基于機器學(xué)習(xí)的烘絲出口水分穩(wěn)定性控制

李培茂 趙傳民 何林洋 卓 亮 韓翔雨

（四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽卷煙廠，四川 綿陽 621000）

1 薄板式烘絲機結(jié)構(gòu)、原理介紹

1.1 薄板式烘絲機結(jié)構(gòu)

SH664P 型薄板式烘絲機主要由滾筒、輸送轉(zhuǎn)置、前室、后室、支架等部件和蒸汽系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)[1]3個系統(tǒng)組成。

1.2 烘絲機生產(chǎn)原理

在實際生產(chǎn)過程中，薄板式烘絲機經(jīng)蒸汽預(yù)熱、加熱后的筒壁并與煙絲直接接觸，被已經(jīng)增溫、增濕后的煙絲快速加熱并蒸發(fā)水分，同時筒內(nèi)的抄板也會不斷抄起煙絲使其不斷往前行進。該過程中煙絲與經(jīng)過前室進入的熱風(fēng)進行均勻混合，通過熱風(fēng)的熱對流加熱，加速蒸發(fā)煙絲中的水分與青雜氣，最終通過除塵系統(tǒng)排出。生產(chǎn)過程中的熱量主要由蒸汽提供。一路蒸汽通過熱交換器將熱量傳遞給筒壁，通過加熱筒壁來直接干燥煙絲；另一路蒸汽通過加熱裝置把熱量傳遞給新風(fēng)，通過熱風(fēng)來干燥煙絲。因此烘絲機是通過筒壁加熱和熱風(fēng)加熱來干燥煙絲的[2]。

烘絲生產(chǎn)過程一般劃分為3 個階段，即預(yù)熱生產(chǎn)階段、過程穩(wěn)定生產(chǎn)階段和尾料倒料階段。在正式生產(chǎn)開始前，車間會對烘絲機設(shè)備進行提前預(yù)熱，主要是通過蒸汽管路的初始壓力設(shè)置和傳動裝置的提前設(shè)置，使設(shè)備快速由冷機工作環(huán)境向待生產(chǎn)熱機環(huán)境過渡、切換，經(jīng)過規(guī)定時間的預(yù)熱后，正式切換到正常生產(chǎn)過程。在正常生產(chǎn)的初始生產(chǎn)階段，由于進料流量低、筒內(nèi)煙絲較少、筒內(nèi)空氣相對濕度低以及吸濕能力強等原因，烘絲出口處的部分煙絲會出現(xiàn)水分過干的現(xiàn)象，該過程一般稱為料頭。隨著進料量增加和生產(chǎn)的正常推進，烘絲機出口處的煙絲水分逐漸大于8%。將持續(xù)3min 后的生產(chǎn)階段定義為過程生產(chǎn)階段[3]。當(dāng)生產(chǎn)快接近尾聲時，皮帶秤在一段時間內(nèi)檢測不到物料，此時烘絲機進入快速倒料狀態(tài)，烘絲機滾筒轉(zhuǎn)速迅速提高，對進入滾筒的煙絲進行噴蒸汽加濕，以減少煙絲料尾量。

1.3 筒壁溫度控制系統(tǒng)

在干燥過程中，筒壁起了主要加熱作用，筒壁溫度的控制不僅對出口煙絲含水率的穩(wěn)定具有關(guān)鍵作用，還會影響煙絲工藝品質(zhì)。壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定的壓力值調(diào)節(jié)氣動薄膜閥，從而調(diào)節(jié)蒸汽壓力和流量，進而控制筒壁溫度。從蒸汽壓力變化到筒壁溫度響應(yīng)是2 個過程，先是飽和蒸汽壓力增加，蒸汽溫度升高，然后加熱熱交換器使，筒壁溫度升高，但筒內(nèi)容積不變，該熱力學(xué)過程可視為飽和濕蒸汽定容升壓過程。初始時刻，飽和濕蒸汽壓力為p0，溫度為t0，飽和濕蒸汽質(zhì)量為m0，體積為v0，焓值為h0。當(dāng)氣動薄膜閥開啟時，熱交換器內(nèi)的飽和濕蒸汽量增加，質(zhì)量為m1，體積不變?yōu)関0=v1，壓力升高為p1，焓值為h1。滾筒將熱量傳遞給煙絲和熱風(fēng)，筒壁自身溫度降低并吸收飽和蒸汽的熱量，蒸汽熱量由筒壁傳遞到熱風(fēng)與煙絲[4]，而滾筒外側(cè)有一部分熱量損失。筒壁溫度的控制實際上是對筒壁壓力進行控制，烘絲機飽和蒸汽壓力的工作范圍為0MPa～1MPa（約99℃～183℃），常用的經(jīng)驗公式為Antoine 經(jīng)驗公式，運用最小二乘法對試驗值進行非線性回歸，得出水的飽和蒸汽壓的公式，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：ps表示水在T℃時的飽和蒸汽。

2 烘絲段數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計與處理

該文以天下秀（金）為研究煙絲配方號，利用制絲車間SPC 過程統(tǒng)計控制系統(tǒng)的數(shù)采參數(shù)體系采集、導(dǎo)出2022 年11 月—2023 年2 月期間的SIROX 段和烘絲段的所有數(shù)采參數(shù)原始過程數(shù)據(jù)，再利用該數(shù)據(jù)樣本進行烘絲機過程水分預(yù)測分析。

2.1 異常數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)樣本中將30s 作為數(shù)采參數(shù)間隔頻率，其中批次物料量為4200kg 左右，對應(yīng)批次內(nèi)正常物料流量為4000kg/h，因此單批數(shù)采點數(shù)為110 個左右。針對過程原始數(shù)據(jù)可能存在的缺失、重復(fù)和異常等情況根據(jù)如下規(guī)則進行處理：1）針對缺失數(shù)據(jù)塊，以均值化填充、連續(xù)行刪除作為主要處理方法。2）針對連續(xù)行重復(fù)數(shù)據(jù)，需要結(jié)合對應(yīng)時間點的生產(chǎn)狀況判斷是否停機、設(shè)備數(shù)采是否正常，進而決定是否刪除重復(fù)行數(shù)據(jù)，只保留重復(fù)行的第一行數(shù)據(jù)。3）針對異常值數(shù)據(jù)，需要提前進行以3 個標(biāo)準(zhǔn)差為控制限的控制圖分析，刪除控制限上、下限以外的數(shù)據(jù)。

2.2 生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)階段劃分

在實際生產(chǎn)過程中，由于工序段的物料流量、SIROX入口水分和出口水分的狀態(tài)數(shù)值分別有對應(yīng)的料空、料頭、過程和料尾階段，因此將在SIROX 入口處未持續(xù)檢測到煙絲的階段定義為SIROX 料空階段；將持續(xù)檢測到煙絲流量≥100kg/h 且延時3min 的階段定義為SIROX 料頭階段（烘絲入口水分參數(shù)同步物料流量判定標(biāo)準(zhǔn)）；將經(jīng)過正常生產(chǎn)階段后，持續(xù)檢測到煙絲流量≤100kg/h 且延時3min 的階段定義為SRIOX 料尾階段；將在烘絲出口處，出口水分≥8%且延時3min 的階段定義為烘絲料頭階段；將經(jīng)過正常生產(chǎn)后，出口水分≤8%且延時3min 的階段定義為烘絲料尾階段；將生產(chǎn)過程中除去料空、料頭和料尾的剩余生產(chǎn)階段定義為過程階段。該文將著重研究料頭階段、過程階段的水分過程預(yù)測與調(diào)整。

3 烘絲段數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)狀數(shù)據(jù)分析

選取2022 年11 月—2023 年2 月的SIROX 入口水分、烘絲機出口水分原始數(shù)據(jù)進行現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)在2022 年11—2023 年2 月期間，SIROX 入口水分批次間均值整體維持在20.3±0.3%，入口水分標(biāo)偏整體為0.07，烘絲機出口水分批次內(nèi)標(biāo)偏整體為0.07。

3.2 參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析

對2022 年11 月—2023 年2 月的料頭階段、過程階段的原始參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析，尋找在料頭階段、過程階段內(nèi)與烘絲出口水分存在顯著相關(guān)性[5]的參數(shù)及參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。

分析料頭生產(chǎn)階段的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)烘絲機熱風(fēng)風(fēng)速與烘絲機出口水分存在顯著的二次線性相關(guān)性，并且通過二次線性回歸進行驗證，回歸的R-Sq=78.9%，線性回歸表達式如下：烘絲機出口水分實際值=-1184+6084×烘絲熱風(fēng)風(fēng)速實際值-7725×烘絲熱風(fēng)風(fēng)速實際值2。

對過程階段的SIROX 段、烘絲段參數(shù)進行矩陣分析。由于SIROX 段閥前蒸汽壓力在機理上會直接影響蒸汽體積流量，并且SIROX 段閥前蒸汽壓力和蒸汽體積流量在數(shù)據(jù)上存在強線性關(guān)系，因此后續(xù)分析中只保留兩者中的SIROX 段閥前蒸汽壓力這一參數(shù)。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，由于蒸汽壓力和筒壁溫度的換算關(guān)系呈直線性關(guān)系，因此后續(xù)分析不再考慮蒸汽壓力參數(shù)?；厮疁囟扰c筒壁溫度參數(shù)也存在顯著關(guān)聯(lián)性，而排潮負壓和排潮開度的關(guān)系卻并不顯著，因此均做保留。至于烘絲機內(nèi)數(shù)值保持不變的參數(shù)，也要進行刪除處理，包括“烘絲機蒸汽流量”“烘絲機蒸汽溫度”和“烘絲機熱風(fēng)風(fēng)機頻率”，最終得到了用于構(gòu)建烘絲機出口水分預(yù)測模型的數(shù)據(jù)樣本。

4 構(gòu)建烘絲出口水分預(yù)測控制模型

對烘絲機出口水分原始過程數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，檢驗結(jié)果顯示：AD=26.001，P＜0.005，正態(tài)檢驗不通過，因此需要對烘絲機出口水分?jǐn)?shù)據(jù)做BOX-COX 變換，以形成正態(tài)分布轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。關(guān)于參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用Z-Score 標(biāo)準(zhǔn)化對整體數(shù)據(jù)進行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。

首先，針對料頭階段數(shù)據(jù)，運用Tree Net 算法[6]，將原始標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中的烘絲機出口水分作為響應(yīng)變量，將SIROX段、烘絲段剩余參數(shù)作為解釋變量，以平方誤差為損失函數(shù)，以最大R2為選擇最優(yōu)樹數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)，用5 折疊交叉驗證進行模型驗證，模型學(xué)習(xí)速率為0.01032，以模型最大終端節(jié)點數(shù)為6、最小終端節(jié)點數(shù)為3、子樣本部分為0.5 進行學(xué)習(xí)，構(gòu)建最優(yōu)樹數(shù)為300的烘絲出口水分料頭部分的TreeNet回歸，整體模型R2為95.3%。根據(jù)模型得出的參數(shù)因子效應(yīng)的前6名排序和數(shù)值分別為烘絲前秤物料累積量（100）、SIROX 閥后蒸汽壓力（10.8）、熱風(fēng)溫度（9.1）、烘絲入口水分（8.2）、烘絲熱風(fēng)風(fēng)速（7.3）和SIROX 閥前蒸汽壓力（6.2）。

模型訓(xùn)練與預(yù)測效果對比圖如圖1 所示（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)還原后）。

圖1 TreeNet 模型評價指標(biāo)圖

根據(jù)料頭階段烘絲出口水分的Tree Net 回歸模型，并結(jié)合料頭階段烘絲出口水分與熱風(fēng)風(fēng)速的二次線性關(guān)系，得出以筒壁溫度、熱風(fēng)風(fēng)速作為輸出并控制料頭階段水分快速、穩(wěn)定爬升的措施。

在烘絲生產(chǎn)過程中，熱風(fēng)風(fēng)速PID[7]控制單元主要以輸入的烘絲出口水分實際值與目標(biāo)值的偏差水平來調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)速。在料頭生產(chǎn)開始階段，烘絲出口一段時間內(nèi)無法檢測到物料，但入口處物料仍不斷進入筒內(nèi)，熱風(fēng)風(fēng)速的爬升根據(jù)預(yù)先設(shè)定的步驟進行調(diào)整，直至烘絲出口檢測到煙絲物料后，熱風(fēng)風(fēng)速PID 才接入線性回歸控制。但熱風(fēng)風(fēng)速起始控制狀態(tài)可能會發(fā)生一定波動，造成料頭階段向穩(wěn)定階段過渡的時間變長。由于入口煙絲狀態(tài)的變異持續(xù)性輸入烘絲筒內(nèi)，而烘絲出口又持續(xù)未檢測到煙絲，不能對入口煙絲的變異做出一定調(diào)整，因此需要對熱風(fēng)風(fēng)速PID 進行優(yōu)化，主要是調(diào)整、優(yōu)化PID 參數(shù)的I參數(shù)。改進后的熱風(fēng)風(fēng)門PID聯(lián)動控制邏輯為I=f（n，E，t，γ，T），n為入口流量，E為入口水分，t為熱風(fēng)溫度，γ為熱風(fēng)風(fēng)門開度，T為筒壁溫度。引入入口煙絲狀態(tài)數(shù)值，在熱風(fēng)風(fēng)速的負反饋調(diào)節(jié)中加入前饋調(diào)整，使料頭生產(chǎn)階段的熱風(fēng)風(fēng)速能對入口煙絲變異做出一定的反應(yīng)與調(diào)整。

其次，針對過程階段原始數(shù)據(jù)，運用Random Forests 算法[8]，在原始標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中將烘絲機出口水分作為響應(yīng)變量，將SIROX 段、烘絲段剩余參數(shù)作為解釋變量，隨機選擇80%樣本為訓(xùn)練集，20%樣本為測試集，將最小內(nèi)部節(jié)點設(shè)置為5，為進行節(jié)點拆分而選定的預(yù)測變量數(shù)為4，構(gòu)建Bootstrap樣本數(shù)為300、R2為87.73%的Random Forests 回歸模型。根據(jù)模型得出的參數(shù)因子效應(yīng)前6 名排序和數(shù)值分別為SIROX閥后蒸汽壓力（100）、烘絲前秤累積量（21.4）、烘絲閥前蒸汽壓力（17.5）、一區(qū)筒壁溫度（17.5）、二區(qū)筒壁溫度（15.6）和烘絲入口水分（15.5）。

模型訓(xùn)練與預(yù)測效果對比圖如圖2 所示（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)還原后）。

圖2 Random Forests 回歸模型評價指標(biāo)圖

根據(jù)過程階段烘絲出口水分的Random Forests 回歸模型，并結(jié)合過程階段烘絲出口水分與筒壁溫度的一次線性關(guān)系，得出以筒壁溫度作為輸出并控制過程階段水分回調(diào)、收斂的措施，并針對筒壁溫度的PID參數(shù)進行D值優(yōu)化，來抑制筒壁溫度設(shè)定值與實際值的偏差Δt，從而穩(wěn)定筒壁溫度的過程波動。

5 驗證預(yù)測調(diào)整效果

對過程參數(shù)以30s 為間隔進行數(shù)據(jù)采集，在料頭階段、過程階段，利用機器學(xué)習(xí)算法實時計算出對應(yīng)參數(shù)體系下的烘絲機出口水分預(yù)測范圍，并顯示熱風(fēng)風(fēng)速、筒壁溫度的調(diào)整范圍。操作人員根據(jù)輸出結(jié)果進行試生產(chǎn)過程驗證調(diào)整，連續(xù)驗證30 批烘絲生產(chǎn)數(shù)據(jù)，最終統(tǒng)計出模型輸出預(yù)測的烘絲出口水分標(biāo)偏數(shù)據(jù)，見表1。

表1 烘絲機出口水分預(yù)測標(biāo)偏統(tǒng)計表

結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)用機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出的烘絲機出口水分預(yù)測模型整體預(yù)測出的烘絲機出口水分標(biāo)偏均值為0.04 左右，模型也能較靈敏地捕捉批次間水分波動趨勢，說明該模型并未過擬合，可以較好地解釋烘絲過程中的水分變化邏輯。

6 結(jié)語

該文通過烘絲過程參數(shù)數(shù)據(jù)分析，尋找出影響薄板式烘絲機過程關(guān)鍵水分點的參數(shù)及其相關(guān)關(guān)系，結(jié)合薄板式烘絲機設(shè)備原理與控制系統(tǒng)，利用隨機森林算法對生產(chǎn)過程樣本數(shù)據(jù)進行水分預(yù)測，并根據(jù)現(xiàn)場操作流程和經(jīng)驗，制定相應(yīng)的烘絲出口水分干預(yù)、調(diào)整的量化措施，指導(dǎo)、輔助操作人員在烘絲出口水分發(fā)生變化的情況下及時做出調(diào)整且幅度適當(dāng)，以控制過程水分穩(wěn)定性。