基于 MATLAB的制丝车间非恒温恒湿环境烟叶加水控制仿真研究

基于 MATLAB的制丝车间非恒温恒湿环境烟叶加水控制仿真研究

杨松松 1 陆林娟 2 陈可金 1 刘跃庆 1 谢升 1 王胜亮 1

1. 江西中烟工业有限责任公司井冈山卷烟厂 江西 吉安 343100

2.浙江中烟工业有限责任公司 浙江杭州 310008

摘要：通过研究制丝工序段出、入口水分及加水量间的关系为找到制丝车间非恒温恒湿环境下烟叶加水新方法及研究如何保证烘丝指标稳定性提供理论指导。本文基于井冈山卷烟厂利群品牌制丝过程数据，运用matlab软件，对7-9月份（温度（25-30℃），湿度（60-70%））、10-12月份（温度（20-25℃），湿度（50-60%））条件下仿真得到出、入口水分及加水量间的关系函数。由生产数据验证，烘前水分误差值在（0.01～0.13%），二次加料加水量误差值在（0.24～0.59Kg）；烘前水分、SIROX出口温度、烘丝筒壁温度、加香出口水分等烘丝关键指标100%达标，很好的指导生产。

关键词：制丝车间 非恒温恒湿 加水 控制

0 引言

就卷烟行业制丝工序而言，烟叶水分是一个重要指标，而影响这项指标的因素除加工工序的设备及工艺参数外，还有一个重要的因素就是加工过程所处的环境，即必须将烟叶所处环境的温度、湿度控制在一个适当的范围。而对非恒温恒湿环境的制丝车间来说，烟叶中水分的来源还包括烟叶从空气中吸收到的水分，且空气的相对湿度小，烟叶的含水量小，空气的相对湿度大，烟叶的含水量大。张云飞等在环境温湿度对制丝水分控制的影响一文中得到室外温湿度对制丝过程水分控制有显著影响，制丝过程水分控制须根据室外温湿度的变化进行调节^[1]。

目前，井冈山卷烟厂制丝车间主区域为非恒温恒湿环境，生产中水分控制受外界环境影响较大，同时加水依靠工艺员的经验来调整加水参数，很难准确把握室外温湿度变化对烟叶水分的影响，如此做法无法保证烘丝指标稳定性。一旦指标异常将进行感官评价，严重时降级掺兑使用。本文基于井冈山卷烟厂利群品牌制丝过程数据，运用matlab软件，仿真得到

出、入口水分及加水量间的关系函数^[2-3]，精准控制二次加料加水量以得到适宜的二次加料出口水分，使得烘前水分控制在相应范围内。

相关性分析

烘丝入口水分与筒壁温度关系

由德国hauni公司提供的KLD筒壁温度计算公式^[4]：

T_C=T_SP+（F_W-F_SP）*D_F*D_C+MICICV*D_C*D_F （1）

F_W=F_B*[（M_W-M_SP）/（1-M_SP）+ THT_W] （2）

式中：T_C——筒壁实际温度值；T_SP——筒壁工作温度设定值；F_W——实际除水量；F_SP——设定除水量；D_F——干燥因子；D_C——干燥容量；MICICV——最终烟丝水分PID调节量；F_B——烘丝入口物料流量；M_W——烘丝入口水分；M_SP——烘丝出口水分设定值；THT_W——sirox增温增湿水分。（烘丝入口水分简称烘前水分）。其中，T_SP为该批次生产中恒定值， F_SP、D_F、D_C均为设备参数，MICICV为该批次生产中恒定值，F_B为皮带秤测得恒定值，M_SP为该批次生产中恒定值_，THT_W为固化参数。

结论：筒壁温度变化由烘丝入口水分决定。

1.2烘前入口水分与二次加料加水量关系

烟叶经由松散回潮定比例加水、二次加料加水，进贮叶柜后直接切丝、烘丝，如图1所示。中间过程简单。贮叶房温湿度可控、可调，过程中的散失值在一定的环境条件下可以预测。可通过控制二次加料的出口水分来控制烘前水分，而二次加料出口水分可通过调整二次加料的加水量来控制。

图1制丝车间加水工艺流程图

1.3烘前水分均值基准值

统计了井冈山卷烟厂2018年度利群（新版）558个正常生产批的烘前水分。发现当烘前水分控制在18.5%±0.25%范围内时，筒壁温度以及风选出口水分、加香出口水分都能得到有效控制。

结论：将18.5%±0.25%作为烘前水分的基准值。

2贮柜温湿度影响分析

2.1贮柜温湿度控制稳定性

根据卷烟工艺规范和《井冈山卷烟厂工艺控制程序》，当前预混贮叶房、贮叶房温度控制标准为30℃±3℃，湿度标准为70%±4%。

随机跟踪了6月1日-3日的预混贮叶房、贮叶房温湿度控制情况，制作成折线图2。

图2 6月1日-6月3日预混贮叶房、贮叶房温湿度折线图

从图3可以看到，贮柜温湿度控制较为稳定。

2.2贮柜温湿度控制适宜性

接下去，以1806LQXB007这一批次为试验对象，测试贮柜温湿度的适宜性。以2h、8h、14h、20h为试验时间，以五点取样法，每个样取两个平行样，测试随着贮叶时间的变化烟叶水分的变化，测试结果如下：

表1 不同预混及贮叶时间下烟叶水分（单位：h）

用单因子方差分析（此处省略正态性、独立性及等方差检验）得到如下结果，P

₁值=0.735>0.05（预混）及P₂值=0.194>0.05（贮叶）不能拒绝原假设，即在不同贮叶时间下烟叶水分没有明显差异。

3仿真及结果分析

3.1温湿度分组

由于井冈山卷烟厂制丝主区域没有温湿度控制，受外环境的影响较大。小组在做模型拟合前，需将环境温湿度考虑进去。小组成员从MES里导出了2018年度制丝车间的温湿度，计算每月的平均温湿度如下表所示：

表2 2018年度制丝车间温湿度月度均值

可以看到，制丝车间主区域的环境温湿度呈现高温高湿（温度（25-30℃），湿度（60-70%））、低温低湿（温度（20-25℃），湿度（50-60%））的两种状态。因此，将7-9月份三个月的数据作为高温高湿组，将10-12月份的数据作为低温低湿组。

3.2 结果分析

小组成员从制丝生产控制系统中导出2018年7到12月一次加料出口水分、二次加料入口水分、二次加料出口水分、二次加料加水量、及烘前水分等数据。并作为输入量输入到MATLAB中拟合得到如下几组关系图。

图4 高温高湿组（一次加料出口与二次加料入口关系拟合图） 低温低湿组（一次加料出口与二次加料入口关系拟合图）

图5 高温高湿组（二次加料出入口水分差值与加水量关系拟合图） 低温低湿组（二次加料出入口水分差值与加水量关系拟合图）

图6 高温高湿组（二次加料出口水分与烘前水分关系拟合图） 低温低湿组（二次加料出口水分与烘前水分关系拟合图）

分别用2019年1、2月份的生产数据与拟合所得值进行模型验证。

表3 1、2月份生产批次数据值与低温低湿组拟合所得值

用2019年6月份的生产数据与拟合所得值进行模型验证。

表4 6月份生产批次数据与高温高湿组拟合所得值

表5 238批生产批次四项烘丝指标达标率统计表

在高温高湿组、低温低湿组条件下，将一次加料出口水分实际值及烘前水分目标控制值分别代入拟合函数，得到二次加料加水量预测值范围在[48.21 52.26]、[42.46 44.89]，同时比较得到烘前水分误差值在（0.01～0.13%），二次加料加水量误差值在（0.24～0.59Kg）。

4 结论

本文基于利群品牌制丝过程数据，运用matlab软件，仿真得到出、入口水分及加水量间的关系函数，代入一次加料出口水分及烘前水分目标控制值，得到二次加料加水量预测值范围在[48.21 52.26]、[42.46 44.89]，同时比较得到烘前水分值误差在（0.01～0.13%），二次加料加水量值误差在（0.24～0.59Kg）。烘丝四项指标达标率为100%。该函数为找到制丝车间非恒温恒湿环境下烟叶加水新方法及研究如何保证烘丝指标稳定性提供理论指导，通过控制二次加料加水量来控制二次加料出口水分，使得烘前水分控制在相应范围内。

参考文献

[1] 张云飞.袁鹏.董云.袁存波.晏鸿雁.陈洁等.环境温湿度对制丝水分控制的影响—基于红河卷烟厂制丝过程数据【J】.统计学与应用.2015.04（02）:34-46.

[2] 凌必勇. MATLAB在卷烟产品质量控制中的应用【J】.中国烟草学会工业专业委员会2011年烟草工艺学术研讨会论文集.

[3] 朱玉强.基于MATLAB的室内恒温控制系统仿真【J】.科技风.2015:136.

[4] 阴彦磊.何邦华.唐军.周冰等.基于云推理的叶丝干燥筒壁温度预测方法【J】.烟草科技.2017.50（3）:80-87.