羅瑞林，查天，熊祥隆，黃劍海

（1.云南省煙草煙葉公司，云南 昆明 650500；2.昆明海光環(huán)?？萍加邢薰荆颇?昆明 650500）

《煙草行業(yè)中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006-2020）中明確指出，保證打葉復(fù)烤過程中煙葉品質(zhì)的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性是發(fā)展煙草特色工藝的優(yōu)先主題之一。作為打葉復(fù)烤的前置環(huán)節(jié)，配方打葉可以弱化煙葉質(zhì)量的地域差異性，提供外觀質(zhì)量一致、內(nèi)在品質(zhì)協(xié)調(diào)的原料供給，實現(xiàn)煙草資源的有效利用［1］。目前，我國打葉復(fù)烤企業(yè)的配方模式主要有擺臺配方和儲柜配方兩種［2-3］，前者操作簡便，但容易受到人工因素的影響，配方煙葉的產(chǎn)品均質(zhì)性不易得到精確控制；后者雖然在一定程度上能夠保障配方打葉的均勻度，但儲存時間長、占用場地多［4-5］。因此，開展配方打葉投料均勻性的精確控制應(yīng)用研究，開發(fā)新型配方打葉投料系統(tǒng)，建立量化指標(biāo)為質(zhì)量控制主體的質(zhì)量控制模式和體系，不僅能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高煙葉品質(zhì)的均質(zhì)性，同時這也緊密貼合 《綱要》對煙草行業(yè)提出的 “突出重點，持續(xù)創(chuàng)新”指導(dǎo)方針。

目前，國內(nèi)針對配方打葉均勻性控制的研究已有諸多報道。2007年，劉冬梅等［6］從煙葉生產(chǎn)、收購、倉儲、品質(zhì)及葉組配方等方面出發(fā)，提出了一種以煙葉主要化學(xué)成分為品質(zhì)依據(jù)進(jìn)行打葉復(fù)烤組合配方的計算機(jī)輔助系統(tǒng)構(gòu)架方案。2011年，肖明禮等［7］提出鋪葉臺優(yōu)化和貯葉柜協(xié)調(diào)應(yīng)用有利于煙葉各項化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，保證葉組配方的內(nèi)質(zhì)穩(wěn)定性。同年，吳昊等［8］將獨立配方單元與LED顯示相結(jié)合，大大提高了配方的精度，降低了工作人員的工作量。2013年，針對配方打葉計量參數(shù)傳統(tǒng)發(fā)布方式信息量小、傳遞滯后等缺點，敖偉智等［9］采用可編程邏輯控制器 （PLC）和智能移動終端構(gòu)建配方打葉計量系統(tǒng)，實現(xiàn)了配方打葉計量參數(shù)的及時發(fā)布，有效提高了卷煙質(zhì)檢效率，以保持合格穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。

不難看出，配方打葉系統(tǒng)的智能化改進(jìn)是提高煙葉生產(chǎn)過程中產(chǎn)品均質(zhì)化的一條有效途徑。本文針對云南某煙葉公司內(nèi)的普通電子秤稱重—人工投料打葉模式，從煙葉投料的角度，研究了配方打葉鋪葉投料配比精度的控制方法，搭建了一種新型的配方打葉投料系統(tǒng)，以期為鋪葉投料不均衡、打葉配比不精準(zhǔn)等難題提供有效的解決措施，同時為煙草加工行業(yè)的廣大同仁形成可借鑒推廣的均質(zhì)化加工模式。

1 新型配方打葉投料系統(tǒng)設(shè)計

云南某煙葉公司的配方打葉模式為普通電子秤稱重——人工投料。即使在理想的煙葉原料 （單等級煙葉）前提下，這種投料方式也會因人為因素的影響，造成批次間的投料誤差，使得不同批次間成品片煙的化學(xué)成分、內(nèi)在品質(zhì)不一致［10］。因此，投料環(huán)節(jié)流量的均勻、穩(wěn)定是打葉復(fù)烤加工質(zhì)量均質(zhì)化先決條件。若能從打葉復(fù)烤第一道工序控制好投料均衡配比，實現(xiàn)加工過程可靠、精準(zhǔn)、可追溯管控，可以為整個煙葉加工過程提供穩(wěn)定來料保障，達(dá)到確保最終成品質(zhì)量穩(wěn)定的目的。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

為了保證配方的精度，首先設(shè)備上要盡量保證流量的穩(wěn)定。新型配方打葉投料系統(tǒng)的技術(shù)原理如圖1所示。采用多功能電子皮帶秤取代普通電子秤，引進(jìn)完善的PLC控制單元，該單元能夠準(zhǔn)確接收多功能電子皮帶秤的稱重信息及投料情況信息，及時地記錄相應(yīng)信息，并在工位顯示屏上予以反饋顯示。多功能電子皮帶秤與擺把臺長皮帶之間采用延時控制，煙葉在每個多功能電子皮帶秤上按規(guī)定重量及配比進(jìn)行稱重，當(dāng)重量達(dá)標(biāo)后，通過計算擺把臺長皮帶與多功能電子皮帶秤的速率，調(diào)整擺把臺長皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和電子皮帶秤主動力滾筒頻率，精準(zhǔn)地將煙葉投放到擺把臺長皮帶上，使得工位投放準(zhǔn)確、穩(wěn)定，保證各工位所投放煙葉重量及配比都在規(guī)定范圍之內(nèi)，保障后續(xù)工藝的正常平穩(wěn)生產(chǎn)，確保產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)化和均質(zhì)化。

圖1 新型配方打葉系統(tǒng)技術(shù)原理示意圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

新型配方打葉投料系統(tǒng)包含實時監(jiān)控系統(tǒng)和配方比例糾偏模塊，如圖2所示。實時監(jiān)控系統(tǒng)的核心組件為PLC，配方比例糾偏模塊的核心組件為多功能電子皮帶秤。除此之外，新型配方打葉投料系統(tǒng)還包含提示燈裝置，顯示器，連接線等組件。從功能的角度而言，PLC是新型配方打葉投料系統(tǒng)的中樞，多功能電子皮帶秤是執(zhí)行元件，而指示燈裝置及顯示屏為信息反饋元件。以下將詳細(xì)介紹兩個新型配方打葉投料系統(tǒng)核心組件的工作原理。

圖2 新型配方打葉系統(tǒng)的構(gòu)成

多功能電子皮帶秤具有稱重信息收集與傳輸、可被PLC控制，精準(zhǔn)稱重，精準(zhǔn)送料等功能。工人根據(jù)規(guī)定將煙葉擺放在多功能電子皮帶秤上，電子皮帶秤精確稱重后根據(jù)重量達(dá)標(biāo)情況顯示不同的警示燈，當(dāng)重量達(dá)標(biāo)時，顯示綠色警示燈，通過延時控制功能，待工位到位，進(jìn)行精確投料；當(dāng)重量超出上下限值不達(dá)標(biāo)將顯示紅色警示燈，并提示補(bǔ)料或減料。在紅色警示燈狀態(tài)下，當(dāng)長皮帶相應(yīng)的投料位到達(dá)時仍未調(diào)整重量到規(guī)定值，為降低對配比的影響，多功能電子皮帶秤依然進(jìn)行投料，但投料超標(biāo)信息將傳送給PLC控制中樞進(jìn)行記錄，并在顯示屏上予以反饋提示，以便管理人員實時監(jiān)控及追溯管理，如此可以減少因人為因素引發(fā)的多稱少稱，甚至錯過投料的情況，避免投料不均勻穩(wěn)定，配比不精確的問題。

PLC控制系統(tǒng)可以將配比信息每個工位要求的每次投放等級和重量準(zhǔn)確傳達(dá)到各工位處的電子皮帶秤并予以顯示，接收每一工位在生產(chǎn)運行中的稱重和投料信息，并予以記錄存檔，以便操作人員進(jìn)行監(jiān)督和管理以及后期的追蹤查檔問責(zé)管理。PLC能夠精準(zhǔn)控制電子皮帶秤在稱重過程中送料皮帶的啟停功能，在電子皮帶秤上煙葉重量達(dá)標(biāo)時控制啟動電子皮帶秤電機(jī)進(jìn)行送料，當(dāng)重量不在合格區(qū)間時系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示警示信息，對超限值投料情況進(jìn)行自動記錄和提示，可統(tǒng)計任意時間段任意工位投料情況，形成加工過程全時間段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，便于現(xiàn)場操作管理員及時分析調(diào)整，有效促進(jìn)擺把臺管理工作。

兩個模塊相互集成，構(gòu)成了智能化的新型配方打葉投料控制系統(tǒng)，能夠做到每批次每工位稱重及投料煙葉重量準(zhǔn)確及時，實現(xiàn)投料流量的穩(wěn)定及配方打葉配比的精確，杜絕人為因素造成的多稱少稱和不稱不投等特殊情況，有效地監(jiān)管鋪葉擺把臺的運行狀態(tài)，做到實時控制和溯源追責(zé)、強(qiáng)化精細(xì)管理，解決了目前稱重不準(zhǔn)、配比不精確以及不便實時管理的難題，保證了生產(chǎn)線投料流量的穩(wěn)定和均質(zhì)，為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供穩(wěn)定的支持。

經(jīng)過多輪討論、實驗，新型配方打葉投料系統(tǒng)中核心組件分別選定為：西門子S-1500型PLC，臺柯YHS型電子秤，所搭建的新型配方打葉投料系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 新型配方打葉投料系統(tǒng)現(xiàn)場示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 投料比例誤差

為了說明新型配方打葉投料系統(tǒng)的先進(jìn)性，本文隨機(jī)選取云南某煙草公司2018年9月11日至2019年3月26日期間采用普通電子秤——人工投料方式的38個煙葉加工批次作為對比樣本。隨機(jī)選取2019年10月29日至2020年2月28日期間采用新型配方打葉投料系統(tǒng)的38個煙葉加工批次作為試驗樣本，以投料比例誤差為分析對象，以1.5%為投料比例誤差的控制目標(biāo)。

新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前后投料比例絕對誤差對比如圖4所示?？梢钥闯觯浞酵读媳壤骄`差由普通電子秤稱重——人工投料的1.37%降低至新型配方打葉投料系統(tǒng)的0.83%，配方投料比例最大誤差由普通電子秤稱重——人工投料的2.79%降到了新型配方打葉投料系統(tǒng)的1.27%。前者的降幅達(dá)到39.4%，后者的降幅達(dá)到54.9%，成功地達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。而且，采用新型配方打葉投料系統(tǒng)以后，各煙葉加工批次的投料比例誤差波動程度明顯的變緩。這表明新型配方打葉投料系統(tǒng)顯著提高了煙葉投料流量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，為后續(xù)卷煙產(chǎn)品的均質(zhì)化提供了基礎(chǔ)。

圖4 新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前后投料比例誤差對比圖

此外，采用新型配方打葉投料系統(tǒng)以后，根據(jù)配方可以增加各工位每次擺把的重量。也就是說，通過整合轉(zhuǎn)運原煙至待稱重區(qū)、人工稱重兩個環(huán)節(jié)為搬運原煙至多功能電子皮帶秤，在滿足配方需求的同時可以減少各工位操作人員的數(shù)量。每個工位可以由新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前的4人減至應(yīng)用后的3人。按生產(chǎn)線有48個工位、人均日工資126元、月均工作時間26天計，則所需人員可以由新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前的192人減至應(yīng)用后的144人。根據(jù)公式 （1）可得，單一生產(chǎn)線每烤季 （8個月）可節(jié)約人工成本125.8萬元，所節(jié)省的人工成本極為可觀。

2.2 煙堿變異系數(shù)

煙堿含量是表征煙葉風(fēng)格特征極為重要的因素之一［11］。以云南某煙草公司2019年9月5日至2019年10月31日采用普通電子秤——人工投料方式的27個批次作為對比樣本，以2019年11月1日至2020年3月10日采用新型配方打葉投料系統(tǒng)的27個批次作為試驗樣本，分別檢測對比樣本、試驗樣本的煙堿變異系數(shù)，其散度分布和平均值分別如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前后，煙草的煙堿變異系數(shù)均有一定的起伏?？傮w來看，兩組樣本的煙堿變異系數(shù)均小于5%，這滿足中煙辦 ［2016］127號文件明確提出的要求：重點品牌原料均質(zhì)化復(fù)烤加工的成品煙堿變異系數(shù)須穩(wěn)定控制在5%以內(nèi)。對比樣本、試驗樣本的煙堿變異系數(shù)最大值分別為2.9%、1.19%，兩組樣本的煙堿變異系數(shù)的平均值分別為4.34%、3.41%。這表明對配方打葉投料方式進(jìn)行智能化改造之后，成品片煙批次間的煙堿變異系數(shù)整體下降了21.4%，煙堿波動幅度減緩，即煙堿含量更均勻，煙葉質(zhì)量更穩(wěn)定。

圖5 新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前后煙堿變異系數(shù)對比圖

圖6 新型配方打葉投料系統(tǒng)應(yīng)用前后煙堿變異系數(shù)平均值對比圖

3 結(jié)論

1）針對云南某煙草公司現(xiàn)有的普通電子秤——人工投料的配方打葉投料模式，從煙葉投料的角度出發(fā)，采用多功能電子皮帶秤與PLC集成的方式，構(gòu)建了一種新型的配方打葉投料系統(tǒng)。

2）新型配方打葉投料系統(tǒng)顯著提高了煙葉投料流量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，與常規(guī)的投料方式相比，可以使配方投料比例平均誤差降低39.4%，同時能夠節(jié)省極為可觀的人工成本。

3）以煙堿變異系數(shù)為分析對象時，新型配方打葉投料系統(tǒng)使成品片煙批次間的煙堿變異系數(shù)整體下降了21.4%，煙堿波動幅度減緩。結(jié)合結(jié)論2），所建立的新型配方打葉投料系統(tǒng)可以實現(xiàn)配方打葉投料均勻性的精確控制。