孫彥波 王子沖 孫洪江 吳 箭 張耀輝 劉 鑫

（云南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司 云南保山）

打葉復(fù)烤生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，復(fù)烤片煙箱（以下簡稱片煙箱）內(nèi)密度偏差率(DVR)是重要的質(zhì)量技術(shù)要求之一。DVR是影響復(fù)烤片煙儲存醇化質(zhì)量的重要因素，偏差較大時還可能引起煙葉壓油、霉變和炭化。目前打葉復(fù)烤生產(chǎn)線主要采用X-射線無損測試儀或9點密度取樣裝置在預(yù)壓打包工段復(fù)壓打包后對DVR進行檢測，然而這兩種檢測方式的檢測結(jié)果均難以用于對片煙裝箱過程進行實時調(diào)節(jié)控制，往往造成單箱片煙DVR指標(biāo)難以達標(biāo)或批次產(chǎn)品內(nèi)片煙DVR波動大、難以達標(biāo)。為此，開發(fā)基于壓力傳感器的片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實時檢測與控制系統(tǒng)，對復(fù)烤后的片煙裝箱過程進行實時檢測和控制，從根本上解決片煙箱內(nèi)密度偏差率難以達標(biāo)的問題。

對片煙裝箱過程進行實時控制，前提是對片煙箱內(nèi)密度偏差的檢測應(yīng)及時、準(zhǔn)確，同時將檢測結(jié)果適時反饋給控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)控制。從片煙裝箱過程看，當(dāng)片煙煙箱進料結(jié)束，預(yù)壓機預(yù)壓完成后，片煙箱內(nèi)密度即確定，不能再進行調(diào)節(jié)控制。因此，對片煙箱內(nèi)密度偏差的檢測如在預(yù)壓機預(yù)壓過程結(jié)束前完成，是對片煙箱內(nèi)密度偏差進行檢測的最早環(huán)節(jié)，能更加真實、準(zhǔn)確地反應(yīng)煙箱內(nèi)片煙的密度情況，同時將此時的檢測結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，對下一箱片煙的裝箱過程進行調(diào)節(jié)控制，即能實現(xiàn)片煙裝箱過程的實時檢測和控制。復(fù)烤片煙在裝箱過程中，受預(yù)壓機罩箱與煙箱的約束，自由下落后在煙箱中分層堆積，直至達到設(shè)定的重量限值，然后預(yù)壓機進行預(yù)壓。預(yù)壓機在預(yù)壓時，壓頭作用于煙箱內(nèi)分層堆積的煙片上，然后通過煙片、煙箱將作用力傳遞到煙箱底部的支撐臺面，支撐臺面同時給予煙箱、煙片、壓頭相應(yīng)的反作用力，在壓頭、煙箱、支撐臺面的共同作用下，完成片煙的預(yù)壓包裝。由于壓頭、支撐臺面均為水平安裝且預(yù)壓完成時兩者間的間距是固定的，因此壓頭在預(yù)壓過程中以及預(yù)壓完成時，作用于支撐臺面各區(qū)域或點的作用力大小取決于煙片在煙箱中堆積的厚薄狀況，即煙片堆積越厚的區(qū)域或點，作用在支撐臺面上的作用力就越大，煙片堆積越薄的區(qū)域或點，作用在支撐臺面上的作用力就越小，同樣支撐臺面通過煙箱、煙片作用于壓頭的反作用力同支撐臺面所受的作用力大小一致。因此，預(yù)壓機預(yù)壓時壓頭上不同區(qū)域或點所受反作用力的大小能真實地反映煙箱內(nèi)煙片堆積的厚薄狀況，各區(qū)域或點的壓力偏差也能真實地反映煙箱內(nèi)煙片堆積的厚薄偏差狀況。由于片煙在預(yù)壓過程中體積被煙箱約束為一相對固定值，且預(yù)壓時煙片在煙箱內(nèi)不會自由流動，因此壓頭上各區(qū)域或點的壓力偏差就真實地反映了煙箱內(nèi)片煙的密度偏差狀況?；谝陨显恚▓D1），在預(yù)壓機壓頭上安裝壓力傳感器，在預(yù)壓過程中對復(fù)烤片煙的裝箱密度偏差進行檢測，可以及時獲得煙箱內(nèi)片煙的密度偏差情況，此時將檢測結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，對下一箱片煙裝箱時的調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)整控制，從而實現(xiàn)對復(fù)烤片煙裝箱過程的實時檢測和控制。

另外，對復(fù)烤片煙裝箱過程進行分析可知，影響復(fù)烤片煙在煙箱內(nèi)堆積厚薄的主要因素有：煙箱長度方向包括煙片在預(yù)壓機罩箱前輸送機上的分布均勻情況和預(yù)壓機罩箱前輸送機的速度；在煙箱寬度方向包括預(yù)壓機罩箱口均料板的停留位置和預(yù)壓機罩箱口均料板在各停留位置的停留時間。4個主要影響因素中，預(yù)壓機罩箱前輸送機的速度可手動調(diào)整設(shè)定，設(shè)定后在生產(chǎn)時對煙箱內(nèi)片煙堆積的厚薄狀況影響不大，其他3個因素則必須在生產(chǎn)過程中根據(jù)檢測結(jié)果適時進行調(diào)節(jié)控制，才能保證片煙裝箱后箱內(nèi)DVR達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 片煙壓實過程的作用力

一、系統(tǒng)構(gòu)成

對傳統(tǒng)預(yù)壓機壓頭進行改造設(shè)計。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 146-2010，片煙箱的外形尺寸（長×寬×高）1115 mm×690 mm×725 mm或1136 mm×720 mm×725 mm，俯視投影為長方形。因此，對預(yù)壓機壓頭進行改造設(shè)計，根據(jù)YC/T 147-2001中8.2a條密度9點法取樣板取樣點的位置，在預(yù)壓機壓頭底部相應(yīng)位置安裝9只壓力傳感器，同時在壓頭內(nèi)部安裝壓力傳感器電源（可循環(huán)充電的鋰電池組）、數(shù)據(jù)采集處理模塊和無線發(fā)射裝置，負責(zé)在預(yù)壓機預(yù)壓過程中及時采集壓頭上9點的壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射裝置進行適時發(fā)送。在預(yù)壓機罩箱口安裝無線接收裝置，接收預(yù)壓機壓頭在預(yù)壓時發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)。

對預(yù)壓機罩箱前輸送機上的鋪料裝置和預(yù)壓機罩箱口的均料板進行改造設(shè)計。片煙在預(yù)壓機罩箱前輸送機上的分布由安裝于輸送機上方的3分鋪料板進行調(diào)節(jié)控制，3分鋪料板采用伺服電缸作為執(zhí)行器，依據(jù)片煙在煙箱長度方向上的壓力偏差情況對每個鋪料板的停留位置和停留時間進行調(diào)節(jié)；預(yù)壓機罩箱口的均料板主要影響片煙在煙箱寬度方向上的分布，均料板的執(zhí)行器采用伺服電缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服氣缸或普通氣缸，并依據(jù)片煙在煙箱寬度方向上的壓力偏差情況對均料板的停留位置和各停留位置的停留時間進行調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)可以設(shè)計為獨立的系統(tǒng)，也可以集成到預(yù)壓打包機控制系統(tǒng)中。主要負責(zé)與預(yù)壓打包機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，存儲、分析處理從預(yù)壓機壓頭傳回的實時數(shù)據(jù)，發(fā)出3分鋪料板和均料板的控制指令，對系統(tǒng)運行過程進行監(jiān)控并記錄運行數(shù)據(jù)、操作模式轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)的運行控制原理（圖3）

系統(tǒng)運行前，按生產(chǎn)加工中部煙葉的來料條件設(shè)置預(yù)壓機罩箱前輸送機上方3分鋪料板的初始位置。預(yù)壓機罩箱前輸送機同上位來料輸送機一般成90°角，上位輸送機的來料分布示意見圖4。

圖3 系統(tǒng)運行控制原理

圖4 上位輸送機來料分布

片煙在上位來料輸送機上的分布截面為不規(guī)則的弧形，通過3分鋪料板的反射（阻擋后滑落）作用后落在預(yù)壓機罩箱前輸送機上。根據(jù)來料片煙在上位輸送機上弧形分布的特點，對3分鋪料板的3個鋪料板初始位置分別進行設(shè)置。

1#、2#鋪料板初始位置的設(shè)置。1#、2#鋪料板在X方向適當(dāng)靠攏布置，X方向的具體位置通過現(xiàn)場觀察確定，Y方向在中間位置設(shè)一個初始位置，負責(zé)對弧形截面右半邊的片煙進行反射，具體位置可根據(jù)從壓頭反饋得到的壓力偏差情況手動反復(fù)調(diào)整確定，初始位置設(shè)置的合理性根據(jù)W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值進行判斷，W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值越接近，初始位置越理想。初始位置確定后，生產(chǎn)加工中部煙葉時均保持不變。

3#鋪料板初始位置的設(shè)置。3#鋪料板在X方向的初始位置通過現(xiàn)場觀察確定，Y方向分別在原點、中間、終點設(shè)3個初始位置。

當(dāng)生產(chǎn)加工上部煙葉或下部煙葉時，3個鋪料板的初始位置可根據(jù)W1行的壓力平均值與W3行的壓力平均值偏差情況進行微調(diào)。

系統(tǒng)運行前，按生產(chǎn)加工中部煙葉的來料條件設(shè)置預(yù)壓機罩箱口均料板的初始位置。均料板由一個伺服電缸驅(qū)動，控制均料板在煙箱寬度方向的停留位置和各停留位置的停留時間，對片煙在煙箱寬度方向上的分布進行調(diào)節(jié)。均料板分別在原點、中間、終點設(shè)3個初始位置（圖5）。

1.系統(tǒng)控制流程

根據(jù)來料條件設(shè)定好鋪料板、均料板的初始位置后，系統(tǒng)切換到在線實時檢測控制模式運行。從預(yù)壓機壓頭上檢測反饋得到的9個點壓力數(shù)據(jù)分別用 V1～V9表示,煙箱長度方向3行的壓力平均值用 W1，W2，W3 表示，即W1=（V1+V2+V3）/3，W2=（V4+V5+V6）/3，W3=（V7+V8+V9）/3。煙箱寬度方向

3列的壓力平均值用H1，H2，H3 表示，即 H1=（V1+V4+V7）/3，H2=（V2+V5+V8）/3，H3=（V3+V6+V9）/3。9個點壓力數(shù)據(jù)的平均值為AVG=（V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9）/9。

圖5 均料板3個初始位置

根據(jù)9個點的壓力數(shù)據(jù),分別將煙箱長度方向(W1，W2，W3行)各行的壓力平均值以及煙箱寬度方向(H1，H2，H3列)各列的壓力平均值與9個點壓力數(shù)據(jù)的平均值A(chǔ)VG進行偏差對比分析，作為調(diào)節(jié)控制3分鋪料板及均料板的依據(jù)。為排除生產(chǎn)過程中偶然因素的干擾，若一個煙箱的壓力偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可不對3分鋪料板及均料板實施調(diào)節(jié)，若連續(xù)兩個煙箱的壓力偏差均出現(xiàn)異常，則根據(jù)偏差分析結(jié)果，對3分鋪料板及均料板實施調(diào)節(jié)，從而分別從煙箱長度方向和寬度方向?qū)ζ瑹熢跓熛鋬?nèi)的分布進行調(diào)節(jié)。

2.煙箱長度方向的調(diào)節(jié)控制

1#、2#鋪料板的初始位置確定后，系統(tǒng)自動運行過程中不再進行調(diào)節(jié)，而3#鋪料板則根據(jù)W1，W2，W3與AVG的偏差分析結(jié)果進行實時調(diào)節(jié)。若W1，W2，W3與AVG的偏差值在允許范圍內(nèi)，則3#鋪料板維持上一個煙箱的裝箱過程參數(shù)繼續(xù)對下一個煙箱的裝箱過程進行控制，若W1，W2，W3與AVG的偏差值超出允許范圍內(nèi)，則依據(jù)偏差分布情況對3#鋪料板采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，控制調(diào)節(jié)流程見圖6。

圖6 控制調(diào)節(jié)流程

3.煙箱寬度方向的調(diào)節(jié)控制

均料板初始位置確定后，系統(tǒng)自動運行過程中根據(jù)H1，H2，H3與AVG的偏差分析結(jié)果進行實時調(diào)節(jié)。若H1，H2，H3與AVG的偏差值在允許范圍內(nèi)，則維持上一個煙箱的裝箱過程參數(shù)繼續(xù)對下一個煙箱的裝箱過程進行控制，若 H1，H2，H3 與 AVG 的偏差值超出允許范圍內(nèi)，則依據(jù)偏差分布情況采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，控制調(diào)節(jié)流程見圖7。

圖7 控制調(diào)節(jié)流程

三、系統(tǒng)運行效果

片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實時檢測與控制系統(tǒng)投入實際應(yīng)用后,對生產(chǎn)過程中經(jīng)該系統(tǒng)連續(xù)控制調(diào)節(jié)的20個樣品采用X-射線無損測試儀進行檢測，共19個樣品的DVR處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(DVR≤10%)，1個樣品的DVR略高于10%。

對系統(tǒng)投入應(yīng)用后連續(xù)生產(chǎn)30天的片煙進行隨機抽樣，共抽取177個樣品（含上、中、下部煙葉）采用9點密度取樣裝置進行檢測，其中167個樣品的DVR處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi) (DVR≤10%)，占樣品總數(shù)的94.35%，10個樣品的DVR略高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，占樣品總數(shù)的5.65%。

由檢測（抽檢）結(jié)果可以看出,沒有應(yīng)用片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實時檢測與控制系統(tǒng)前,生產(chǎn)的箱內(nèi)片煙DVR普遍高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (DVR≤10%)，應(yīng)用片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實時檢測與控制系統(tǒng)后,箱內(nèi)片煙DVR基本都處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi) (DVR≤10%)。由此可見，在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線預(yù)壓打包工藝段運用片煙箱內(nèi)密度偏差率在線實時檢測與控制系統(tǒng)，對箱內(nèi)片煙DVR實施在線實時檢測和控制,可以很好地實現(xiàn)DVR指標(biāo)的過程控制,從根本上解決這一指標(biāo)難以達標(biāo)的問題,滿足復(fù)烤片煙儲存、醇化要求。