楚晗，張長(zhǎng)安，王文杰，郭永才，程明遠(yuǎn)，李彥周*，秦少華，王延軍，黨霞

1 天昌國(guó)際煙草有限公司，河南省許昌市魏都區(qū)五一路北段 461000；

2 天昌國(guó)際煙草有限公司天昌復(fù)烤廠，河南省許昌市魏都區(qū)解放路北段 461000

隨著煙草行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的推進(jìn)，打葉復(fù)烤在煙草產(chǎn)業(yè)鏈中的作用逐漸凸顯，工業(yè)企業(yè)對(duì)復(fù)烤企業(yè)成品質(zhì)量控制水平提出了更高層次的要求，打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工水平也越來(lái)越得到重視[1]。配方打葉具有提升煙葉可用性及質(zhì)量穩(wěn)定性、模塊間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、方便工業(yè)配方加工等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，是提升打葉復(fù)烤均質(zhì)化水平的有效途徑，已成為目前最常見的復(fù)烤加工方式。田欒欒等[4]在高、中、低煙堿等級(jí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)分煙堿分段范圍，在復(fù)烤前進(jìn)行重新配比組合，發(fā)現(xiàn)精細(xì)化混配之后煙堿CV值，即煙堿變異系數(shù)，較常規(guī)加工明顯降低。沈晗等[5]在平庫(kù)條件下，探索了三種出入庫(kù)模式下生產(chǎn)的均質(zhì)化效果，其中，“混配組合”調(diào)控模式效果最好，但用工和時(shí)間成本較高，“相似組合”操作簡(jiǎn)單、成本低，便于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。可文庚等[6]以煙堿及其變異系數(shù)作為表征與衡量的關(guān)鍵指標(biāo)，設(shè)計(jì)了多個(gè)堆垛貨位進(jìn)行原料搭配投料，通過(guò)該調(diào)控方法，成品煙堿CV值降低，裝箱煙片變異系數(shù)控制在3%以內(nèi)。目前，配方打葉多采用原料煙堿“高低搭配”的方法，通過(guò)對(duì)原料均勻混配，實(shí)現(xiàn)打葉復(fù)烤均質(zhì)化水平的提升，但受人工條件制約影響，配方打葉在備料、鋪葉擺把、混配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)難以保證配方的穩(wěn)定性和均勻性[7-9]，直接影響均質(zhì)化加工效果，這也對(duì)配方打葉投料模式提出了新要求[10-11]。為提高打葉復(fù)烤環(huán)節(jié)多等級(jí)配方投料的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種配方煙葉自動(dòng)化精準(zhǔn)投料設(shè)備，該設(shè)備擺脫了人工因素的限制，實(shí)現(xiàn)配方煙葉由平鋪式向?qū)愉伿酵读系霓D(zhuǎn)變，有效提高配方打葉的均勻性和穩(wěn)定性，為打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工水平的提升提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

設(shè)備主體分為兩個(gè)部分，投料控制單元和自動(dòng)化進(jìn)料裝置。投料控制單元是設(shè)備控制中樞，負(fù)責(zé)對(duì)自動(dòng)投料設(shè)備下達(dá)工作指令以及收集反饋信息；自動(dòng)化進(jìn)料裝置負(fù)責(zé)執(zhí)行投料指令，實(shí)現(xiàn)配方煙葉自動(dòng)投料，均勻混配。

1.1.1 投料控制單元

投料控制單元主要由控制中心、控制平臺(tái)、稱重器、通信器組成，圖1為該單元的結(jié)構(gòu)示意圖。通信器接收到投料信息后，將其發(fā)送至控制中心，控制中心根據(jù)投料信息、投料工位數(shù)計(jì)算投料輪次，并依據(jù)投料種類和投料輪次對(duì)各工位對(duì)應(yīng)的控制平臺(tái)下達(dá)具體投料指令，稱重器對(duì)各工位的投料進(jìn)行稱重，并將重量信息實(shí)時(shí)反饋至控制平臺(tái)，同時(shí)將流量信息發(fā)送至顯示器，視頻監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)顯示投料情況。在實(shí)時(shí)檢測(cè)、調(diào)控中，實(shí)現(xiàn)配方投料的在線設(shè)計(jì)、自動(dòng)投料的精準(zhǔn)執(zhí)行、投料精度的在線反饋，減少投料失誤。

圖1 投料控制單元示意圖Fig.1 Schematic diagram of feeding control device unit

1.1.2 自動(dòng)化進(jìn)料裝置

自動(dòng)化進(jìn)料裝置主要由投料單元、喂料機(jī)構(gòu)、控制裝置、匯總皮帶組成，如圖2所示。煙筐1為定制煙筐，底部裝有滑輪，四周為鏤空設(shè)計(jì)，煙筐上部全開，定制煙筐內(nèi)裝有松散回潮后的煙葉，運(yùn)送至進(jìn)料裝置指定位置，并對(duì)其進(jìn)行固定，投料單元四周設(shè)置有料位傳感器，料位傳感器對(duì)煙筐內(nèi)物料狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)感應(yīng)，機(jī)械手2根據(jù)料位傳感器指示，在三維移動(dòng)軌道上進(jìn)行抓取作業(yè)，三維移動(dòng)軌道由支架和推動(dòng)支架的伸縮缸組成，在三維移動(dòng)軌道上，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)前后、橫縱、垂直方向靈活移動(dòng)。原煙經(jīng)機(jī)械手抓送至喂料機(jī)3，為使機(jī)械手抓取的煙葉均勻分散，喂料機(jī)上均勻分布撥料輥，原煙經(jīng)撥料輥均勻分散，進(jìn)行流量控制，經(jīng)分散的煙葉通過(guò)出料口4，在限流管5處進(jìn)行流量二次控制，煙葉落至電子皮帶秤6處，對(duì)煙葉進(jìn)行稱重并反饋，實(shí)現(xiàn)定量喂料。煙葉經(jīng)控制裝置落至匯總皮帶7處，匯總皮帶將配方煙葉傳送至下一工序。

圖2 自動(dòng)化進(jìn)料裝置Fig.2 Automatic feeding device

1.2 設(shè)備工作模式的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)多等級(jí)配方投料，此自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備設(shè)置為并聯(lián)單元，假定使用6臺(tái)投料設(shè)備，在并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，物料走向逆向排序分別為6、5、4、3、2、1，各模塊原煙經(jīng)各自動(dòng)化進(jìn)料裝置進(jìn)行自動(dòng)投料，通過(guò)定量喂料，連續(xù)均勻地落入?yún)R總皮帶處，如圖2匯總皮帶7。設(shè)備運(yùn)行后，1號(hào)投料設(shè)備布料至匯總皮帶，物料經(jīng)匯總皮帶運(yùn)送至2號(hào)投料設(shè)備下方時(shí)，2號(hào)投料設(shè)備開始布料，直至6號(hào)投料設(shè)備布料開始，在并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，最終匯總皮帶輸出截面為6臺(tái)投料設(shè)備所投物料的完整組合，實(shí)現(xiàn)層鋪式輸出。該設(shè)備能消除人工投料不確定因素的影響，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)投料，且物料的層鋪式輸出使各等級(jí)煙葉在投料階段就能完成初次預(yù)混，混配均勻度高，可有效提升配方打葉的精準(zhǔn)度和混配的均勻性。

設(shè)備機(jī)械手通過(guò)模擬人工，對(duì)煙框內(nèi)不同方向、不同位置的煙葉進(jìn)行抓取作業(yè)，使煙框內(nèi)煙葉在抓取作業(yè)時(shí)得到松散，達(dá)到框內(nèi)煙葉初混的效果，與翻箱喂料等其它自動(dòng)化投料生產(chǎn)手段相比，投料顆粒度極大地減小，在提升投料自動(dòng)化水平的基礎(chǔ)上保證了投料的顆粒度，更有利于煙葉均勻混配。

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以某工業(yè)公司2020年中部煙配方模塊為試驗(yàn)材料，在天昌國(guó)際煙草有限公司天昌復(fù)烤廠6000 kg/h生產(chǎn)線上開展對(duì)比試驗(yàn)。原煙經(jīng)回潮松散后，分別采用傳統(tǒng)人工鋪葉直投和自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備自動(dòng)投料兩種方式對(duì)配方煙葉進(jìn)行投料，其中人工臺(tái)位18個(gè)，單次投料誤差為每公斤±2%，自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備6臺(tái)，投料誤差為每小時(shí)±2%，設(shè)置人工投料及自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備投料流量為6000 kg/h。

2.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

2.2.1 投料流量均勻性及精準(zhǔn)度測(cè)定

投料流量均勻性測(cè)定方法：按照6000 kg/h的加工任務(wù)，在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)6臺(tái)自動(dòng)投料設(shè)備電子皮帶秤的瞬時(shí)流量進(jìn)行讀數(shù)，每次讀數(shù)間隔3 min，共讀數(shù)24次，測(cè)定自動(dòng)化精準(zhǔn)投料設(shè)備投料流量的均勻性。

投料精準(zhǔn)度測(cè)定方法：在三班生產(chǎn)時(shí)各隨機(jī)抽取1 h進(jìn)行取樣，對(duì)該時(shí)段內(nèi)18個(gè)人工臺(tái)位及6臺(tái)自動(dòng)化投料設(shè)備投料完成情況進(jìn)行測(cè)定，對(duì)兩種投料方式下匯總皮帶處的流量煙葉進(jìn)行稱重計(jì)算，得出1 h內(nèi)人工、自動(dòng)化投料設(shè)備的投料完成情況及投料精準(zhǔn)度，每種投料方式各取樣3次。

2.2.2 混料均勻度測(cè)定

用6種不同顏色的線繩（紅、黃、藍(lán)、白、黑、綠）標(biāo)記不同等級(jí)原煙共1000 kg，按紅：黃：藍(lán)：白：黑：綠=1:2:2:2:2:1的比例進(jìn)行配方投料，對(duì)1 min內(nèi)匯總皮帶處煙葉進(jìn)行取樣，單次取樣間隔1 min，共取樣3次，對(duì)每種顏色重量進(jìn)行稱重計(jì)算占重比例，對(duì)比兩種投料方式混料均勻度。

2.2.3 烤后煙煙化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)

在裝箱處對(duì)1 h內(nèi)兩種投料方式下產(chǎn)出的烤后成品片煙進(jìn)行取樣檢測(cè)，單次取樣200 g，每種投料方式各取樣20次，使用近紅外光譜儀測(cè)定其煙堿含量。計(jì)算變異系數(shù)。

2.2.4 試驗(yàn)儀器

自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備及定制煙筐（詳見專利CN211003636U和CN211983752U）；美國(guó)賽默飛世爾科技（Thermo Scientific）Nicolet Summit型傅里葉變換近紅外光譜儀；FED240電熱烘箱（德國(guó)Binder公司）；CSM-III旋風(fēng)磨（帶40目網(wǎng)篩，上海度柯自動(dòng)化科技有限公司）。

近紅外儀器檢測(cè)參數(shù)如下：波數(shù)分辨率8 cm-1，掃描次數(shù)72次，波數(shù)范圍4000～10000 cm-1。

打葉復(fù)烤生產(chǎn)線設(shè)備：1條設(shè)計(jì)產(chǎn)能為6000 kg/h的打葉復(fù)烤生產(chǎn)線。

3 結(jié)果與分析

3.1 自動(dòng)投料流量均勻性測(cè)定及不同投料方式投料精準(zhǔn)度對(duì)比

設(shè)定6臺(tái)自動(dòng)投料設(shè)備單臺(tái)投料流量為1000 kg/h，在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)其流量均勻性進(jìn)行測(cè)定，圖3為投料瞬時(shí)流量記錄圖?？梢钥闯觯?臺(tái)投料設(shè)備投料瞬時(shí)流量在985～1015 kg/h上下波動(dòng)，投料流量誤差為±1.5%，在設(shè)定誤差±2%范圍內(nèi)，整體來(lái)看，自動(dòng)投料設(shè)備投料流量在額定范圍內(nèi)浮動(dòng)，投料較均勻穩(wěn)定。

圖3 自動(dòng)投料瞬時(shí)流量記錄圖Fig.3 The instantaneous flow rate record of automatic feeding

為對(duì)比兩種投料方式下投料的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，在三班生產(chǎn)時(shí)，隨機(jī)抽取1 h，測(cè)定人工投料和自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備在該時(shí)段內(nèi)的投料完成情況，得到表1。由表1可以看出，人工和6臺(tái)自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備均能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成設(shè)定投料任務(wù)，人工投料穩(wěn)定性較自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備略差，且人工投料前夜、后夜效率明顯低于白班，分析原因，可能是受工作時(shí)間和工作狀態(tài)的影響，人工在后夜連續(xù)工作時(shí)，工作狀態(tài)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。與人工投料相比，自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備在連續(xù)作業(yè)時(shí)，具有較高的精準(zhǔn)度及穩(wěn)定性。

表1 兩種投料方式下投料情況Tab. 1 Feeding situation under two feeding modes

3.2 不同投料方式混料均勻度對(duì)比

為更加直觀地對(duì)比兩種投料方式對(duì)煙葉的初次混配效果，采用6種顏色線繩標(biāo)記各等級(jí)煙葉的方法，按紅：黃：藍(lán)：白：黑：綠=1:2:2:2:2:1的比例進(jìn)行配方投料，其中，人工布料臺(tái)位及投料比例設(shè)置如圖4所示。經(jīng)投料初混，得到表2。結(jié)果表明，經(jīng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備投料后煙葉達(dá)到初次預(yù)混，占比與預(yù)設(shè)比例基本一致，誤差均值低至0.2%，說(shuō)明該設(shè)備實(shí)現(xiàn)的煙葉層鋪式投料保證了垂直截面的精準(zhǔn)配比，而人工投料受投料顆粒度、皮帶速度、工人工作狀態(tài)等因素的限制，誤差均值為3.5%。目前，人工投料的投料設(shè)計(jì)方法可以保證單條鋪葉皮帶上煙葉配方的完整度，但多線人工投料同時(shí)作業(yè)時(shí)，匯總皮帶處的混料情況具有一定的隨機(jī)性，導(dǎo)致比例分布不均勻。因此，對(duì)于配方打葉來(lái)說(shuō)，人工投料在投料階段僅完成了投料的數(shù)量任務(wù)，對(duì)比人工投料，在煙葉初次預(yù)混上，自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖4 人工布料臺(tái)位設(shè)置Fig.4 Artificial cloth table setting

表2 兩種投料方式混料占比情況Tab. 2 The proportion of the mixture of the two feeding methods

3.3 不同投料方式烤后煙葉煙堿及其CV值對(duì)比

為對(duì)比兩種投料方式對(duì)打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工的影響，選取打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工中代表性指標(biāo)煙堿及其變異系數(shù)作為測(cè)定對(duì)象，對(duì)兩種投料方式下1 h生產(chǎn)的20箱烤后煙煙堿進(jìn)行測(cè)定，得到表3。由表3可知，自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備投料方式下，烤后煙煙堿CV值低于人工投料，均質(zhì)化水平有所提升。

表3 兩種投料方式下烤后片煙煙堿含量Tab. 3 Nicotine content of flue-cured tobacco slices under two feeding methods

4 結(jié)論

為擺脫打葉復(fù)烤投料環(huán)節(jié)人工因素的限制，設(shè)計(jì)了一種打葉復(fù)烤自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備，該設(shè)備由投料控制單元和自動(dòng)化進(jìn)料裝置組成，在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線分別采用人工投料和自動(dòng)化投料開展對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：該自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠按設(shè)計(jì)流量完成投料任務(wù)，投料流量在每小時(shí)±1.5%的范圍內(nèi)波動(dòng)，流量均勻穩(wěn)定，受人工不可控、外部環(huán)境等因素的影響，人工投料穩(wěn)定性低于自動(dòng)化設(shè)備投料；自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)配方煙葉層鋪式投料，使原料在投料階段完成預(yù)混，混配均勻度誤差在0.2%左右，而人工投料具有不確定性，混配均勻度誤差均值為3.5%；經(jīng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備投料的烤后片煙煙堿CV值較人工投料降低0.68%，對(duì)打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工具有較大的貢獻(xiàn)度；以天昌復(fù)烤廠鋪葉擺把生產(chǎn)線為例，自動(dòng)化精準(zhǔn)投料設(shè)備在全面投入使用后將大幅提升打葉復(fù)烤機(jī)械化、自動(dòng)化水平，日均減少用工200個(gè)，每年可節(jié)約人工成本支出200萬(wàn)元。

綜上所述，此自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備解決了人工投料用工量大、不穩(wěn)定等問題，擺脫了投料環(huán)節(jié)人工不可控因素的制約，作為均質(zhì)化控制手段之一，對(duì)打葉復(fù)烤成本節(jié)約、自動(dòng)化、均質(zhì)化加工水平的提升方面具有重要意義。本文測(cè)試了自動(dòng)化精準(zhǔn)配方投料設(shè)備在打葉復(fù)烤投料環(huán)節(jié)原煙投料的工作能力，效果顯著。目前，片煙二次組配工藝成為卷煙工業(yè)企業(yè)優(yōu)化配方、提升煙葉可用性的有效途徑[14]，該設(shè)備在原煙投料的基礎(chǔ)上，也可進(jìn)一步應(yīng)用于模塊片煙加工工藝中。未來(lái)，各復(fù)烤廠可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)可以與數(shù)字化倉(cāng)庫(kù)、混配柜等其它均質(zhì)化控制手段相結(jié)合，進(jìn)一步提升打葉復(fù)烤行業(yè)自動(dòng)化及均質(zhì)化控制水平。