基于自动温控系统的烟用料液搅拌罐研发

摘要：卷烟用香精香料的配置，是烟草生产过程中一项关键工艺步骤。鉴于此，研发了一种基于自动温控系统的烟用料液搅拌罐，通过在搅拌罐内附设加热装置，并对加热装置进行自动控制，解决了以往料液配制过程中混合时间长、混合不均匀、温度不稳定等问题，有效保证了烟用料液的质量。

关键词：香精香料;烟用料液;搅拌罐;自动温控

中图分类号：TS43" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）24-0045-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.011

0" " 引言

在卷烟制造加工过程中需要用到各类烟用料液，即香精香料。常用的香精香料多为酒精、糖类与水配制而成的溶液，为了节约配制时间，需要搅拌罐来加速介质溶解，提高溶液混合均匀度。烟用料液混合均匀度很大程度上影响着烟用料液的质量及后续卷烟产品整体风味的稳定性，但是当前烟草企业中广泛使用的烟用料液搅拌罐多不附带加温系统，或加温系统为开环控制系统，导致料液配制过程混合时间长，经常出现混合不均匀、温度不稳定等问题，搅拌效果难以满足生产需求。

针对香精香料配制过程中遇到的问题，拟通过加强技术研发与创新，提高生产效率，降低成本[1]。本文提出了一种带有自动温控系统的烟用料液搅拌装置，该装置具有结构简单、操作简便、混合效率高、温度控制准确的特点，能够有效提升烟用料液的质量与卷烟产品的风味稳定性，在实际应用中取得了良好的效果。

1" " 设计原理

烟用料液搅拌桨的设计主要是基于温度传感与控制技术，系统通过温度传感器实时监测料液的温度，并将数据传输至控制器，控制器根据温度预设值与实际温度之间的偏差，自动调节加热或冷却装置的输出功率，以保持料液温度在设定的范围内波动。

2" " 关键技术

1）温度传感技术：采用高精度温度传感器，确保实时、准确地监测搅拌罐内料液的温度变化。

2）智能控制技术：运用PID或其他先进控制算法，实现对加热或冷却装置输出功率的精确调节，确保温度控制的稳定性和快速响应性。

3）加热与冷却装置：根据具体工艺需求，选择合适的加热装置（如蒸汽管道等）和冷却装置（如冷却水循环等），确保搅拌罐内料液温度的有效调节。

4）搅拌装置：设计合理的搅拌机构，确保料液在搅拌过程中能够充分混合，同时避免产生局部高温或低温区域。

3" " 系统组成

自动温控系统的烟用料液搅拌罐主要由以下几部分组成：

1）搅拌罐罐体：搅拌罐采用双层夹套设计，内层为耐腐蚀、易清洗的不锈钢材质;外层为高效保温层，以减少热量散失。罐体顶部设有进料口、排气口及人孔，便于料液加入、气体排出及罐内维护。罐底设有出料口，并配备精密阀门控制。搅拌装置采用多层桨叶结构，结合变频电机驱动，确保料液在搅拌过程中形成复杂的流动模式，提高搅拌均匀性。

2）搅拌控制系统：搅拌控制系统采用变频电机驱动搅拌装置，通过PLC控制电机转速和搅拌时间，实现搅拌速度的精确调节和搅拌程序的灵活设置。系统可根据搅拌工艺要求预设多种搅拌模式，如低速预混、高速均质等，以满足不同料液的搅拌需求。此外，系统还具备搅拌过载保护和自动停机功能，确保搅拌过程的安全可靠进行。

3）自动温度控制系统：自动温度控制系统由高精度温度传感器、加热/冷却元件（如加热管、冷水循环系统等）、温控仪表及PLC控制器组成。温度传感器安装在搅拌罐内多个关键位置，以获取全面的温度数据。PLC控制器根据温度传感器反馈的信号，通过先进的PID控制算法或更高级的模糊控制算法调节加热/冷却元件的输出功率，使搅拌罐内温度精确维持在预设范围内。同时，系统还具备超温报警和自动断电保护功能，以确保生产安全。

4）智能化管理系统：智能化管理系统通过触摸屏人机界面实现与PLC控制器的无缝连接，方便操作人员实时监控搅拌罐的运行状态、调整工艺参数、进行故障诊断和排除。系统还具备数据记录和分析功能，可自动记录搅拌过程中的温度、搅拌速度、搅拌时间等关键参数，并生成详细的生产报告和数据分析图表。这些数据为生产管理和工艺优化提供了有力支持。

4" " 机械方案设计

本次研发的烟用料液自动控温搅拌桨[2]如图1所示，其中中空搅拌轴1如图2所示，设置在中空搅拌轴1上的搅拌座2如图3所示，设置在搅拌座上的叶轮3如图4所示;中空搅拌轴1内部设置有可与外部温度显示装置6相连接的测温模块，以及可与外部供热系统7相连接的加热模块。测温模块包含嵌设在中空搅拌轴1中下段内壁上的温感芯片41，加热模块包含循环管道52，该管道呈环状均匀分布在中空搅拌轴1内壁的四周。

搅拌桨巧妙构建了料液混合与自动温控的双重功能体系，能够实时精准捕捉烟用料液的温度变化，并将数据即时传输至外部温度显示装置，热水在循环管道内流畅循环，对搅拌过程中的烟用料液进行均匀加热，有效克服了传统搅拌罐中温度分布不均的难题。自动控温搅拌桨通过测温与加热模块的协同工作，实现了对烟用料液温度的精准控制与高效混合，为卷烟制造过程中的香精香料配制提供了强有力的技术支持，显著提升了生产效率和产品质量。

烟用料液控温搅拌桨包括中空搅拌轴、设置在中空搅拌轴上的搅拌座和设置在搅拌座上的叶轮，中空搅拌轴内部设置有可与外部温度显示装置相连接的测温模块和可与外部供热系统相连接的加热模块，叶轮的设计考虑了流体力学原理，达到了高效、低能耗的搅拌效果。搅拌轴采用中空设计，不仅减轻了整体重量，中空结构还有助于热量的均匀传递。搅拌过程中，温感芯片可实时测量烟用料液的温度，并传送至外部温度显示装置上，便于观测人员随时查看并调控温度;由外部蒸汽机构产生的蒸汽[3]（如热空气、热稀有气体等）输送至中空的搅拌轴内部，与烟用香料进行热交换。测温模块和加热模块的配合使用可实现精准控温，促使烟用糖类快速溶解，料液充分混合均匀，提高了料液的均一性和稳定性。精确的温度控制有助于保持料液的化学特性和物理特性，从而提升料液的品质。

综上所述，该控温搅拌桨通过测温与加热模块的协同工作，实现了对烟用料液的温度精准控制与高效混合，为卷烟制造过程中的香精香料配制提供了强有力的技术支持，显著提升了生产效率和产品质量。

5" " 电气方案设计

图5为自动温控系统电气部分示意图[4]，该系统为闭环反馈控制系统。其中电子温度输入模块由液晶显示屏、数字输入键盘、数模转换电路等部分构成，用户根据生产要求在数字输入键盘上输入所需温度值，输入数值会同步在液晶显示屏上显示，同时经由数模转换电路将数字信号转换为模拟信号[5]。模拟信号e1（t）与料液温度检测装置反馈信号e0（t）比较后，形成输入信号e（t）=e1（t）-e0（t），经由控制放大电路放大，控制电磁阀打开，热水进入搅拌器循环管道，料液被加热。

当电子温度输入模块模拟信号与反馈信号相等时，即e1（t）=e0（t），输入信号e（t）=e1（t）-e0（t）=0，电磁阀关闭，料液停止加热。

图5中控制放大电路采用PID控制电路，当系统受到外界干扰时，输出信号能快速收敛，保证料液温度稳定。

6" " 使用效果

为验证该搅拌罐的料液温度控制效果及料液搅拌效果，广州卷烟厂配香中心采用新型带自动温控系统的搅拌罐和传统开环温控系统搅拌罐进行烟用料液搅拌，两种搅拌罐配制相同溶液[6]，且容量相等，分别进行10次实验，记录料液温度及搅拌均匀所需时间。实验结果如表1所示，搅拌完成时间对比如图6所示，搅拌完成料液温度如图7所示。

从以上实验结果可以看出，新型带自动温控系统的搅拌罐在烟用料液配制中可以更加快速地完成料液均匀溶解，而且搅拌完成后料液温度稳定，对于保证料液品质，提高烟草生产工艺指标精度有明显的优势。

7" " 结束语

该新型搅拌罐已在广州卷烟厂配香车间应用，效果良好，大大提高了烟用料液配制的工作效率和准确性。同时，由于该装置加工难度及成本不大，且易放便携，有利于在不同的卷烟厂或灌装点推广使用，具有较好的使用价值。

[参考文献]

[1] 翁拔炎，王坚.自动控制系统的研究[J].广东民族学院学报（自然科学版），1990（4）：52-60.

[2] 孔庆华.机械设计基础[M].上海：同济大学出版社，2004.

[3] 陶文铨.数值传热学[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2001.

[4] 李书婷.基于单片机的酒精浓度检测仪设计[J].自动化与仪器仪表，2015（8）：18-19.

[5] 李洁.电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[6] 张韬.稀释溶液浓度的简便计算公式[J].人民军医，1979（9）：75-76.