基于HDT 气流式烘梗机的控制优化提高烘梗风选出口水分稳定性

唐芳丽 赵晓雷

（广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，柳州 545000）

卷烟工业中，烘梗丝工序是最后一道对梗丝水分进行控制的关键工序，其控制效果直接影响成品烟丝的水分含量，从而影响卷烟内在品质。但是，梗丝生产过程的整体稳定性不足，传统设备控制参数复杂，烘梗丝受前加工工序、环境等因素影响较大，设备工艺控制方法急需优化。目前，研究人员针对卷烟工厂中烘梗丝水分优化进行了较多分析与改进。张福新等利用神经网络算法对烘梗丝机出口水分控制进行优化，测试发现烘梗丝机过程控制预测均方误差小于0.1%，标准差（Standard Deviation，SD）值提高70%，能有效预测烘梗丝机出口水分、实现控制模型的收敛，提升出口水分控制的稳定性[1]。余佑辉等以梗丝的水分质量指标为导向，对设备性能进行改进与创新，研制一种隧道式烘梗丝机风门自动调节装置，可达到稳定和提升产品质量的目的[2]。梁文斌采用单因子方差分析、回归分析等分析方法，分析烘梗丝工序的工艺参数、切丝宽度、来料含水率、STS 工作蒸汽压强、蒸汽喷射量对“水分倒挂”的影响[3]。任志军等提出了一种基于模糊控制和比例-积分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制相结合的模糊PID 控制策略[4]。赵静芬等在单因素试验的基础上，利用响应曲面法的中心复合表面设计，对CTD（COMAS Tower Dryer）烘梗丝工艺参数进行优化分析[5]。文章基于HDT 气流式烘梗机的PID 控制系统进行优化改进，围绕各项设备参数、工艺流程设计等方面进行优化，进一步提升烘梗风选出口水分的稳定性和合格率。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与设备

ZL 牌梗丝及对应的配方材料，在线红外水分仪、烘箱、电子秤，3 000 kg·h-1梗丝生产线、HDT 烘梗丝机（HAUNI）、就地风选机。

1.2 HDT 气流式烘梗机进料装置密封系统

HDT 气流式烘梗机进料装置密封系统主要由筒体、固定设置在筒体两端的盖板、设置在筒体内的转轮组成，如图1 所示。通过在相邻的转轮片之间设置挡板，以及设置连通盖板内侧的压缩空气管道，实现进料密封系统的轴向密封，从而避免物料进入转轮片与盖板之间的间隙内而被挤压成团，同时防止物料进入侧隙以保证物料加工质量。通过设置不同的挡板间距和压缩空气压力，即可改变梗丝结团情况。

图1 HDT 气流式烘梗机进料装置密封系统结构图

1.3 试验设计

生产流程包括投料、水洗梗、一级贮梗、光电除杂、一级蒸梗、二级贮梗、二级蒸梗、压梗、切梗、梗丝加料、梗丝干燥及梗丝风选。

首先，通过失效模式与影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA），分析筛选影响烘梗风选出口水分的关键因素，并利用工艺原理分析与双因子方差分析、单因子方差分析、双样本T 检验等试验设计方法相融合，确定实际影响较大的参数进行优化。

其次，基于HDT 气流式烘梗机的PID 控制系统进行优化改进，利用因子分析、响应曲面法、全因子实验设计等工具方法，围绕模拟水量、物料流量、跟随系数、工艺蒸汽压强、进料装置侧隙等方面进行研究，优化HDT 气流式烘梗机的控制模式和参数。

第一，模拟水量的试验设计。将模拟水量作为HDT 烘梗机的重要设备参数，模拟梗丝进入生产的状态。模拟水量设置的参数与梗丝实际状态不一致时，将会影响设备的调控，影响烘梗料头的水分控制。根据生产情况，确定模拟水量在520～650 L·h-1进行优化设置，因此设定模拟水量的水平为520 L·h-1、560 L·h-1、610 L·h-1、650 L·h-1，每个水平测量4 次。

第二，烘丝物料流量与跟随系数的试验设计。跟随系数设置不合理，进入HDT 内梗丝密度和去水效果不一致，导致烘梗水分波动。为了保证流量的稳定性，对入口电子秤进行调整，降低计量管压辊高度，优化跟随系数，提高送料的连续性。采用全因子试验设计方法，分别确定计量管压辊高度和跟随系数，各因子的水平见表1。

表1 物料流量、跟随系数与烘梗后水分合格率的数据表

第三，工艺蒸汽压力的试验设计。工艺蒸汽压强的大小会影响生产阶段蒸汽流量波动，蒸汽施加不均匀，将会导致烘梗水分不均匀、不稳定。根据生产情况，确定工艺蒸汽压强在3.8～6.5 kPa 进行优化设置，设定工艺蒸汽压强的水平为3.8 kPa、4.7 kPa、5.7 kPa、6.5 kPa，每个水平测量4 次。

第四，进料装置侧隙的试验设计。梗丝厚度仅有0.10～0.13 mm，容易进入烘梗进料装置侧隙，通过堆积、挤压后结团，导致烘梗来料不均匀稳定。风选风门开度决定了风力大小，剔除梗签梗头、结团对出口水分仪水分检测有影响。因此，设计进料装置密封系统，基于该系统两侧增加可调节的挡板，在挡板侧隙内注入空压气，形成完整的密封系统，为确定进料装置侧隙和压缩空气压强最佳值，进行全因子试验，各因子的水平见表2。

表2 烘梗进料装置侧隙与压缩空气压强的全因子实验设计表

最后，进行烘梗风选出口水分的合格率、过程稳定性、标准偏差等指标的验证。

2 结果与分析

2.1 烘梗丝模拟水量对烘梗出口水分合格率的影响

根据实验数据，建立回归方程拟合曲线，得到烘梗后水分合格率（y）与模拟水量（x）回归方程为y=-43.23+0.397 9x-0.000 33x2。根据拟合方程及图2，求得当模拟水量为603 L·h-1时，可使烘梗后水分合格率达到最大值为76.70%。

图2 烘梗出口水分合格率的拟合线图

2.2 烘丝物料流量与跟随系数对烘梗出口水分合格率的影响

将实验分析结果表1 数据输入响应优化器中，得到最佳点。图3 中的响应变量曲面图结果可以看出，当计量管压辊高度为176 mm、跟随系数为0.36 时，烘梗出口水分合格率理论上可以达到最大值78.61%。但考虑到生产过程中的可操作性，最优点取整，将计量管压辊高度最优值定为176 mm，跟随系数定为0.36。

图3 烘梗后水分合格率与跟随系数、计量管压辊高度响应变量曲面图

2.3 工艺蒸汽压强对烘梗出口水分稳定性的影响

建立回归方程拟合曲线，得到烘梗后水分合格率（y）与工艺蒸汽压强（x）回归方程为y=52.85+10.12x-0.892 8x2。根据该方程，求得当工艺蒸汽压强为560 kPa 时，可使烘梗出口水分合格率达到最大值，为81.52%。

2.4 烘梗进料装置侧隙对烘梗出口水分稳定性的影响

将实验分析结果表2 数据输入响应优化器中，得到最佳点。图4 中的响应变量曲面图结果可以看出，当进料装置侧隙调整为5.2 mm、压缩空气压强调整为32 kPa 时，烘梗风选出口水分合格率理论上可以达到最大值82.95%。

2.5 烘梗风选出口水分稳定性验证

由于HDT 烘梗丝机后直接连接就地风选机，通过对烘梗水分合格率的提升，有效优化了烘梗风选出口水分合格率和稳定性，验证2 个月的烘梗风选出口水分合格率数据为98.77%、标准偏差值为0.189 9%。

图4 烘梗后水分合格率与压缩空气压强、进料装置侧隙响应变量曲面图

3 结语

采用回归分析，确定设置模拟水量603 L·h-1，减小料头控制过程的波动。通过全因子试验调节螺杆，将计量管压辊高度调整为176 mm，设置跟随系数为0.36，提升电子秤皮带速度，尽量保证送料的连续性，优化烘梗来料和水分控制的稳定性。采用回归分析，设置工艺蒸汽压强为560 kPa，减少蒸汽波动，均匀施加蒸汽，提升烘梗水分均匀性。设计了新式HDT气流式烘梗丝机进料装置，在原进料装置的基础上增加了气锁挡板，并在侧隙通入空压气，通过全因子试验结果，将侧隙调整为5.2 mm，压缩空气压强设置为32 kPa。改进措施实施后，烘梗风选水分的标准偏差由0.221 0%降低至0.189 9%，过程合格率均值由96.30%提高到98.77%，有效提升烘梗风选出口稳定性。