卷烟制丝关键工序含水率稳定控制研究.pdf

技术与创新 技术与创新 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料76摘要：切丝含水率作为烟草行业制丝线上的关键质量指标，其稳定性是制丝叶线段加工产品均质化的体现，同时也显著影响着烘后烟丝的物理、化学指标和卷烟成品感官质量的稳定性。在目前生产过程中，制丝中控人员根据历史数据通过手动调整加水比例完成水分调控，存在水分调控效率低、批次过程含水率波动大、切丝含水率 Cpk（过程能力指数，大于 1.33 为优良）优良率偏低的问题。文章以切丝含水率控制的相关研究为背景，阐述了云烟（X）切丝含水率控制现状，分析了影响切丝含水率的主要原因，并提出了优化工艺加工模式、实现切丝水分控制指导值测算功能等改进措施，提高了切丝含水率优良率，也为其他卷烟企业制丝各主要工序含水率稳定控制提供参考。关键词：卷烟；制丝；切丝含水率；自适应控制；回归分析分类号：TS452制丝是卷烟生产中的重要环节，而烟叶（丝）的含水率作为卷烟企业制丝生产过程中最为重要的质量指标，贯穿整个制丝生产的全过程。各工序点物料含水率指标的稳定性不仅在一定程度上反映出生产过程的均质化控制水平，同时物料含水率也显著影响生产过程工序物料的耐加工性、原料消耗和最终卷烟成品的物化指标以及感官品质，因此如何在制丝过程中实现各工序出口含水率控制的稳定性和精准度一直是行业研究的重要课题。1 切丝含水率控制的相关研究目前，关于实现制丝线含水率的精准控制已有一些相关的研究。常明彬等1为了保障制丝过程中烘前叶丝含水率的稳定性，分析了环境温湿度对过程物料含水率散失的影响，并用多元回归分析方法建立松散回潮加水量预测模型，运用模型进行松散回潮机加水量设定，所获得的烘前叶丝含水率接近工艺标准设定值，且批次间稳定性高。李自娟等2以卷烟制丝环节的松散回潮工序、加料回潮工序、热风润叶工序以及制丝全线为研究对象，利用人工神经网络及多元回归建模方法，考察不同建模方法对各工序含水率预测精度的影响，并对其进行运行测试，结果表明不同工序采取相应模型对应预测精准度较高。高翔等3对切丝含水率 Cpk 在批次间的稳定性进行了研究，通过对切后批次间物料含水率波动影响因素的分析研究，找寻主要影响因素，并制订相应解决措施，从而提高切后同牌名批次间含水率的稳定性，优化提高制丝过程控制水平。杨继志等4对烟丝回潮桶含水率控制系统进行了优化，从加水方式方面对膨胀烟丝回潮桶进行了改进，设计了控制系统的软硬件结构，采用比例-积分-微分（PID）控制算法对含水率进行控制，在实际生产中取得了较好的效果。从现有关于制丝线含水率控制的研究来看，目前对含水率实现稳定控制多数采用对原有的大量历史数据进行分析，通过数据分析结果构建含水率控制模型，通过模型被不断优化应用，实现对含水率的提前预测，通过不断修正预测值与实际生产中含水率的误差，用较为精准的含水率预测值来指导实际生产过程的含水率控制，从而实现含水率的精准控制。2 云烟（X）切丝含水率的控制现状2022 年 15 月昆明卷烟厂云烟（X）Cpk 优良率为 83.04%，云烟（X）规格对应 Cpk 控制模式示意图如图 1 所示。涉及水分控制的主要工序有松散回潮、一次加料、二次加料等工序，针对上述工序水分控制情况进行统卷烟制丝关键工序含水率稳定控制研究林思地，李健忠，王文才，曹 喆，刘 斌，杨 耀红云红河集团昆明卷烟厂，云南 昆明 650231文章编号：2096-3092（2024）02-0076-03 作者简介：林思地，男，硕士，助理工程师，研究方向为制丝工艺技术。通信作者：王文才，男，本科，工程师，研究方向为烟草智能制造。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 技术与创新技术与创新77计，统计数据如表 1 所示。表 1 各工序水分控制情况统计表工序标准偏差极差均值偏差Cpk 均值松散回潮出口0.72%3.51%0.20%0.61一加出口0.48%2.69%0.16%0.60二加入口0.10%0.66%二加出口0.18%1.55%0.34%1.22切丝0.05%0.31%0.17%2.21按照工艺流程各主要工序出料含水率波动性随工序往后逐步收敛，但烟叶在经过二次加料工序后，出料含水率的标准偏差、极差、均值偏差变大，对各主要工序出料含水率数据进行相关性分析，二次加料出料含水率与切丝含水率之间相关系数为 0.73，说明二者存在强相关关系。3 云烟（X）切丝含水率变化原因3.1 各班组切丝水分调控模式不统一针对三个生产班组水分调控模式进行现场调查，调查统计结果如表 2 所示。经调查，各班切丝水分调控模式不统一。统计对应三个班各 30 个批次二次加料出料含水率 Cpk 和二次加料出料至切丝工序水分差值数据，对各班不同调控模式下的二次加料出料含水率 Cpk 值进行单因子方差分析，分析发现各班组调控模式不一致，会导致二次加料出料含水率 Cpk 值差异显著（显著性系数 P 值=0 0.05）。3.2 切丝工序受环境温湿度影响文章选取了 2022 年 15 月的生产批次数据，这些数据涉及二次加料出料含水率，以及切丝段对应批次过程水分差值，同时还关联了切丝工序的环境温湿度数据，对这些数据的回归分析，如表 3 所示。表 3 回归拟合方差分析表来源自由度Adj SSAdj MSF 值P 值回归20.73640.368 21583.870温度10.73030.730 286166.340湿度10.21630.216 28249.260误差900.39510.004 390注：Adj SS 为距离平方和；Adj MS 为均方误差；F 值为检验统计显著性的值。利用过程环境温湿度、二次加料出料含水率与切丝含水率差值进行拟合回归，同时进行残差检验。拟合回归模型 P 值 0.05，F 值为 83.87，说明模型显著。3.3 二次加料工序无水分补偿功能二次加料设备未设计加水喷嘴及其配套管路和控制系统。针对二次加料设备状态，根据现有设备进行二次加料工序加水试验，合并糖料于一次加料工序添加，二次加料工序料桶装水，利用二次加料程序进行加水补偿，根据出料含水率实时值，中控操作人员手动进行加水比例调节，向上级部门申请进行试验获批后，进行 4 个批次的二次加料加水试验，并统计了二次加料过程的水分数据，如表 4 所示。将试验批次与正常生产批次二次加料工序含水率数据（2022 年 15 月数据均值）进行对比，可以看出二次加料工序入料含水率控制稳定，但经过二次加料工序补水试验，二次加料出料含水率控制水平与正解包切片解包切片松散回潮松散回潮一次加料一次加料烟叶箱储烟叶箱储二次加料二次加料烟叶柜储烟叶柜储切叶丝切叶丝加水加水加料加料加水加水加料加料图 1 云烟（X）规格对应 Cpk 控制模式示意图表 2 三个生产班组切丝水分调控模式调查统计结果工序班组水分调控方式水分调控依据加水比例平均调控频次/（次批-1）松散回潮一班固定加水比例不作调整天气情况和历史批次加水比1二班根据当前批次松散回潮出料含水率进行加水比例调整 当前批次松散出料含水率实时值7三班根据当前批次松散回潮出料含水率进行加水比例调整 当前批次松散出料含水率实时值8一次加料一班根据加水比例实时调整当批加水比例历史批次加水比例均值13二班根据出料水分情况设置当前批次出料含水率中心值当前批次一次加料出口水分动态均值10三班根据加水累计量调整加水比例过程历史批次加水累计量均值11 技术与创新 技术与创新 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料78常生产模式存在明显差异。4 改进措施4.1 实现二次加料工序水分补偿功能针对云烟（X）加工模式进行优化，将原有的“两润二加”模式改为“两润一加”模式，手动控制松散回潮加水比例，将加料环节集中于原一次加料工序，在原二次加料工序利用闲置料桶装水进行水分补偿，根据二次加料出料水分进行加水比例的微调。优化后的加工模式流程示意图如图 2 所示。解包切片解包切片松散回潮松散回潮一次加料一次加料烟叶箱储烟叶箱储二次加料二次加料烟叶柜储烟叶柜储切叶丝切叶丝加水加水加料加料加水加水图 2 优化后的加工模式流程示意图将云烟（X）加工模式优化方案申请提交至昆烟技术监督科、云南中烟技术中心，优化方案经上级部门讨论获得认可后下发相应工艺试验通知，再进行 1 个批次的在线试验。加工模式优化试验产品由上级部门组织评吸组（15 人）进行感官评吸评定，差异识别率为 20%，表明优化后产品与原模式产品感官品质无明显差异，具备优化调整实施条件。4.2 实现切丝水分控制指导值测算功能（1）构建基于切丝工序环境温、湿度的切丝含水率控制模型。针对切丝工序环境温度、湿度波动大情况，根据二次加料出料含水率、对应时段切丝工序环境温湿度、近期生产批次切丝含水率等参数，建立二次加料至切丝工序段水分控制模型，二次加料出料含水率控制中心值的计算公式如下：21.134 1 0.034 370.007 384yTH=+（1）式中：y 为二次加料出料含水率控制中心值；T 为切丝工序环境温度；H 为切丝工序环境湿度。（2）为适应加工模式优化后的生产，根据二次加料工序出口含水率中心值预测模型，开发二次加料工序出口含水率测算模块，通过建立数据采集、数据清洗、数据核验、计算出料含水率中心值、测算值自动下发等程序，实现对二次加料工序出口水分中心值的自适应预测、自动下发及查询功能。5 结束语工艺加工模式改进后，云烟（X）Cpk 优良率较活动前稳定性有显著提升，2023 年 27 月，Cpk 优良率达到 94.74%。同时，云烟（X）叶线段实现了加水比例自动调整的控制模式，对于中控操作人员而言，大幅降低了其调控过程工序加水比例的操作强度，松散回潮、加料工序加水比例调控频次分别下降了 81.24%和 91.17%。而且，云烟（X）生产过程中糖料相关操作效率得到大幅提升，总效率提升了 33.37%。参考文献1 常明彬,李晓.基于环境温湿度条件的松散回潮加水量预测模型研究J.海峡科学,2016(2):17-20.2 李自娟,刘博,高杨,等.卷烟制丝环节关键工序水分预测模型的建立与检验J.食品与机械,2020,36(10):190-195,205.3 高翔,徐永虎,黄传喜,等.切叶丝水分批间稳定性研究J.南方农机,2017,48(22):77-78.4 杨继志,宋建军,宋柳.烟丝回潮桶水分控制系统的优化实现J.机电产品开发与创新,2019,32(4):67-70.表 4 二次加料加水试验结果数据对比表项目二次加料入料含水率二次加料出料含水率对比分组正常批试验批正常批 试验批 差异百分比标准偏差0.10%0.11%0.13%0.19%46.20%极差0.66%0.62%1.05%1.95%85.70%均值偏差0.34%0.85%150.00%声 明造纸装备及材料 2022 年第 7 期中，P1-6 页刊登的 湖南省生物基材料产业绿色发展及对策研究 一文，鉴于作者陈金心的工作与学习需求，申请将该文章的作者单位由湖南骏泰新材料科技有限责任公司变更为湖南农业大学，编辑部特此声明！造纸装备及材料编辑部