煙草制絲線流量匹配性控制方式研究與應(yīng)用

摘" 要：為保證制絲線流量精準(zhǔn)控制，消除批次內(nèi)設(shè)備啟停頻繁問題，保障切絲質(zhì)量，設(shè)計基于流量匹配的精準(zhǔn)化控制模式，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、PLC技術(shù)和數(shù)字化表征開展流量匹配性研究。以氣流烘絲線為試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)儲柜恒流量出料，設(shè)定流量匹配參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)確定最佳設(shè)置，實(shí)現(xiàn)儲柜出料與切絲、烘絲的流量匹配。將流量匹配參數(shù)應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)儲柜底帶頻率，提示切絲和烘絲生產(chǎn)啟動，批次內(nèi)設(shè)備啟停次數(shù)降至0次，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，消除絮狀煙絲，保障切絲質(zhì)量。年節(jié)省原料約5 000 kg，節(jié)約成本約50萬元。

關(guān)鍵詞：制絲線；精準(zhǔn)化控制；流量匹配；設(shè)備起停；切絲質(zhì)量

中圖分類號：TS43" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0173-06

Abstract： In order to ensure the precise control of the flow rate of the silk-making line， eliminate the problem of frequent start-up and stop of equipment within the batch， and ensure the quality of shredded wire， a precise control mode based on flow matching is designed， and the flow matching research is carried out using data statistical analysis， PLC technology and digital representation. Taking the airflow drying line as a pilot， the constant flow discharge of the storage cabinet is realized， the flow matching parameters are set， and the optimal settings are determined through experiments to achieve the flow matching of the storage cabinet discharge and shredded wire and drying. The flow matching parameters are applied to the automatic control system to automatically adjust the frequency of the bottom belt of the storage cabinet， prompt the start of shredded wire and drying production， and the number of equipment starts and stops within the batch is reduced to 0. The equipment runs continuously， eliminating flocculent shredded tobacco and ensuring the quality of shredded wire. It saves about 5，000 kg of raw materials and about 500，000 yuan in costs annually.

Keywords： silk-making line; precise control; flow matching; equipment starts and stops; shredded wire quality

精準(zhǔn)化、智能化和質(zhì)效提升[1]是卷煙廠的重要發(fā)展要求。制絲生產(chǎn)線距離長、設(shè)備多，每個工藝段包含多個主機(jī)和眾多輔連設(shè)備。為保障生產(chǎn)連續(xù)不斷流，一般流量設(shè)置為上游大于下游，但會導(dǎo)致批次內(nèi)設(shè)備頻繁啟停，影響切絲質(zhì)量。王翔飛等[2]設(shè)計了打葉復(fù)烤工序間流量匹配性計算方法，提供了流量匹配的思路；趙志新等[3]設(shè)計了煙草儲柜出料底帶自動調(diào)速裝置，解決了出柜料位異常問題。但目前，卷煙廠制絲線流量不匹配問題[4]依然未得到很好解決。本文以氣流烘絲線為研究對象，進(jìn)行流量匹配性研究，旨在減少批次內(nèi)設(shè)備啟停，保障煙絲質(zhì)量穩(wěn)定性。

1" 問題分析

1.1" 存在的問題

黃山品牌專線制絲線[5]獲評省級數(shù)字化車間，自動化和數(shù)字化水平高，是國內(nèi)設(shè)備最為先進(jìn)的制絲線之一，滿足各項(xiàng)工藝質(zhì)量要求。但傳統(tǒng)控制模式下，氣流烘絲線存在儲柜出料流量大于切絲流量，切絲流量大于烘絲流量的問題。這雖確保了來料供應(yīng)充足，但導(dǎo)致上游設(shè)備頻繁啟停，如儲柜到切絲前喂料倉、切絲到烘絲前喂料倉，在倉滿時都存在頻繁啟停的情況。不僅增加了設(shè)備磨損，還影響了切絲質(zhì)量，尤其是切絲機(jī)啟停時會出現(xiàn)絮狀煙絲。經(jīng)統(tǒng)計，平均每批次產(chǎn)生絮狀煙絲重量約為2.5 kg。

1.2" 原因分析

調(diào)查9個批次的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計設(shè)備啟停情況見表1。

從以上數(shù)據(jù)分析，切絲流量比烘絲流量大1 000～1 400 kg/h，且平均每批次切絲停機(jī)5次、切絲前設(shè)備停機(jī)4.77次，停機(jī)過于頻繁。綜上所述，必須在保障生產(chǎn)線前后物料流量供應(yīng)充足的前提下，避免物料過多而產(chǎn)生設(shè)備頻繁啟停，即要對整線的流量匹配性進(jìn)行優(yōu)化研究。

2" 流量匹配性的研究與應(yīng)用

以氣流烘絲線為例，涉及流量控制[6]的3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分別是儲柜出料控制[7]、切絲流量控制和烘絲流量控制。流量匹配性的研究，要實(shí)現(xiàn)每批次生產(chǎn)時，上下游流量動態(tài)平衡，消除設(shè)備頻繁啟停和絮狀煙絲，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料運(yùn)行的精準(zhǔn)控制。主要實(shí)現(xiàn)以下3方面的流量控制研究：①儲柜出料恒流量控制方式研究；②儲柜出料流量與切絲流量的匹配性研究；③切絲流量與烘絲流量的匹配性研究。

2.1" 儲柜出料恒流量控制方式

研究生產(chǎn)線流量匹配時，需優(yōu)先解決儲柜出料流量穩(wěn)定性[8]問題。傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)底帶頻率存在局限性，易導(dǎo)致堵料和物料流量不均。借鑒容重概念，相同牌號的葉組配方、投料重量和含水率一致，進(jìn)柜比例和堆積形態(tài)也基本一致，圖1為儲柜中物料堆積橫截面輪廓，其中物料在底帶的堆積寬度Y、物料斜面角度θ及傳感器距底帶高度h都是一致的。由于儲柜出口無電子秤，恒流量出柜控制的關(guān)鍵在于保持體積流量恒定[9]。

在接近于儲柜出料口，且與出料耙保持一定距離的位置，設(shè)置一對高精度距離傳感器，儲柜恒流量控制示意圖如圖1所示。通過傳感器檢測出物料距離，則實(shí)時的物料高度X為

X=h-（h1+h2）/2， （1）

式中：h為傳感器距底帶高度；h1為傳感器1距物料高度；h2為傳感器2距物料高度。

近似的計算截面積S為

S=X（Y-X×cot θ）， （2）

式中：θ為物料斜面角度。

在物料堆積平穩(wěn)的區(qū)域，儲柜出料流量也是穩(wěn)定的，此時的儲柜底帶頻率記為穩(wěn)定出柜頻率，為實(shí)現(xiàn)物料恒流量出柜，實(shí)時底帶頻率F可按式（3）計算

F=F0S0 /S， （3）

式中：F0為穩(wěn)定出料頻率；S0為穩(wěn)定出柜時物料橫截面面積。

由公式（2）可得穩(wěn)定出柜時物料橫截面面積S0計算公式如下

S0=X0（Y-X0×cot θ）， （4）

式中：X0為平穩(wěn)區(qū)域的物料高度。

對于確定的牌名X0、θ、h、F0等可通過測量和實(shí)際生產(chǎn)得到確定數(shù)值，其中F0為下文中計算的穩(wěn)定出料頻率。

料位高度檢測點(diǎn)，距儲柜出口具有水平距離L，所以需要根據(jù)編碼器的數(shù)值來準(zhǔn)確控制出料。以底帶前進(jìn)10 mm為一個控制單元，當(dāng)貯柜底帶每前進(jìn)10 mm時，隊(duì)列一個高度數(shù)據(jù)，當(dāng)隊(duì)列了個數(shù)據(jù)時，即為物料運(yùn)行到出料口的實(shí)際高度， 如圖2所示?？筛鶕?jù)此出料口物料高度數(shù)據(jù)，按一定算法調(diào)整底帶頻率，使貯柜出料量均勻穩(wěn)定。

2.2" 流量匹配性的表征參數(shù)設(shè)計

當(dāng)前切絲流量與烘絲流量的匹配情況存在顯著的供大于求的問題，且儲柜出料流量也顯著大于切絲流量。為更加準(zhǔn)確衡量生產(chǎn)線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)流量的匹配情況，項(xiàng)目組對調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，并自主設(shè)計相關(guān)表征參數(shù)[10]。

能夠直接記錄和讀取的參數(shù)，包括儲柜容量（M1，單柜為單柜儲存量，雙柜進(jìn)料時為2倍）、設(shè)定進(jìn)柜百分比（η1）、實(shí)際進(jìn)柜重（M2）、底帶頻率（f）、切絲機(jī)流量（FL1）和烘絲機(jī)流量（FL2），切-烘流量差（ΔM）可以直接計算得出，且已在表格中顯示。這些數(shù)據(jù)易查和記錄，但在表征流量匹配性方面，仍不夠直觀和充分。所以，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，設(shè)計表征流量匹配性的相關(guān)參數(shù)，具體見表2。

2.3" 流量匹配性表征參數(shù)的可靠性調(diào)查統(tǒng)計

以前期調(diào)查的9個批次數(shù)據(jù)為例，儲柜設(shè)計容量為8 000 kg，通過已知數(shù)據(jù)計算表2中的參數(shù)1—6，見表3。

分析數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

第一，實(shí)際進(jìn)柜量低于設(shè)定百分比，導(dǎo)致重量長度比小于1。

第二，出料均來自單柜。

第三，切絲流量顯著高于烘絲流量，比值平均為1.25，切絲機(jī)停機(jī)頻繁。

第四，出柜流量系數(shù)和切絲流量與出柜流量系數(shù)比這2個參數(shù)中，后者更準(zhǔn)確地反映了出柜流量與切絲流量的匹配性。該值越大，切絲前設(shè)備停機(jī)次數(shù)越少；該值越小，則停機(jī)次數(shù)增多。

2.4" 確定參數(shù)設(shè)置值

根據(jù)之前的結(jié)論，對同一牌名進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計分析。分別對切-烘絲流量比、出柜流量系數(shù)以及2個生產(chǎn)段啟動前的出料量進(jìn)行優(yōu)化，以尋找最佳參數(shù)匹配。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

2.4.1" 切絲與烘絲的流量匹配

因烘絲流量是工藝要求的固定值，所以通過減小切絲流量，來實(shí)現(xiàn)切絲與烘絲流量匹配，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

數(shù)據(jù)表明，通過減小切絲流量，流量比為1.00，可以顯著減少切絲機(jī)停機(jī)情況，基本消除切絲機(jī)停機(jī)情況。

2.4.2" 出柜流量與切絲流量的匹配

基于第一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步確定出柜流量與切絲流量的匹配。因每批次進(jìn)柜量和重量長度比存在差異，所以通過調(diào)節(jié)儲柜底帶頻率，確定合適的出柜流量系數(shù)和切絲流量與出柜流量系數(shù)比，以實(shí)現(xiàn)兩者流量匹配，具體數(shù)據(jù)見表5。

數(shù)據(jù)表明，降低出料底帶頻率可顯著減少切絲前喂料倉的停機(jī)次數(shù)。進(jìn)一步減小底帶頻率，以確認(rèn)能夠最大限度地減少喂料倉停機(jī)次數(shù)，數(shù)據(jù)見表6。

數(shù)據(jù)表明，通過降低切-烘絲流量比和出柜底帶頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)批次內(nèi)切絲機(jī)基本不停機(jī)，而切絲前喂料倉（包括儲柜出柜部分）完全不停機(jī)，如圖3所示。

2.4.3" 喂料倉的緩沖數(shù)據(jù)

在前2步的基礎(chǔ)上，確定2個喂料倉的緩沖數(shù)據(jù)。在2個儲柜不同出料量情況下，且喂料倉未滿倉時，啟動切絲、烘絲，測試生產(chǎn)線運(yùn)行情況。通過多次實(shí)驗(yàn)，確定最佳的參數(shù)，同樣展示最佳狀態(tài)的9個批次，數(shù)據(jù)見表7和表8。

以上數(shù)據(jù)顯示，通過調(diào)節(jié)切絲機(jī)流量和儲柜底帶頻率，以及控制2個喂料倉的緩沖量，可以實(shí)現(xiàn)批次內(nèi)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行不停機(jī)，消除絮狀煙絲。最佳參數(shù)為：切-烘絲流量比1.00，儲柜出料流量指數(shù)約19.80，切絲流量與出柜流量系數(shù)比約257.55，切絲機(jī)過料時儲柜剩余55.46%，烘絲機(jī)過料時切絲重量為968 kg。

2.5" 設(shè)置對應(yīng)參數(shù)，優(yōu)化自動控制系統(tǒng)

通過實(shí)驗(yàn)和分析，確定了切-烘絲流量比、切絲流量與出柜流量系數(shù)比，以及切絲啟動時儲柜出料百分比和烘絲啟動時切絲累積量對生產(chǎn)線流量匹配性的重要性?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)烘絲流量設(shè)定和不同批次實(shí)際物料量自動計算適宜的切絲流量和出柜底帶頻率，并根據(jù)儲柜剩余百分比和切絲累積量自動提示中控啟動切絲和烘絲，提高生產(chǎn)精準(zhǔn)性、智能性和效率。優(yōu)化后的控制系統(tǒng)[11]將實(shí)現(xiàn)以下工作步驟。

第一，讀取儲柜數(shù)據(jù)。組合啟動后，開啟出柜的同時，系統(tǒng)自動讀取儲柜進(jìn)料重量M2、進(jìn)柜百分比η1。

第二，出柜頻率自動計算。根據(jù)σ1、M1和前面統(tǒng)計的σ2，計算最佳頻率f=σ2（M1η1）/（M2σ1）。

第三，切絲啟動提示。出柜出料，至剩余百分比降低到η6 時，啟動切絲。

第四，烘絲啟動提示。切絲累積量，當(dāng)達(dá)到M3時，系統(tǒng)啟動烘絲。

表8" 流量匹配前后停機(jī)和絮狀煙絲對比表

3" 結(jié)束語

以上措施應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)后，探索出了氣流烘絲線全線流量匹配性的規(guī)律，并應(yīng)用于生產(chǎn)線自動控制中，氣流線的生產(chǎn)流程更加順暢，且消除了批次內(nèi)設(shè)備啟停的情況，取得了良好的效果。

1）繼續(xù)跟蹤3個月生產(chǎn)情況，批次內(nèi)相關(guān)設(shè)備停機(jī)次數(shù)保持為0，保障了設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性。

2）切絲機(jī)停機(jī)次數(shù)減少，消除了絮狀煙絲，由每批2.5 kg下降為0 kg，保障了切絲質(zhì)量穩(wěn)定，每年按至少生產(chǎn)2 000批次計算，可節(jié)約煙絲5 000 kg，節(jié)約費(fèi)用50萬元以上。

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