烟厂制丝线温湿度控制工艺研究

郑伟+赵凡

摘 要：针对现有制丝系统生产能力，不能实现信息化生产的要求，设计了新型制丝管控系统，介绍了制丝生产线的工作流程，重点讲述了温湿度的控制方法与原理：松散回潮由滚筒式叶片回潮机完成，PLC通过PID控制器实现水分的控制；热风润叶机采用Fuzzy-PID算法完成增湿增温控制，便于烟片丝的后续处理，提高了卷烟生产效率和质量，提高了企业竞争力。

关键词：制丝生产线；柔性加工；松散回潮；热风润叶

引言

国内卷烟企业之间的相互竞争日益激烈，如何在日趋严峻的形势中站稳脚跟，提高产品的市场占有率，是企业急需解决的重中之重[1]。卷烟企业运用“工业4.0”的设计理念，将生产过程与信息化相结合，分散生产，集中管理，实现自动化生产与网络化管理控制相结合，才能使企业得到更加长足的发展。

本课题来源于河南省中烟有限责任公司郑州卷烟厂和新郑卷烟厂联合易地技术改造项目。卷烟厂生产车间主要包括制丝车间与卷接包车间。制丝生产线是卷烟生产过程中工艺流程最长、设备种类最多、生产过程最复杂的生产线[2]。制丝车间负责提供成品烟丝，为卷接包车架提供原料，因此制丝系统的生产效率与产品质量直接关系到卷烟的生产速度及出厂质量，是衡量烟草生产企业的重要指标之一。制丝线的信息化是大势所趋，是数字化工厂实现的重要阶段。

1 制丝管控系统总方案

根据国内制丝管控系统的技术发展，结合郑州厂和新郑厂现有技术，为新郑州厂打造一条国内领先的制丝管控系统，从而实现对制丝工艺过程提质降耗、精细化加工，改善品质、配方精确、管控一体，以满足卷烟行业日趋对信息化和自动控制精确化的要求；以构建中式卷烟的特色工艺路线，满足柔性加工，多层配方的中式卷烟工艺要求。

新郑州厂项目部将在新建联合工房内建一条新型制丝生产线。综合生产能力16000 kg/h。为了实现制丝线自动化生产和高度的集中控制管理，新郑州厂项目部需要建设一套适合新郑州卷烟厂生产和管理要求的制丝系统。此系统将柔性制丝与分组化技术运用在生产线上，严格按照中式卷烟工艺进行生产，打造适合自身发展的现代化无人车间，建成数字化工厂。

在保证系统可靠性、安全性与先进性的基础上，设计本项目的制丝管控系统。制丝管控系统共分三层：即设备控制层、集中监控层、生产管理层，如图1所示。

2制丝生产线

2.1生产线工作流程

制丝生产线的主要工作流程如图2所示。

设备控制层主要控制以上这些流程，保证制丝线正常工作。

原各厂制丝生产线，都只有一条生产线，生产能力有限。经易地改造后的生产线综合生产能力可达到16000kg/h。分为一条3000kg/h、一条5000kg/h和一条8000kg/h制叶丝线；一条3000kg/h梗丝生产线；1140kg/hCO2膨胀烟丝线从5000kg/h或8000kg/h线取片。

根据工艺流程的特点，设备层划分为3000线叶片预处理段、3000线叶片加料处理段、3000线叶丝处理段、3000线掺配加香段、5000线叶片处理段、5000气流烘丝线、5000薄板烘丝线、5000线掺配加香段、8000线叶片处理段、8000制叶丝线、8000线掺配加香段、梗预处理段、梗丝处理段、梗丝掺配控制段、贮丝进料段、贮丝出料段、膨胀丝掺配段、除尘段，各段对应设置PLC、分布式I/O及相应器件，对各生产工艺段实现控制。

采用多条生产线不仅提高了生产效率，还可使制丝系统同时生产品牌不同的烟丝，满足各卷接包生产线的需求，合理地根据市场需求与生产情况安排生产流程。从生产流程中可以看出在，不论是烟片处理还是烟梗处理，出现次数最多的处理方法就是回潮、增温增湿和烘丝，即对湿度和温度的处理。湿度与温度的控制，是保证成品烟丝质量的关键。真空回潮与松散回潮是对烟片的处理，对烟片进行回潮处理，便于切丝，增强了料液对烟片的润透效果。增温增湿使得叶片或叶梗能达到发酵所需的温湿度，烟叶经过发酵可改善品质，促进烟草化学成分的改变，减少有害物质的产生[3]。

2.2 松散回潮工艺流程

松散回潮是由松散润叶技术的滚筒式叶片回潮机完成。滚筒式叶片回潮机是制丝生产线上的重要设备之一，主要实现功能是对叶片进行松散回潮，内部滚筒可将叶片充分打散，方便加湿，便于后续进行切丝处理，因此这个过程成为松散回潮。回潮机具体的设备组成和功率点分布如图3所示。

滚筒电机负责整个筒体的转动，筒体内部含有拨料杆，负责将由进料室输送的叶片拨松，当叶片进入到离进料口1.5m时，增湿水管开启，喷出蒸汽，配合热风风机对叶片进行增温增湿处理。加水量和出料温度有此处理段的主控制器PLC控制。

严格来说，回潮机的工作过程分为三个阶段：预热阶段、生产阶段、清洗阶段。在生产过程中，这三个阶段必须严格按照次序依次进行，否则会产生故障，影响机器寿命。生产过程中一般只能看到生产阶段，预热阶段在开机时即已完成，在滚筒转动的过程中，加热均匀。为了防止生产过程中产生的蒸汽在滚筒内壁液化，影响叶片的加湿效果。清洗阶段是在生产结束后，清洗筒体及进出料室内部所附着的烟丝和杂物，减少对再次生产烟丝的质量产生影响。滚筒回潮机的具体工作流程如图4所示。

2.3回潮机的控制原理

回潮机的工艺控制原理如图5所示。

在回潮机启动以后，温度自动控制就开始工作，由电气比例阀和一体化温度传感器组成的控制回路来完成。在循环风道上设有电气比例阀和一体化温度传感器。程序中设定有风道温度。温度传感动器动态地反映筒内的热风温度，以4～20mA的电信号传给PLC模拟量输入模板，使该值与设定温度比较。热风风机口有PID温度控制器，通过PID计算后，系统根据实际风道温度（铂热电阻PT100反馈），把由PLC模拟量输出模板将输出值转换为输出4～20mA的电信号给电气转换器，电气转换器将电信号转变为气压信号，进而调整电气比例阀的开度，阀门定位器根据接收到的信号输出气信号给冷热风门汽缸，调节热风风速，从而使测量温度与设定值保持一致，实现温度的自控。endprint

水分自动控制则在运料进入筒体1.5m时开始工作，采用开环自动控制，由气动薄膜调节阀和电磁流量计组成的控制回路来完成，控制原理如图6所示。根据电子称测得的物料流量、进料水分、设定水分及加水比例，得出加水量的设定值。在水路上设有流量检测元件电磁流量计和执行元件气动薄膜调节阀。电磁流量计动态地反映水的瞬时流量，并把值传给PLC模拟量输入模板，使该值于计算出的加水量的设定值比较，由PLC的模拟量输出模板输出4～20mA的电信号给气动薄膜调节阀的电气转换器，电气转换器将电信号转变为气压信号，进而调整气动薄膜阀的开度，使加水量与设定值保持一致，实现加水的自控。而气动薄膜调节阀的控制精度与其上游管道压力的稳定程度有很大关系。

滚筒式叶片松散回潮机有水量的PID控制。

设实际加水量（单位：kg/h）为y，电子称的物料量（单位：kg/h）为h，进料水分为a，水分设定值为b，加水比例为k。

加水量的计算公式如下：h*（1-a）=（h+y/k）（1-b）

物料的干重

y=kh（b-a）/（1-b） （1）

2.4 增温增湿处理原理

增温增湿是制丝生产流程中出现最多的一个环节，由热风润叶机完成。经过润叶处理后的烟叶或烟丝其润透率、水分和温度可满足后续工艺的要求，直接影响成品烟丝的质量[4]。湿度增加可提高烟叶的韧性，减少后续工艺中对烟叶的损耗。PLC对润叶机的水分和温度控制如图7所示。

采用前馈调节和后馈控制相结合的方式。在系统进料时根据入口处皮带秤测得的物料流量和水分值给出一个加水量，使得系统反应灵敏。中间过程采用Fuzzy-PID算法得出应加水量，并将出口测得的温度值、水分值和所需进料流量反馈到进料口。处理过程：不断地将加水变化量与加水的变化率d/dt进行模糊化处理，并与Kp、Ki和Kd进行模糊推理，得到整定后的PID参数，交给PID调节器进行处理，控制器根据PID处理结果得出应加水量和进料流量，并根据应加水量调节润叶机上的蒸汽气动阀门，调节润叶机的实际出水量和热风量，出料口由水分仪测量水分和温度值，并将其反馈到入料口。这样就可输出满足工艺要求的烟片或烟丝。

其中使用的水分仪为SH-8B红外水份测定仪，依据近红外光线反射原理可实现非接触式测量，可距离被测物15cm～40cm，测量速度最快可达到0.2s，测量范围广，可通过RS-485接口连接电脑满足对网络化和信息化的要求，在烟草行业中得到了广泛的应用。

3 结束语

文章采用分组加工技术对新型制丝线的流程进行设计，重点对对生产线上温度与湿度的处理工艺进行了研究。PID控制器可实现对水分的精确，满足烟片与烟丝回潮工艺的要求。热风润叶机采用前馈调节和后馈控制相结合，Fuzzy-PID算法完成对温湿度的控制，提高烟叶的韧性，减少后续工艺中烟叶的损失。新型制丝方法采用柔性加工工艺和智能控制算法，符合中式卷烟特色，提高了烟丝质量和生产效率，增强了企业竞争力。

参考文献

[1]程道胜.浅谈卷烟机械自动控制技术[J].科技创新与应用，2014（3）.

[2]郝爱民.基于PROFINET的柔性化制丝管控系统研究[J].自动化技术与应用，2012，31（3）：88-90.

[3]孙玉宇.烟草发酵中微生物研究进展[J].现代农业科技，2014（9）：302-303.

[4]万永华.基于现场总线的烟厂制丝线管控系统设计与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2008.

作者简介：郑伟（1983，1-），男，河南郑州，本科学历，工程师，研究方向：自动控制系统和设备。endprint

水分自动控制则在运料进入筒体1.5m时开始工作，采用开环自动控制，由气动薄膜调节阀和电磁流量计组成的控制回路来完成，控制原理如图6所示。根据电子称测得的物料流量、进料水分、设定水分及加水比例，得出加水量的设定值。在水路上设有流量检测元件电磁流量计和执行元件气动薄膜调节阀。电磁流量计动态地反映水的瞬时流量，并把值传给PLC模拟量输入模板，使该值于计算出的加水量的设定值比较，由PLC的模拟量输出模板输出4～20mA的电信号给气动薄膜调节阀的电气转换器，电气转换器将电信号转变为气压信号，进而调整气动薄膜阀的开度，使加水量与设定值保持一致，实现加水的自控。而气动薄膜调节阀的控制精度与其上游管道压力的稳定程度有很大关系。

滚筒式叶片松散回潮机有水量的PID控制。

设实际加水量（单位：kg/h）为y，电子称的物料量（单位：kg/h）为h，进料水分为a，水分设定值为b，加水比例为k。

加水量的计算公式如下：h*（1-a）=（h+y/k）（1-b）

物料的干重

y=kh（b-a）/（1-b） （1）

2.4 增温增湿处理原理

增温增湿是制丝生产流程中出现最多的一个环节，由热风润叶机完成。经过润叶处理后的烟叶或烟丝其润透率、水分和温度可满足后续工艺的要求，直接影响成品烟丝的质量[4]。湿度增加可提高烟叶的韧性，减少后续工艺中对烟叶的损耗。PLC对润叶机的水分和温度控制如图7所示。

采用前馈调节和后馈控制相结合的方式。在系统进料时根据入口处皮带秤测得的物料流量和水分值给出一个加水量，使得系统反应灵敏。中间过程采用Fuzzy-PID算法得出应加水量，并将出口测得的温度值、水分值和所需进料流量反馈到进料口。处理过程：不断地将加水变化量与加水的变化率d/dt进行模糊化处理，并与Kp、Ki和Kd进行模糊推理，得到整定后的PID参数，交给PID调节器进行处理，控制器根据PID处理结果得出应加水量和进料流量，并根据应加水量调节润叶机上的蒸汽气动阀门，调节润叶机的实际出水量和热风量，出料口由水分仪测量水分和温度值，并将其反馈到入料口。这样就可输出满足工艺要求的烟片或烟丝。

其中使用的水分仪为SH-8B红外水份测定仪，依据近红外光线反射原理可实现非接触式测量，可距离被测物15cm～40cm，测量速度最快可达到0.2s，测量范围广，可通过RS-485接口连接电脑满足对网络化和信息化的要求，在烟草行业中得到了广泛的应用。

3 结束语

文章采用分组加工技术对新型制丝线的流程进行设计，重点对对生产线上温度与湿度的处理工艺进行了研究。PID控制器可实现对水分的精确，满足烟片与烟丝回潮工艺的要求。热风润叶机采用前馈调节和后馈控制相结合，Fuzzy-PID算法完成对温湿度的控制，提高烟叶的韧性，减少后续工艺中烟叶的损失。新型制丝方法采用柔性加工工艺和智能控制算法，符合中式卷烟特色，提高了烟丝质量和生产效率，增强了企业竞争力。

参考文献

[1]程道胜.浅谈卷烟机械自动控制技术[J].科技创新与应用，2014（3）.

[2]郝爱民.基于PROFINET的柔性化制丝管控系统研究[J].自动化技术与应用，2012，31（3）：88-90.

[3]孙玉宇.烟草发酵中微生物研究进展[J].现代农业科技，2014（9）：302-303.

[4]万永华.基于现场总线的烟厂制丝线管控系统设计与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2008.

作者简介：郑伟（1983，1-），男，河南郑州，本科学历，工程师，研究方向：自动控制系统和设备。endprint

水分自动控制则在运料进入筒体1.5m时开始工作，采用开环自动控制，由气动薄膜调节阀和电磁流量计组成的控制回路来完成，控制原理如图6所示。根据电子称测得的物料流量、进料水分、设定水分及加水比例，得出加水量的设定值。在水路上设有流量检测元件电磁流量计和执行元件气动薄膜调节阀。电磁流量计动态地反映水的瞬时流量，并把值传给PLC模拟量输入模板，使该值于计算出的加水量的设定值比较，由PLC的模拟量输出模板输出4～20mA的电信号给气动薄膜调节阀的电气转换器，电气转换器将电信号转变为气压信号，进而调整气动薄膜阀的开度，使加水量与设定值保持一致，实现加水的自控。而气动薄膜调节阀的控制精度与其上游管道压力的稳定程度有很大关系。

滚筒式叶片松散回潮机有水量的PID控制。

设实际加水量（单位：kg/h）为y，电子称的物料量（单位：kg/h）为h，进料水分为a，水分设定值为b，加水比例为k。

加水量的计算公式如下：h*（1-a）=（h+y/k）（1-b）

物料的干重

y=kh（b-a）/（1-b） （1）

2.4 增温增湿处理原理

增温增湿是制丝生产流程中出现最多的一个环节，由热风润叶机完成。经过润叶处理后的烟叶或烟丝其润透率、水分和温度可满足后续工艺的要求，直接影响成品烟丝的质量[4]。湿度增加可提高烟叶的韧性，减少后续工艺中对烟叶的损耗。PLC对润叶机的水分和温度控制如图7所示。

采用前馈调节和后馈控制相结合的方式。在系统进料时根据入口处皮带秤测得的物料流量和水分值给出一个加水量，使得系统反应灵敏。中间过程采用Fuzzy-PID算法得出应加水量，并将出口测得的温度值、水分值和所需进料流量反馈到进料口。处理过程：不断地将加水变化量与加水的变化率d/dt进行模糊化处理，并与Kp、Ki和Kd进行模糊推理，得到整定后的PID参数，交给PID调节器进行处理，控制器根据PID处理结果得出应加水量和进料流量，并根据应加水量调节润叶机上的蒸汽气动阀门，调节润叶机的实际出水量和热风量，出料口由水分仪测量水分和温度值，并将其反馈到入料口。这样就可输出满足工艺要求的烟片或烟丝。

其中使用的水分仪为SH-8B红外水份测定仪，依据近红外光线反射原理可实现非接触式测量，可距离被测物15cm～40cm，测量速度最快可达到0.2s，测量范围广，可通过RS-485接口连接电脑满足对网络化和信息化的要求，在烟草行业中得到了广泛的应用。

3 结束语

文章采用分组加工技术对新型制丝线的流程进行设计，重点对对生产线上温度与湿度的处理工艺进行了研究。PID控制器可实现对水分的精确，满足烟片与烟丝回潮工艺的要求。热风润叶机采用前馈调节和后馈控制相结合，Fuzzy-PID算法完成对温湿度的控制，提高烟叶的韧性，减少后续工艺中烟叶的损失。新型制丝方法采用柔性加工工艺和智能控制算法，符合中式卷烟特色，提高了烟丝质量和生产效率，增强了企业竞争力。

参考文献

[1]程道胜.浅谈卷烟机械自动控制技术[J].科技创新与应用，2014（3）.

[2]郝爱民.基于PROFINET的柔性化制丝管控系统研究[J].自动化技术与应用，2012，31（3）：88-90.

[3]孙玉宇.烟草发酵中微生物研究进展[J].现代农业科技，2014（9）：302-303.

[4]万永华.基于现场总线的烟厂制丝线管控系统设计与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2008.

作者简介：郑伟（1983，1-），男，河南郑州，本科学历，工程师，研究方向：自动控制系统和设备。endprint