松散回潮机智能单机系统的研究与应用

赵 新 赵忠帅 张 琪 聂金宁

（山东中烟工业有限责任公司青州卷烟厂，青州 262500）

1 项目立项的背景及现状

1.1 项目背景

松散回潮作为卷烟生产加工的首道核心工序，其工艺任务是增加叶片的含水率和温度，提高烟片耐加工性，使烟片均匀、松散，并改善感官质量，满足后续制丝工艺要求。含水率是影响烟丝填充能力和卷制过程造碎率的关键指标，对烟支的质量、吸阻、硬度及燃吸品质和烟气化学成分等都有影响。不同的加水比例下，松散回潮的出口烟片含水率不同。它的稳定性对后续各工序工艺指标有着直接影响，因此松散回潮的出口水分的稳定控制尤为重要[1]。

1.2 项目现状

1.2.1 出口水分波动

出口水分受来料物理特性、蒸汽质量、环境温湿度等因素影响，无法实现精准控制，普遍存在波动较大、批次间不一致等现象。

1.2.2 人为经验依赖

生产中需通过人工改变加水流量设定值来调节出口水分。出口水分仅作为人工调节的参考数据，不参与自动控制。

1.2.3 来料性质不稳定

来料差异性较大，不同烟包的烟片颜色、外观、吸水性等质量特性影响水分仪的检测结果，且水分仪检测的是表面水分。

1.2.4 系统控制延时

加水点与控制点之间的距离较长，属于大时滞系统。调整加水量后，通常要经过3～5 min才能产生影响。

2 松散回潮机智能单机系统的研究

2.1 设计思路

在现有设备的基础上加装关键感知及提升器件，可为智能控制提供前置的必要条件。基于“机理+数据驱动”模式进行数学建模，设计基于模型的智能控制算法，可实现回潮过程的综合最优化和自动化，提升自控水平和产品质量。发挥主机厂优势，针对设备建立全面的专家知识体系，通过与管理端的信息融合和便捷交互设计，可提升业务人员运维的查询、处理速度，提高工作效率。将设备的监视与控制全面三维可视化设计，可充分发挥三维可视化在交互方面的优势，形成集精准状态感知、可视化信息查询、数据透视于一体的综合性和智能化管控平台[2]。

2.2 总体设计方案

回潮机智能单机系统分为设备控制层和信息处理层两个层次。

设备控制层主要由设备感知元器件、智能控制器及现场人机交互（Human Machine Interaction，HMI）组成。本项目尽可能配置带有DP/PA（Decentralized Periphery/Process Automation）通信协议的传感器、执行器件，各种网络接线配置原厂网络接头、PA网络T形转接头和终端电阻，以保障数据通信的稳定安全。

信息处理层主要由智能算法分析系统和三维可视化运营系统构成。智能算法分析系统主要由算法服务器、数据采集软件以及时序数据库组成，主要功能为采集设备的运行数据进行智能分析，实现控制模型的优化及算法迭代等。可视化运营系统主要由管理服务器、关系数据库、时序数据库、OPC软件和以太网网络器件组成，主要功能为形成基于三维可视化的设备监、控、管一体化信息处理平台。所有的数据收集、分析、统计、存储，设备的人机交互监控，设备对外信息交换等，均由此系统完成[3]。

3 松散回潮机智能单机系统的应用

如图1所示，智能单机系统的总体结构以数字孪生和智能处理中枢为载体，辐射智能控制、设备数字化、三维实景化、专家知识库、设备控制交互及对外数据交互等具体功能模块。

3.1 智能控制

基于机器视觉技术判断来料的特性信息，增加温湿度传感器感知环境信息，综合分析影响松散回潮关键指标特性的因子，利用先进的智能算法建立智能控制模型，实现对松散回潮机工艺过程的智能化控制。

3.2 智能自检

基于现场实际情况的开机自检功能包括静态自检（检测关键器件状态、网络状态等）和动态自检（仪表数值是否准确、执行机构是否到位等）两种，如图2所示。

3.3 三维实景化

基于设备实体和设计模型进行三维可视化实景设计，可充分发挥其在三维可视化交互方面的优势，建设全新的三维智能监视管控体系，通过丰富监管手段提升设备的运营效率。它的主要功能涵盖基础权限管理、用户应用场景、三维模型、实景动画、运维显示、信息推送、控制人机交互界面以及三维拆装动画等。

3.4 系统日志管理

日志类型分为管理系统日志和监控系统日志。管理系统日志包括业务操作日志、安全审计日志、安全管理日志和系统管理日志。以业务操作日志为例，它的展示内容主要包括登录名、用户部门、登录计算机网际互连协议（Internet Protocol，IP）、操作内容以及操作时间等信息，并可满足多条件查询。监控系统日志主要包括工艺段、操作变量、操作变量更改前后数值、操作员、操作PC机名以及操作时间等信息[4]。

4 松散回潮机智能单机系统的实施效果及推广价值

4.1 实施效果

项目通过对现有制丝线上松散回潮机控制系统进行智能化改造，实现生产过程的去人工化和工艺控制的智能化，建立三维实景化监控体系，并开发配套的智能运营系统，最终减少人工对生产的影响，减轻劳动强度，提高生产和运维工作效率，改进产品质量，提高制丝车间生产智能化水平。

2021年第一季度生产加工36个批次，其中有28个实验批次采用智能控制模式，分别统计并比较非实验批次和实验批次的质量指标平均值。结果显示实验批次的质量指标均优于非实验批次，且料头料尾的出口含水率更加平稳。出料含水率精度允差±1.0%（设备具备实现水分精度1.0%的硬件条件，由设备、电控系统以及利旧流量控制设备联合保证水分精度；来料流量均匀稳定，流量变异系数不大于0.25%，来料含水率允差±1.5%，含水率标准偏差≤0.5%时，以水分仪的检测数据为依据），出口含水率标准偏差≤0.3%（来料流量均匀稳定，在流量变异系数不大于0.25%、来料含水率允差±1.5%、含水率标准偏差≤0.5%时，以水分仪的检测数据为依据）[5]。

4.2 推广价值

松散回潮机智能单机系统减少了松散回潮出口水分的波动，提升了松散回潮工艺质量控制的稳定性与精确性。实现全自动化的松散回潮出口水分智能控制，可减少对人为经验的依赖，缩小不同操作人员的经验带来的差异。可见，工业智能技术在烟草行业的业务场景下的融合应用，可为未来烟草行业的智能化转型奠定基础。