張麗娜，許利平，樊虎，鄭華麗，徐清泉，許式強(qiáng)，高陽*

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)科海路118號 310008

國內(nèi)煙草行業(yè)眾多技術(shù)中心實驗室中采用手工配料配香，手工翻炒煙絲，手工噴料、噴香等方式進(jìn)行煙絲加料加香小樣制樣，配料配香精度較低、噴料噴香均勻性及烘烤后煙絲水分精度無法精準(zhǔn)控制，重復(fù)性不高，導(dǎo)致實驗室香精香料小樣制樣與大線生產(chǎn)中樣之間存在品質(zhì)差異。因此研究開發(fā)一套模擬香料調(diào)配線、制絲生產(chǎn)線工藝技術(shù)的實驗室加料加香烘絲一體化自動化設(shè)備，實現(xiàn)香料調(diào)配精度、噴料噴香均勻性及煙絲水分精度精準(zhǔn)控制具有重要意義。

目前國內(nèi)針加料加香設(shè)備有許多研究[1-3]，如李鳳英[4]等研究了一種新型的加香加料裝置，采用可編程控制器、高精度流量計和調(diào)節(jié)閥等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了加香加料自動配比、均勻霧化、自動清洗等功能。李福辰等[5]研制了一種煙絲真空加香設(shè)備，提高了香料液浸入煙絲細(xì)胞內(nèi)的能力和煙絲香料液分布的均勻性。王文輝[6]設(shè)計和優(yōu)化了南陽卷煙廠煙草制絲線集中加料加香系統(tǒng)。在這些加香加料設(shè)備中運(yùn)用了一系列技術(shù)如CFD技術(shù)、PID技術(shù)、模糊控制理論等進(jìn)行煙絲加香控制[7-9]。但以上都是針對卷煙廠生產(chǎn)線上研究，缺乏針對實驗室卷煙研發(fā)過程自動加料加香設(shè)備的研究。因此本研究開發(fā)一套模擬香料調(diào)配線、制絲生產(chǎn)線工藝技術(shù)的實驗室高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備，實現(xiàn)香料調(diào)配精度、噴料噴香均勻性及煙絲水分精度精準(zhǔn)控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備主要由機(jī)械部分、控制部分和軟件部分組成。微型設(shè)備總體框架圖和設(shè)計圖見圖1。實驗時初始化后，實驗人員稱量好實驗煙絲重量，在人機(jī)界面12處輸入本次實驗的香料配方值、煙草重量以及其他參數(shù)，點擊確認(rèn)后，滾筒2移動至煙草加入位置，實驗人員加入煙絲并確認(rèn)；滾筒2移動至工作位置，機(jī)械手7開始執(zhí)行加料環(huán)節(jié)，先將用于裝取配方并稀釋的稀釋瓶放至電子天平9上，再將物料臺13上對應(yīng)配方的香料瓶蓋移至固定位置，抓取針頭10吸取香料，并通過上位機(jī)控制程序進(jìn)行精確加料；加料完成后針頭10移動至清洗位置，通過加入清洗液和壓縮空氣對管道和針頭進(jìn)行反復(fù)清洗；清洗完成后，將針頭和瓶蓋復(fù)原并以同樣的方式加入下一個香料直至完成；加料完成后，機(jī)械手7抓取針頭10向稀釋瓶內(nèi)加入一定比例水進(jìn)行稀釋，然后抓取稀釋瓶對混合液體進(jìn)行搖勻；搖勻結(jié)束后將連接霧化器的氣管放入稀釋瓶中，啟動步進(jìn)電機(jī)3，滾筒2開始勻速轉(zhuǎn)動，機(jī)械手7將霧化器伸入滾筒2內(nèi)將混合好的配方霧化加入煙絲中；加料環(huán)節(jié)完成后煙絲靜置半小時開始烘烤環(huán)節(jié)，滾筒2開始轉(zhuǎn)動并開啟熱風(fēng)槍對滾筒進(jìn)行加熱，同時紅外水分儀器5對滾筒內(nèi)煙絲水分進(jìn)行實時監(jiān)測，上位機(jī)控制程序?qū)_烘烤進(jìn)行控制，水分值達(dá)到后烘烤環(huán)節(jié)完成，熱風(fēng)槍和步進(jìn)電機(jī)3停止，開始加香環(huán)節(jié)；加香與加料過程基本一致，至霧化加入后結(jié)束，無需再次烘烤；最后滾筒移動至下料位置，滾筒轉(zhuǎn)動將成品煙絲傾倒至煙絲收集箱內(nèi)，加料加香實驗全過程完成。

圖1 高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Design structure of high - precision automatic integrated micro equipment for cut tobacco flavoring and drying

1.1 機(jī)械部分設(shè)計原理

為實現(xiàn)實驗室自動化加料加香設(shè)計，設(shè)備模擬了卷煙大線生產(chǎn)一次完整的加料（加香）過程：煙絲加入→提取料液→精確配料→管道清洗→稀釋配方→霧化加液→烘烤煙絲→靜置這八個環(huán)節(jié)，開發(fā)了一套具有上下料模塊、加料加香模塊、清洗模塊、烘烤模塊四大模塊，能實現(xiàn)加料加香、煙絲烘烤兩個核心功能及配料配香、管道清洗兩個輔助功能的機(jī)械系統(tǒng)。本文重點介紹加料加香系統(tǒng)、煙絲烘烤系統(tǒng)以及獨創(chuàng)的混料滾筒。

1.1.1 混料滾筒設(shè)計

混料滾筒是煙草和香精香料混合的主要場所，是本設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計部分，其設(shè)計不僅要考慮到體積和結(jié)構(gòu)，同時還需要考慮如何使煙絲在桶內(nèi)的充分翻滾，保證均勻加液。通過圖2分析煙絲在滾筒內(nèi)的受力可以發(fā)現(xiàn)，在滾筒做順時針運(yùn)動過程中，煙絲受到重力、滾筒的葉片力，其合力方向為滾筒的左側(cè)，結(jié)合實際情況可知煙絲在滾筒轉(zhuǎn)動時集中在滾筒左下側(cè)。由此可以確定滾筒體積約為煙絲最大體積的3-4倍時加料加香效果較好。實驗用煙絲量約為40g-400g，以最大量400g，并結(jié)合滾筒實際需求，將滾筒體積設(shè)為0.0724 m3。

圖2 煙絲受力情況Fig.2 Force condition of cut tobacco

同時考慮到讓煙絲在滾筒中的厚度分布較為均勻，設(shè)計了如圖3a所示的鼓型結(jié)構(gòu)：滾筒內(nèi)壁焊有葉片，能在滾筒運(yùn)動的同時翻動煙絲，將底層的煙絲翻至表面接受香料噴灑。經(jīng)過導(dǎo)熱性比較，滾筒采用不銹鋼材質(zhì)，滾筒后置有步進(jìn)電機(jī)，通過帶傳動驅(qū)動滾筒勻速轉(zhuǎn)動。滾筒需要加入煙絲，混料和倒出煙絲，故設(shè)置常用位置三個，分別為上料位、工作位、下料位。滾筒整體結(jié)構(gòu)如圖3b所示?；炝蠞L筒集攪拌、翻面、烘干、加料加香、自卸等功能于一體。

1.1.2 自動加料加香系統(tǒng)設(shè)計

精確的自動加料加香系統(tǒng)是本設(shè)備的核心，由機(jī)械手、90物料臺、多功能抓手、注射泵、電子天平、工控機(jī)、數(shù)字I/O板塊等組成。通過機(jī)械手控制多功能抓手實現(xiàn)提取料液、精確配料、稀釋配方和霧化加液幾大功能。如圖4所示：

圖3 滾筒設(shè)計Fig.3 Design of roller

圖4 自動加料加香系統(tǒng)Fig.4 Automatic dressing and flavoring system

考慮到本設(shè)備為中小批量柔性生產(chǎn)，為實現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)動，選用了連續(xù)軌跡控制、靈活性好的ABB六軸機(jī)器人作為機(jī)械手來實現(xiàn)過程中的人工動作，定位精度0.01mm。機(jī)械手前端裝有多功能抓手，負(fù)責(zé)對針頭、物料瓶蓋、稀釋瓶進(jìn)行抓取并裝有霧化器進(jìn)行霧化加液。抓取過程中對針頭和稀釋瓶口的抓取要求尤其高，因為抓取誤差稍大就會造成針尖或稀釋瓶壓到硬物從而造成損害。故設(shè)計自定心的抓手，能使針頭和稀釋瓶被抓取后自動擺正。所有加料加香過程通過RAPID 編程指令實現(xiàn)。

霧化加液是實現(xiàn)噴料噴香均勻性尤為重要的一步，故霧化噴嘴類型、噴嘴位置的選擇十分重要。為達(dá)到均勻和細(xì)密的霧化效果，選用了壓力式空氣霧化噴嘴。根據(jù)實際情況，霧化器工作位置在滾筒中間離煙絲距離約70-100mm，再根據(jù)圖2中煙絲在滾筒中的翻轉(zhuǎn)軌跡，可知范圍為70-90°，故選用了扇形空氣帽SUC14，平均霧化顆粒直徑能達(dá)到50μm以下。為達(dá)到較好的霧化效果對其輸入壓縮空氣壓力大小如何設(shè)定進(jìn)行了分析。畫圖4霧化噴嘴等效圖進(jìn)行理論分析：

圖 5 霧化噴嘴等效圖Fig.5 Equivalent diagram of atomizing nozzle

截取霧化噴嘴內(nèi)腔A-A和霧化噴嘴口B-B兩個面，其中P0，P分別為兩截面處的壓力，v2、v1為兩截面處稀釋液流速。通過計算得到簡化的關(guān)系式：

由式(1-1)可以看出在相當(dāng)大的范圍內(nèi)v1與P0正相關(guān)，故可以通過加大輸入壓縮空氣的氣壓來實現(xiàn)提高霧化效果的作用。

物料臺設(shè)計成9×10矩陣分布，可以均勻擺放90個不同種類的香料瓶，每個瓶配有統(tǒng)一瓶蓋，防止香料揮發(fā)?？紤]到加香加料范圍差異加大，為實現(xiàn)流速可調(diào)節(jié)，選擇注射泵并連接內(nèi)徑6mm，有效長度為1.3m的注射軟管進(jìn)行加料加香。注射流量范圍0.5 μm/min-150 mm/min，精確度為±0.5%。電子天平選型時選用了波特率高，響應(yīng)時間短的常量電子天平，以避免讀數(shù)延時影響到加液控制系統(tǒng)的處理，從而影響加液準(zhǔn)確度。

1.1.3 煙絲烘烤系統(tǒng)設(shè)計

國內(nèi)大多使用的卷煙烘絲方式有氣流式烘絲和滾筒式烘絲兩種。前者采用高溫、快速烘干的理念，但容易導(dǎo)致煙絲受熱不均后出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；后者使用相對溫度較低的熱風(fēng)機(jī)加熱滾筒，滾筒在轉(zhuǎn)動的同時實現(xiàn)對煙絲的均勻烘烤，烘烤后煙絲含水率較穩(wěn)定，故本設(shè)備選用滾筒式烘烤機(jī)。在加熱裝置選擇上，考慮了傳統(tǒng)加熱、電磁加熱、電阻加熱、紅外線加熱四類加熱方式。為實現(xiàn)快速集中加熱，減小對其他部件熱影響，選用熱風(fēng)槍作為加熱部件，通過快速加熱滾筒壁同時翻滾煙絲使煙絲內(nèi)水分含量迅速下降。再通過紅外在線水分測定儀精確控制滾筒內(nèi)煙絲水分精度，由工控機(jī)根據(jù)水分及溫度的數(shù)據(jù)通過控制算法對煙絲水分進(jìn)行精確控制，保證水分誤差在0.5%以內(nèi)。

圖6 煙絲烘烤系統(tǒng)Fig.6 Cut tobacco baking system

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 加液策略設(shè)計

為制定相應(yīng)的定量加液策略對精度和效率進(jìn)行控制，本設(shè)備考察了分段式加液和點動式加液兩種方式，結(jié)合兩者優(yōu)缺點，最終選用組合式加液方式進(jìn)行控制：第一階段借鑒分段式加料的思想，運(yùn)用自動控制方法加液至設(shè)定值的80%-90%；第二階段運(yùn)用點動式加料的優(yōu)點，首先停止加液設(shè)備，等待滯后的液體加入，消除第一階段自動控制所產(chǎn)生的超調(diào)量的影響；然后進(jìn)行定值多次逼近加料，在本設(shè)備中通過機(jī)械手控制針頭執(zhí)行靠壁動作實現(xiàn)點動加料（靠壁過程中電子天平的讀數(shù)通過控制程序過濾），直至達(dá)到加料標(biāo)準(zhǔn)。其流程圖如圖7所示：

圖7 組合式加料過程圖Fig.7 Composites dressing and flavoring progress diagram

1.2.2 模糊-PID精度控制設(shè)計

1.2.2.1 加料加香精度控制

為實現(xiàn)加料加香的精準(zhǔn)控制，考察傳統(tǒng)PID控制和模-PID控制兩種方式。將模糊自適應(yīng)PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器放在同一個系統(tǒng)中，通過不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)，得到PID的最優(yōu)仿真曲線。對比發(fā)現(xiàn)，在輸入信號相同的情況下，兩者的響應(yīng)時間，響應(yīng)速度及其他關(guān)鍵指標(biāo)如圖8a所示。結(jié)果說明模糊-PID控制保證了加香加料精度和快速響應(yīng)性，減少超調(diào)，實現(xiàn)卷煙加料、加香一致性，因此選用模糊-PID 進(jìn)行精度控制。設(shè)備將加料加香誤差值模糊化，通過制定合適的模糊規(guī)則[10]，設(shè)計開發(fā)了模糊-PID切換開關(guān)控制系統(tǒng)圖8b，對PID的三個參數(shù)進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)來控制加香加料精度和速度。

圖8 加料加香精度控制設(shè)計Fig.8 Design of dressing and flavoring precision control

1.2.2.2 煙絲水分精度控制

在烘絲過程中，煙草的溫濕度需要同時控制，但兩者之間存在典型的非線性交叉耦合現(xiàn)象，常規(guī)PID控制具有非線性、大滯后性問題，難以建立合適的數(shù)學(xué)模型且控制現(xiàn)精度不高。本設(shè)備設(shè)計開發(fā)了煙絲溫濕度模糊解耦烘絲模型[11]，原理圖見9a。通過建立合適的模糊控制原理和策略，有效解決了卷煙烘絲濕溫度控制中出現(xiàn)的大滯后性，非線性和交叉耦合的問題，具有響應(yīng)快，超調(diào)量小，魯棒性好等優(yōu)點。利用Matlab分別對傳統(tǒng)PID和模糊控制算法的仿真試驗，兩組響應(yīng)曲線如圖9b所示。

圖9 煙絲水分精度控制設(shè)計Fig.9 Moisture precision control system for cut tobacco

1.3 自動加料加香軟件系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備設(shè)計了一套自動加料加香軟件系統(tǒng)。通過RAPID編程在LabVIEW環(huán)境下利用數(shù)字I/O卡以及RS-232、RS-485和TCP/IP通訊實現(xiàn)程序控制，通過指令控制機(jī)器人做出相應(yīng)動作，實現(xiàn)自動化加料加香和烘絲。圖10為微型設(shè)備的LabVIEW人機(jī)交互界面，顯示內(nèi)容包括當(dāng)前進(jìn)行步驟、實際加入香料信息、輸入配方信息、機(jī)械手運(yùn)動狀態(tài)以及運(yùn)行模式等。

圖10 高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備軟件顯示界面Fig.10 Software display interface of high - precision automatic cut tobacco flavoring and drying integrated micro equipment

2 應(yīng)用效果

2.1 微型設(shè)備技術(shù)參數(shù)測定

經(jīng)上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院按照GB5226.1《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件》、GB/T17421.2《機(jī)床檢驗通則 第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》、GB/T12642《工業(yè)機(jī)器人 性能規(guī)范及其試驗方法》檢測，高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備規(guī)格為2000×700×1900 mm，單次處理煙絲能力達(dá)40～400 g，香料香精配制精度達(dá)到±0.02 g，烘后煙絲相對水分精度達(dá)到±0.5%。

2.2 微型設(shè)備所制樣品與大線生產(chǎn)樣品相似度評價

按照同一配方分別由浙江中煙調(diào)配中心實際生產(chǎn)、高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備、手工調(diào)配等方法進(jìn)行調(diào)配獲得1#料液、1#香精各50g，利用GC-MS及內(nèi)標(biāo)法對主要香味成分進(jìn)行定量，選擇峰形較好主要香味成分進(jìn)行比較分析，分別計算不同調(diào)配方法各成分的含量，每一樣品重復(fù)5次，取平均值分別與生產(chǎn)調(diào)配的各成分含量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1、表2。加料、加香的均勻程度以調(diào)配中心調(diào)配的料液、香精各成分含量為基準(zhǔn)利用相似度評價軟件計算相似度[12]。

表1 不同調(diào)配方法(1#料液)的主要香味成分分析結(jié)果Tab.1 Results of analysis of main fragrance components by different methods（1 # fragrance）

表2 不同調(diào)配方法(1#香精)的主要香味成分分析結(jié)果Tab.2 Results of analysis of main fragrance components by different methods（1 # essence）

1#料液、1#香精分別按照不同的方法進(jìn)行調(diào)配并按各自方法施加于利群煙絲中，按照四分法分別取生產(chǎn)線、高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備、實驗室人工操作三類煙絲作為實驗樣品，每一施加方法分別取樣15個樣品。每類樣品稱取1 g純加料和1g純加香煙絲頂空進(jìn)樣分析。利用YC/T426煙草混合均勻度公式[13]來表征加料、加香的均勻程度。

所有樣品經(jīng)鄭州輕工業(yè)學(xué)院第三方認(rèn)證檢測，微型設(shè)備所調(diào)料液香精品質(zhì)與浙江中煙調(diào)配中心大線生產(chǎn)所調(diào)料液香精品質(zhì)基本接近，煙絲加料加香均勻性與生產(chǎn)大線差異較小。具體詳見下表3：

表3 微型設(shè)備制樣、手工制樣與大線生產(chǎn)制樣相似度比較Tab.3 The similarity among micro equipment sample, manual sample and production sample

2.3 微型設(shè)備所制樣品與大線生產(chǎn)樣品感官質(zhì)量評價

將同一香精配方按照不同的方法進(jìn)行調(diào)配并按各自方法施加于利群煙絲中，按照四分法分別取生產(chǎn)線、高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備、實驗室手工加料加香后同一規(guī)格煙絲作為實驗樣品，并分別卷制成煙支進(jìn)行感官評價。將樣品按照標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行處理好后，由浙江中煙技術(shù)中心7名以上評吸專家（有評吸資格證）對樣品進(jìn)行感官評價，評價結(jié)果見表4。

表4 感官質(zhì)量評價Tab.4 Sensory evaluation

由上表4可知，加料加香微型設(shè)備制樣的感官質(zhì)量評價結(jié)果與大線生產(chǎn)樣差異較小，感官抽吸品質(zhì)接近。

3 結(jié)論

高精度自動化加料加香烘絲一體化微型設(shè)備采用自動化配料、配香、加料、加香及烘絲一體化手段，有效提高了實驗室卷煙小樣制樣過程加料加香精度和烘后煙絲水分精度，設(shè)備規(guī)格為2000×700×1900 mm，單次處理煙絲能力達(dá)40～400 g，香料香精配制精度達(dá)到±0.02 g，烘后煙絲相對水分精度達(dá)到±0.5%；微型設(shè)備所調(diào)香精與大線生產(chǎn)相似度達(dá)98.26%，料液相似度達(dá)99.11%，與大線加香加料均勻性差異系數(shù)為0.38%，與大線感官評價差異較小，明顯優(yōu)于人工加料加香效果。本微型設(shè)備實現(xiàn)了實驗室小樣制樣環(huán)節(jié)的自動化、精準(zhǔn)化加料加香，有效減少了傳統(tǒng)小樣與大線中樣放樣過程中的品質(zhì)差異，加快產(chǎn)品研發(fā)速率，提升產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量。