基于數(shù)據(jù)分析的KLD烘絲機(jī)質(zhì)量改進(jìn)研究

牛序策 鄒先軍

摘? ?要：烘絲工序是煙草制絲工藝中的重要工序，其設(shè)備控制參數(shù)的設(shè)定將直接影響該工序加工質(zhì)量的穩(wěn)定性和過程質(zhì)量。文章通過應(yīng)用Matlab軟件中的“曲線擬合工具箱”代替?zhèn)鹘y(tǒng)烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)定方法，對(duì)烘絲機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高最終產(chǎn)品的感官質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析;質(zhì)量改進(jìn);Matlab

隨著卷煙工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，卷煙加工過程的精細(xì)化控制已經(jīng)成為制絲線的發(fā)展方向。滾筒烘絲機(jī)是卷煙制絲生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要工藝任務(wù)是將切絲后葉絲烘干到符合工藝要求的含水率[1]，其設(shè)備控制參數(shù)的設(shè)定直接影響該工序加工質(zhì)量的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的感官質(zhì)量。

1? ? 存在問題

切好的煙絲經(jīng)隧道式回潮機(jī)（HT）進(jìn)行增溫增濕后，進(jìn)入具有導(dǎo)熱弧形薄板式滾筒烘絲機(jī)進(jìn)行干燥。飽和蒸汽經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入導(dǎo)熱薄板，并把熱能傳導(dǎo)給煙絲使其充分受熱，同時(shí)熱風(fēng)也與煙絲順流方向由烘絲機(jī)前室吹入，葉絲通過與滾筒內(nèi)的熱風(fēng)、導(dǎo)熱薄板的有效接觸而被干燥，蒸發(fā)的濕熱空氣和粉塵由除塵系統(tǒng)經(jīng)排潮管道排出，達(dá)到葉絲干燥的目的。烘絲機(jī)水分控制原理如圖1所示。

烘絲機(jī)控制系統(tǒng)以進(jìn)料流量、進(jìn)料水分、干燥因子和出口煙絲水分設(shè)定值等一系列參數(shù)作為薄板溫度前饋值，建立前饋數(shù)學(xué)模型，以出口煙絲水分的實(shí)際水分和設(shè)定值之差作為后饋值，建立實(shí)際水分反饋，兩者對(duì)烘絲薄板溫度進(jìn)行PID控制，使得出口煙絲的實(shí)際水分與設(shè)定值相一致。下列公式為烘絲機(jī)薄板溫度控制模型：

式（1）為烘絲機(jī)薄板溫度控制方式，式中y為薄板溫度，z為烘絲過程理論脫水量，a為薄板溫度設(shè)定平臺(tái)，b為設(shè)定干燥系數(shù)，c為設(shè)定脫水量。

式（2）為烘絲過程理論脫水量計(jì)算公式，式中F為烘前葉絲流量;x1為來料水分;x2為烘絲機(jī)入口水分，即葉絲經(jīng)HT增溫增濕后的含水率;x3為設(shè)定烘絲出口水分。

從控制的角度來看，烘絲過程存在以下特點(diǎn)及問題：（1）薄板溫度與來料水分具有較強(qiáng)的非線性關(guān)系[2]。（2）影響產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)—烘絲出口水分的因素較多：包括進(jìn)料水分、進(jìn)料流量、干燥因子、出口煙絲水分等多個(gè)因素，烘絲機(jī)控制系統(tǒng)通過不斷調(diào)節(jié)薄板溫度以適應(yīng)不同因素的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口煙絲含水率的控制。（3）由于影響因素特性變化、非線性和滯后等因素，薄板溫度、干燥系數(shù)及脫水量等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定對(duì)前饋數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性影響非常大，如果設(shè)置不當(dāng)，必然導(dǎo)致烘絲機(jī)通過實(shí)際水分反饋后的薄板溫度對(duì)烘絲過程進(jìn)行調(diào)整，有時(shí)需人工進(jìn)行干預(yù)調(diào)整，造成烘絲機(jī)調(diào)整過程較長，使煙絲出口水分控制精度不高，波動(dòng)幅度大。

2? ? 問題分析

烘絲機(jī)投入生產(chǎn)前，通常采用以下方法確定薄板溫度設(shè)定平臺(tái)a、干燥系數(shù)b和設(shè)定脫水量c。

在人機(jī)交互界面（Human Machine Interface，HMI）將烘絲機(jī)配方切換到“內(nèi)部”狀態(tài);在配方中設(shè)置烘絲機(jī)出口水分設(shè)定值s;根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在配方中設(shè)置HT增加水分和烘絲機(jī)薄板工作溫度（估算值）;將烘絲機(jī)干燥因子設(shè)置為0;啟動(dòng)烘絲過程，葉絲經(jīng)HT增溫增濕后進(jìn)入烘絲機(jī)，烘絲機(jī)根據(jù)設(shè)置的薄板工作溫度進(jìn)行工作，通過設(shè)置不同的薄板工作溫度，直至使烘絲機(jī)出口水分的實(shí)際值與設(shè)定值（s）相等，并記錄水分達(dá)到設(shè)定值時(shí)的薄板工作溫度a;在HMI界面“平均值（Averagepage）”處讀出烘絲機(jī)實(shí)際出口水分達(dá)到設(shè)定值時(shí)的脫水量c，并記錄。

再次設(shè)置烘絲機(jī)出口水分設(shè)定值s'，s'=s+0.5%（或s'=s-0.5%）;設(shè)置烘絲機(jī)薄板工作溫度為a;其他參數(shù)保持不變，重新啟動(dòng)烘絲過程，再次通過設(shè)置不同的薄板工作溫度，直至使烘絲機(jī)出口水分的實(shí)際值與設(shè)定值（s'）相等，記錄此次水分達(dá)到設(shè)定值時(shí)的薄板工作溫度a'，并記錄此時(shí)烘絲機(jī)脫水量c'。

通過兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算烘絲機(jī)干燥系數(shù)，公式如下：

將試驗(yàn)得出的薄板工作溫度120? ℃、干燥系數(shù)0.275 k/（L·h-1）、設(shè)定脫水量305 L/h為此牌號(hào)的烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)定值。生產(chǎn)該牌號(hào)時(shí)，烘絲機(jī)將按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

采用傳統(tǒng)試驗(yàn)方式，雖可試驗(yàn)較少批次，就可得出烘絲機(jī)工作參數(shù)，但在實(shí)際操作過程中，烘絲過程因受進(jìn)料流量、進(jìn)料水分、熱風(fēng)速度、排潮風(fēng)量以及環(huán)境溫濕度等多重因素影響，要使出口水分實(shí)際值達(dá)到并保持其設(shè)定值，幾乎是不可能的，因此應(yīng)用傳統(tǒng)方式得出的烘絲機(jī)工作參數(shù)存在一定的不合理性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若使出口水分滿足工藝要求，烘絲機(jī)必須通過實(shí)際水分反饋后的筒壁溫度對(duì)烘絲過程進(jìn)行調(diào)整，這將導(dǎo)致烘絲機(jī)調(diào)整過程較長，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3? ? 改進(jìn)方法

采用傳統(tǒng)方式得出的烘絲機(jī)工作參數(shù)存在一定的缺陷，可通過對(duì)烘絲機(jī)已生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行擬合，尋找烘絲機(jī)最佳設(shè)定參數(shù)。

3.1? 數(shù)據(jù)收集

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，按批次分別采集烘絲機(jī)的來料入口水分、烘絲機(jī)入口水分、出口水分、脫水量和筒壁溫度等運(yùn)行參數(shù);剔除啟動(dòng)階段、排空階段的數(shù)據(jù)，只保留正常生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)，并分別統(tǒng)計(jì)各運(yùn)行參數(shù)的平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

3.2? 數(shù)據(jù)分析

Matlab是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。在此，應(yīng)用Matlab軟件中的“曲線擬合工具箱CurveFittingToolbox”對(duì)烘絲機(jī)薄板溫度控制進(jìn)行擬合，以求出烘絲機(jī)工作參數(shù)。

在主窗體中輸入以下代碼：

Temp=[127.35126.08125.83127.79124.63129.6125.77122.54124.02127.71125.23130.09130.69129.78129.83125.59123.18122.92128.49];%%烘絲機(jī)薄板溫度

Remwat= [323.28319.55317.84323.67312.31335.09318.7307.41312.89324.79316.4328.35333.83333.98330.75317.55306.63309.48327.46];%%脫水量

cftool%%調(diào)用曲線擬合工具箱

在CurveFittingTool中創(chuàng)建以Remwat為XData、Temp為YData的dataset，烘絲機(jī)筒壁溫度控制分別下式表示，并創(chuàng)建CustomEquations，進(jìn)行擬合：

y=a+b×（z-c）

擬合結(jié)果為：

Generalmodel：

f（x）=a+b*（x-c）

Coefficients（with95%confidencebounds）：

a=127.6（-2.808e+07，2.808e+07）

b=0.2828（0.2509，0.3147）

c=324.2（-9.932e+07，9.932e+07）

Goodnessoffit：

SSE：4.762

R-square：0.9609

AdjustedR-square：0.956

RMSE：0.5456

由擬合結(jié)果可知，y=127.6+0.283 8×（x-324.2），即薄板溫度設(shè)定平臺(tái)為127.6 ℃，干燥系數(shù)為0.282 8 k/（L·h-1），設(shè)定脫水量為324.2 L/h。

可見，采用Matlab擬合的烘絲機(jī)工作參數(shù)與傳統(tǒng)試驗(yàn)方式所得有明顯不同。

4? ? 結(jié)語

4.1? 效果驗(yàn)證

將通過采用Matlab所得設(shè)備參數(shù)應(yīng)用于烘絲機(jī)生產(chǎn)，改進(jìn)前后烘絲機(jī)出口煙絲水分趨勢如圖2所示。

對(duì)改進(jìn)前后的過程能力進(jìn)行能力分析，分析結(jié)果如圖3所示，優(yōu)化后過程標(biāo)準(zhǔn)差已顯著降低（p<0.05）、過程均值已顯著更改（p<0.05）。參數(shù)優(yōu)化后，過程能力Ppk由0.57提高至2.85，過程能力有明顯提高。

5? ? 結(jié)語

應(yīng)用Matlab軟件對(duì)烘絲機(jī)薄板溫度控制進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可避免烘絲過程因受進(jìn)料流量、進(jìn)料水分、熱風(fēng)速度、排潮風(fēng)量以及環(huán)境溫濕度等因素的影響，替代試驗(yàn)方法以尋求烘絲機(jī)最佳工作參數(shù)設(shè)定，從而提高烘絲過程控制前饋數(shù)學(xué)模型的精確性，降低烘絲過程出口煙絲水分的波動(dòng)范圍，提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1]林平，陳良元，羅登山，等.葉絲在線膨脹工藝能力的關(guān)系研究[J].煙草科技，1998（6）：5-6.

[2]雷李，余偉，錢微.烘絲過程水分控制策略[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（9）：56-59.