Average，EWMA）法對(duì)出口含水率的波動(dòng)及時(shí)調(diào)整，建立前饋和反饋相結(jié)合的出口含水率整合控制模型，并采用自學(xué)習(xí)算法對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化和修正。【結(jié)果】控制方法改進(jìn)后，出口含水率控制精度顯著提高，過(guò)程偏移量、標(biāo)準(zhǔn)差和極差分別降低50.0%、37.5%和14.3%，過(guò)程能力指數(shù)提高57.1%。【結(jié)論】基于滑窗預(yù)測(cè)和EWMA調(diào)整的薄板烘絲出口含水率穩(wěn)定性控制方法能有效提升該工序的質(zhì)量控制能力。

薄板烘絲機(jī)；出口含水率；滑動(dòng)窗口；指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均；自學(xué)習(xí)優(yōu)化

葉絲干燥是卷煙制絲工藝中的關(guān)鍵工序之一，通常將出口含水率作為該工序的關(guān)鍵質(zhì)量特性[1]。薄板烘絲機(jī)是廣泛應(yīng)用的葉絲干燥設(shè)備之一，目前對(duì)薄板烘絲機(jī)出口含水率的控制已有較多研究，如陳河祥等[2]研究了基于熱風(fēng)風(fēng)量控制模式的烘絲機(jī)出口含水率的改進(jìn)控制；趙漢文等[3]研究了基于平行移動(dòng)法的干燥工序前后含水率同步調(diào)控方法，有效提升了出口含水率的過(guò)程能力；孫覓等[4]研究了根據(jù)葉絲干燥速率特性進(jìn)行分組分段加工的試驗(yàn)方法；王巖等[5]分析了滾筒分段變溫干燥方式下烤煙葉絲質(zhì)量的變化特征；陰彥磊等[6]采用云推理的方法對(duì)葉絲干燥的筒壁溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析和控制；崔升和李日南[7]分析了出口含水率的影響因素并采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；李文偉等[8]則采用雙層EWMA控制器對(duì)出口含水率批次間的質(zhì)量一致性進(jìn)行控制。上述研究雖有效減少了薄板烘絲機(jī)出口含水率的波動(dòng)，但控制方式較單一，在含水率的控制精度、穩(wěn)定性、自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力等方面仍有提升空間。為此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建來(lái)料含水率預(yù)測(cè)控制和出口含水率EWMA反饋調(diào)整相結(jié)合的綜合控制模型，并根據(jù)控制效果采用自學(xué)習(xí)算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，以提高薄板烘絲機(jī)出口含水率穩(wěn)定性的控制能力。

1 控制方法

1.1 材料和設(shè)備

以南陽(yáng)卷煙廠生產(chǎn)的黃金葉（硬帝豪）卷煙為控制方法試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)過(guò)程中，該品牌規(guī)格卷煙采用以下工藝技術(shù)要求：HT工作蒸汽壓力0.3 MPa，物料流量3000 kg/h，薄板烘絲機(jī)熱風(fēng)溫度（115±2）℃，筒壁溫度（130±2）℃，排潮風(fēng)門開(kāi)度（20～70）%，出口含水率要求達(dá)到（13.0±0.5）%。為進(jìn)行控制方法設(shè)計(jì)，采集“黃金葉（硬帝豪）”卷煙的薄板烘絲工序的數(shù)據(jù)，包括來(lái)料含水率、物料流量、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、筒壁溫度、排潮負(fù)壓、排潮閥門開(kāi)度、出口含水率設(shè)定值、出口含水率實(shí)際值等主要過(guò)程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為5 s，共采集20個(gè)批次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

以南陽(yáng)卷煙廠薄板烘絲工序?yàn)檠芯繉?duì)象，該工序采用SH624B型烘絲機(jī)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司），含水率采用TM710e型煙草紅外水分儀（NDC紅外技術(shù)公司）檢測(cè)。

1.2 薄板烘絲過(guò)程整合控制模式

薄板烘絲機(jī)生產(chǎn)工藝過(guò)程控制主要采用兩種控制模式，即熱風(fēng)參數(shù)控制模式和薄板溫度控制模式。熱風(fēng)參數(shù)控制型主要是固定筒壁溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)熱風(fēng)或排潮來(lái)控制出口水分、溫度等；薄板溫度控制型主要是通過(guò)固定熱風(fēng)參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)筒壁溫度來(lái)控制出口水分、溫度等。根據(jù)“黃金葉（硬帝豪）”規(guī)格產(chǎn)品卷煙工藝技術(shù)要求，薄板烘絲工序主要是通過(guò)調(diào)整排潮閥門開(kāi)度值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)出口含水率的有效控制，其控制模式中的輸入為來(lái)料含水率，輸出為出口含水率，調(diào)節(jié)因素為排潮閥門開(kāi)度值，一般可采用PID反饋控制根據(jù)出口含水率的偏差對(duì)閥門開(kāi)度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。而熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、筒壁溫度等其它工藝參數(shù)（影響因素）均按照工藝技術(shù)要求設(shè)置設(shè)定值，并在允差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。為提高批次內(nèi)出口含水率控制的穩(wěn)定性，在PID控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)來(lái)料含水率的滑窗預(yù)測(cè)進(jìn)行前饋控制的同時(shí)，采用出口含水率的EWMA反饋調(diào)整，形成的整合性控制模型見(jiàn)圖1。

圖1 薄板烘絲過(guò)程的整合控制模型

1.3 基于來(lái)料含水率滑窗預(yù)測(cè)的出口含水率控制

為分析來(lái)料含水率對(duì)出口含水率變化的影響，通過(guò)測(cè)算葉絲物料在薄板烘絲機(jī)中的停留時(shí)間，將來(lái)料含水率與對(duì)應(yīng)的出口含水率變化情況進(jìn)行比對(duì)，見(jiàn)圖2。若來(lái)料含水率出現(xiàn)偶然性的減小，比如第16到第18個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，反映在出口含水率上并未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)；而在第42個(gè)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)了連續(xù)性的增大，來(lái)料含水率的整體增高，造成相應(yīng)時(shí)刻出口含水率也出現(xiàn)了趨勢(shì)性的增大。這是因?yàn)楹娼z機(jī)的滾筒能夠?qū)⒁欢〞r(shí)間段內(nèi)的物料進(jìn)行一定程度的混合，來(lái)料的短期變化往往對(duì)出口含水率的影響不大，但來(lái)料的趨勢(shì)性變化則會(huì)對(duì)出口含水率造成顯著的影響。

圖2 來(lái)料含水率與出口含水率的時(shí)間序列圖比對(duì)

為區(qū)分和識(shí)別來(lái)料含水率的整體趨勢(shì)性變化，可采用移動(dòng)滑窗的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，具體流程見(jiàn)圖3。設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為，為確定當(dāng)前來(lái)料的狀態(tài)，可采用近一段時(shí)間的前次采樣計(jì)算來(lái)料平均含水率：

其中，xi表示第i個(gè)時(shí)刻的來(lái)料含水率，當(dāng)前時(shí)刻來(lái)料含水率與其對(duì)應(yīng)的平均含水率的差：?？山⒁粋€(gè)包括n次采樣的滑窗識(shí)別來(lái)料含水率的趨勢(shì)性變化，[dt, dt-1, …dt-n+1]，參考過(guò)程質(zhì)量控制判異準(zhǔn)則，若連續(xù)有7個(gè)點(diǎn)在中心線同一側(cè)，則說(shuō)明過(guò)程中存在趨勢(shì)性偏移[9]，于是可令n=7。若一個(gè)滑窗中所有的7個(gè)dj（j=t, t-1, …t-n+1）都大于等于0，說(shuō)明來(lái)料含水率已出現(xiàn)了整體性的增大，則在秒后（即該滑窗第一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的出口時(shí)刻，其中M=310 s為物料從入口到出口的總時(shí)長(zhǎng)，h=5 s為采樣間隔）減小排潮閥門開(kāi)度值，以消除這種趨勢(shì)；相反，若一個(gè)滑窗中所有的dt都小于等于0，則需要在秒后增大排潮閥門開(kāi)度值；若這兩種情況都沒(méi)有出現(xiàn)，則繼續(xù)向前滑動(dòng)該窗口，以對(duì)來(lái)料含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而當(dāng)進(jìn)行調(diào)整后則需等待n個(gè)時(shí)刻后再重新建立滑窗，以避免對(duì)同一個(gè)變化趨勢(shì)進(jìn)行重復(fù)調(diào)整。

1.4 出口含水率的EWMA調(diào)整

PID反饋控制系統(tǒng)能夠?qū)Τ隹诤实妮p微變化進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)于較大的過(guò)程波動(dòng)往往難以及時(shí)實(shí)現(xiàn)有效控制，很多時(shí)候都需要操作人員進(jìn)行人工干預(yù)，這既增加了人員的工作強(qiáng)度，也由于操作人員的經(jīng)驗(yàn)差異造成批次質(zhì)量穩(wěn)定性下降，為此可運(yùn)用EWMA控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)出口含水率變化的自動(dòng)識(shí)別和調(diào)整。

令進(jìn)入正常生產(chǎn)階段的時(shí)刻為0，從此時(shí)刻開(kāi)始的第s個(gè)時(shí)刻t的出口水分為y，此時(shí)EWMA統(tǒng)計(jì)量為：

其中，0=，為出口含水率的目標(biāo)值，為EWMA平滑系數(shù)，一般取=0.2。參考統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制中EWMA控制圖的構(gòu)造方法[10]，將出口含水率判定為穩(wěn)定的閾值：

1.5 自學(xué)習(xí)優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，調(diào)整幅度的設(shè)置必須與實(shí)際應(yīng)用情況相適宜，排潮閥門開(kāi)度值的調(diào)整幅度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致控制不及時(shí)，調(diào)整滯后；幅度過(guò)大又容易導(dǎo)致過(guò)程振蕩，穩(wěn)定性下降，因此可采用自學(xué)習(xí)的方法對(duì)控制模型的調(diào)整幅度進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化。在整合控制模式中，共有四種情況的調(diào)整，根據(jù)來(lái)料含水率進(jìn)行調(diào)整的兩種情況分別記為調(diào)整A和B，根據(jù)出口含水率進(jìn)行調(diào)整的兩種情況分別記為調(diào)整C和D。四種調(diào)整的幅度可以各自通過(guò)自學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化，以調(diào)整A為例，自學(xué)習(xí)優(yōu)化流程見(jiàn)圖4。

圖4 自學(xué)習(xí)優(yōu)化流程圖

2 應(yīng)用效果

根據(jù)本文所述控制方法，自主開(kāi)發(fā)薄板烘絲出口含水率精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，并部署實(shí)施。自實(shí)施以來(lái)，共對(duì)3個(gè)品牌（規(guī)格）87個(gè)批次的薄板烘絲過(guò)程進(jìn)行了控制應(yīng)用，比較應(yīng)用前后的過(guò)程能力指數(shù)C，見(jiàn)圖5。

圖5 薄板烘絲出口含水率Cpk比較

從圖中可以看到，該工序的質(zhì)量水平提升效果顯著，3個(gè)牌號(hào)的C分別提高了48.6%、57.3%、55.7%。為進(jìn)一步說(shuō)明控制模型的應(yīng)用效果，以黃金葉（硬帝豪）卷煙為例，分別選取本控制模型應(yīng)用前后各10批工序出口含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行具體比較，分別計(jì)算這20個(gè)批次的薄板烘絲出口含水率的均值、方差、極差、C等過(guò)程質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 控制模型應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比

Tab.1 Data comparison before and after application of control model

注：應(yīng)用前數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2020年7月，應(yīng)用后數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2020年9月。

Note: the data acquisition time before and after application was July 2020 and September 2020, respectively.

表1顯示，控制模型應(yīng)用前出口含水率的平均偏移量為0.08%，模型應(yīng)用后為0.04%，降低50.0%；含水率標(biāo)準(zhǔn)差從模型應(yīng)用前的0.16%減少到應(yīng)用后的0.10%，降低37.5%；極差從模型應(yīng)用前的0.56%減少到應(yīng)用后的0.48%，降低14.3%；C從模型應(yīng)用前的1.05提高到應(yīng)用后的1.65，提高約57.1%?？刂菩Ч谋葘?duì)分析表明，本文提出的整合控制模型能有效提高薄板烘絲工序的質(zhì)量控制能力。

3 結(jié)論

本文采用滑窗法和EWMA法分別構(gòu)建了基于薄板烘絲工序入口含水率變化的前饋控制和基于出口含水率波動(dòng)的反饋控制方法，由此建立前饋反饋整合控制模型，并設(shè)計(jì)了一種自學(xué)習(xí)算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修正。選取南陽(yáng)卷煙廠生產(chǎn)的“黃金葉（硬帝豪）”卷煙為對(duì)象進(jìn)行應(yīng)用效果比對(duì)驗(yàn)證，出口含水率的平均偏移量、標(biāo)準(zhǔn)差和極差等指標(biāo)都顯著下降，過(guò)程能力指數(shù)明顯提升，表明過(guò)程質(zhì)量控制能力得到了提高。這種在線智能控制方法可以在其它類似的制絲生產(chǎn)工序中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1] 《卷煙工藝規(guī)范》編寫委員會(huì). 卷煙工藝規(guī)范[M]. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2016.

Committee Group of Cigarette Process Specification. Cigarette process specification[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2016.

[2] 陳河祥，李斌，李華杰，等. 滾筒烘絲機(jī)控制方法的改進(jìn)與對(duì)比分析[J]. 煙草科技，2011, 9: 12-15.

CHEN Hexiang, LI Bin, LI Huajie, et al. Improvement and comparison of control method for cylinder drier[J]. Tobacco Science & Technology, 2011, 9:12-15.

[3] 趙漢文，張軍，李納. 含水率平行移動(dòng)法穩(wěn)定葉絲干燥工序工藝參數(shù)的研究[J]. 煙草科技，2012, 10: 13-15.

ZHAO Hanwen, ZHANG Jun, LI Na. Stabilizing technical parameters in cut tobacco drying with moisture content parallel shift method[J]. Tobacco Science & Technology, 2012, 10: 13-15.

[4] 孫覓，李春光，宋偉民，等. 基于葉絲干燥速率特性的分組干燥研究[J]. 煙草科技，2015, 48(4): 66-70.

SUN Mi, LI Chunguang, SONG Weimin, et al. Research on grouping drying based on drying rate of cut strips[J]. Tobacco Science & Technology, 2015, 48(4): 66-70.

[5] 王巖，朱文魁，劉楷麗，等. 滾筒分段變溫干燥方式下烤煙葉絲質(zhì)量的變化特征[J]. 煙草科技，2015, 48(8): 60-66.

WANG Yan, ZHU Wenkui, LIU Kaili, et al. Quality variation characteristics of cut strips of flue-cured tobacco during dual-temperature drying[J]. Tobacco Science & Technology, 2015, 48(8): 60-66.

[6] 陰彥磊，何邦華，唐軍，等. 基于云推理的葉絲干燥筒壁溫度預(yù)測(cè)方法[J]. 煙草科技，2017, 50(3): 80-87.

YIN Yanlei, HE Banghua, TANG Jun, et al. Method of predicting cylinder wall temperature of cut strip drier based on cloud reasoning[J]. Tobacco Science & Technology, 2017, 50(3): 80-87.

[7] 崔升，李日南. 基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的滾筒烘絲機(jī)葉絲干燥工藝的優(yōu)化[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018, 46(11):130-133.

CUI Sheng, LI Rinan. Drying process optimization of cut tobacco in drum dryer based on robust design[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2018, 46(11):130-133.

[8] 李文偉，靳毅，王海宇，等. 基于雙層EWMA方法的葉絲干燥出口含水率質(zhì)量一致性控制[J]. 煙草科技，2020, 53(5): 93-98.

LI Wenwei, JIN Yi, WANG Haiyu, et al. Consistency control of moisture content in output cut strips from drying process based on double EWMA method[J]. Tobacco Science & Technology, 2020, 53(5):93-98.

[9] 熊偉. 現(xiàn)代質(zhì)量管理[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2008.

XIONG Wei. Modern quality management[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2008.

[10] 王海宇，喬百豪，瞿博陽(yáng). 基于APL的EWMA控制圖經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].運(yùn)籌與管理, 2020, 29(2):1-9.

WANG Haiyu, QIAO Baihao, QU Boyang. Economic-statistical Design of EWMA Control Chart Based on APL[J]. Operations Research and Management Science, 2020, 29(2):19-27.

Study on stability control method of outlet moisture content of cut-tobacco drier

LIU Suijun1, LIU Ying1, ZHAO Wanying1, WANG Haiyu2*, YANG Guanglu1, LI Chao3, LIU Lei1, FENG Kaidi1

1 Nanyang Cigarette factory, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Nanyang 473007, China;2 Business School, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;3 Henan Center Line Electronic Science and Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450004, China

[] This study aims to promote the control precision of outlet moisture content of cut-tobacco drier and decrease quality variation. [] A sliding window method was used to monitor fluctuation of inlet moisture content An Exponentially Weighted Moving Average (EWMA) method was used to adjust outlet moisture content timely. An integrated control model was established by combining feedforward and feedback control, and further revised by self-learning optimization algorithm. [] The results showed that the control precision of outlet moisture content was significantly improved, with pdeviation, extreme difference and mean square error decreased by 50.0%, 37.5% and 14.3% respectively, and the capability index increased by 57.1%. [] Stability control method of moisture content in cut tobacco drying process based on sliding window forecast and EWMA adjustment can effectively improve the quality control capability of cut tobacco drier.

cut-tobacco drier; outlet moisture content; sliding window; exponentially weighted moving average; self-learning optimization

. Email：45211474@qq.com

劉穗君，劉穎，趙萬(wàn)瑩，等. 薄板烘絲機(jī)出口含水率穩(wěn)定性控制方法研究[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2022，28（5）.

LIU Suijun, LIU Ying, ZHAO Wanying, et al. Study on stability control method of outlet moisture content of cut-tobacco drier[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022, 28(5).

10.16472/j.chinatobacco.2021.260

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于PLD的過(guò)程質(zhì)量控制經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”（71672209）；河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“制絲質(zhì)量精準(zhǔn)控制系統(tǒng)平臺(tái)研究及推廣應(yīng)用”（2018410006340007）

劉穗君（1976—），本科，工程師，主要從事卷煙工藝技術(shù)研究，Tel：0377-63038957，Email：nyliusj@qq.com

王海宇（1979—），Tel：0371-62506113，Email：45211474@qq.com

2021-12-22；

2022-06-22