SP32膨絲回潮機(jī)加濕工藝優(yōu)化及過(guò)程能力分析

李永進(jìn)，成清校，羅興黔

(1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠，貴州 貴定551300；2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074)

SP32煙絲膨脹工藝技術(shù)首次結(jié)合低壓浸漬技術(shù)和單管大功率微波技術(shù)，利用微波加熱技術(shù)的高效率、無(wú)污染、對(duì)煙絲中致香成分影響較小的特點(diǎn)，使煙絲中的膨脹介質(zhì)快速汽化溢出，實(shí)現(xiàn)了煙絲的有效膨脹，并且很好地保留了煙絲的致香成分，提升了膨脹煙絲的品質(zhì)和感官質(zhì)量，這為煙草行業(yè)膨脹煙絲的生產(chǎn)開(kāi)辟了新的途徑。

而對(duì)SP32膨脹煙絲而言，其含水率是一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)后續(xù)的煙草加工非常重要，也會(huì)影響到最終產(chǎn)品的抽吸體驗(yàn)。由于經(jīng)微波加熱后，膨脹煙絲的含水率只有6%左右，因此須通過(guò)回潮加濕以平衡水分、增加韌性，達(dá)到成品膨絲技術(shù)要求，并減少后續(xù)摻兌及卷接工藝中的造碎，提高煙絲的利用率。SP32煙絲膨脹工藝要求膨絲含水率達(dá)到(12.5±0.5)%。

現(xiàn)有SP32膨脹煙絲回潮機(jī)采用飽和蒸汽加純水經(jīng)混合噴嘴噴射方式對(duì)膨脹煙絲進(jìn)行水分調(diào)整，以回潮機(jī)出口煙絲水分作為控制依據(jù)，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)磁力泵的加水量，而蒸汽加注量則為手動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)際生產(chǎn)中膨絲水分波動(dòng)較大，影響了膨脹煙絲的質(zhì)量一致性。因此，須對(duì)回潮機(jī)的加濕工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高回潮精度和水分穩(wěn)定性，從而提高膨脹煙絲的質(zhì)量。

1 SP32膨絲回潮工藝分析

相比卷煙制絲生產(chǎn)中的煙絲回潮與打葉復(fù)烤中的煙葉回潮，SP32膨脹煙絲回潮與二者工藝狀況差距較大。分析主要不同點(diǎn)如下：

一是由于膨脹煙絲在卷煙配方中的摻兌比例一般不高于20%，因而其生產(chǎn)流量小，回潮過(guò)程的加水量小，不足制絲線片煙回潮機(jī)加水量的3%[1]。

二是因煙絲經(jīng)微波加熱膨脹后進(jìn)入回潮機(jī)的煙絲水分較干，需要較長(zhǎng)時(shí)間的回潮才能回潮均勻。由于水分采集設(shè)備只能安裝在回潮機(jī)的出口，而煙絲從進(jìn)入回潮機(jī)到出回潮機(jī)需要120秒左右，因此回潮過(guò)程中對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)純延時(shí)較大，對(duì)控制精度影響很大[2]。

三是在制絲生產(chǎn)線上的回潮機(jī)還有熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)其內(nèi)部的原料是一種軟化和攪動(dòng)，有利于水分的滲入致使回潮均勻，而SP32系統(tǒng)回潮機(jī)因基于減少攪動(dòng)以避免造碎的考慮，因而沒(méi)有熱風(fēng)系統(tǒng)。

綜上分析并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，SP32回潮機(jī)的加濕能力和水分控制穩(wěn)定性存在不足，需要對(duì)回潮機(jī)的加濕工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使回潮機(jī)的回潮能力和水分控制穩(wěn)定性得到提升，生產(chǎn)中可自動(dòng)適應(yīng)廠區(qū)內(nèi)蒸汽含水率變化及出料口煙絲水分變化，達(dá)到提高煙絲質(zhì)量，提升設(shè)備自動(dòng)化程度，提高設(shè)備廠區(qū)環(huán)境適應(yīng)能力，降低不合格膨絲數(shù)量的目的。

2 工藝技術(shù)改進(jìn)

回潮機(jī)總體技術(shù)改進(jìn)方案為：用自來(lái)水冷卻廠區(qū)蒸汽，制造高含水率不飽和蒸汽，系統(tǒng)控制器同時(shí)采集回潮前后水分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)來(lái)料水分趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，同時(shí)反饋出口水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥及冷水水流量調(diào)節(jié)閥控制回潮加水量，實(shí)現(xiàn)回潮水分的閉環(huán)控制，提高設(shè)備回潮能力和控制精度。水分控制過(guò)程如圖1所示。

圖1 改造后水分控制示意圖

改進(jìn)內(nèi)容具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

(1)將原有的純水加蒸汽經(jīng)混合噴嘴噴射方式改為加不飽和蒸汽的方式，以滿足較小加水狀況下的加水量控制。

(2)通過(guò)控制蒸汽換熱器的冷卻水流量實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽不飽和度的控制。

(3)飽和蒸汽加不飽和蒸汽的總出口由控制器對(duì)薩姆森調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制實(shí)現(xiàn)。

(4)控制系統(tǒng)的算法采用PID控制算法，現(xiàn)場(chǎng)整定參數(shù)。

2.1 回潮蒸汽管路改進(jìn)

回潮機(jī)工作蒸汽分兩路(如圖2所示)，一路為廠區(qū)飽和蒸汽，經(jīng)分汽缸后由截止閥手動(dòng)控制至蒸汽控制閥，為回潮機(jī)提供基礎(chǔ)蒸汽；另一路為不飽和蒸汽，廠區(qū)飽和蒸汽經(jīng)分汽缸后通過(guò)冷卻水套進(jìn)行換熱，降低蒸汽溫度，提高蒸汽的含水率，不飽和蒸汽流量由薩姆森調(diào)節(jié)閥控制，而后與飽和蒸汽匯合，由蒸汽控制閥控制流量，并最終通至回潮機(jī)內(nèi)蒸汽噴嘴，對(duì)煙絲進(jìn)行回潮工作。

圖2 回潮機(jī)管路系統(tǒng)

煙絲回潮加水量的控制主要是通過(guò)控制兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。一是上述不飽和蒸汽的流量，由薩姆森調(diào)節(jié)閥控制，直接采用出口煙絲水分通過(guò)PID反饋算法控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。另一個(gè)是控制不飽和蒸汽的含水率，不飽和蒸汽的含水率在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中是逐漸變化的，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備充分預(yù)熱、各管路全部達(dá)到穩(wěn)定溫度后，蒸汽含水率減少，造成薩姆森調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期運(yùn)行在100%開(kāi)度而煙絲的含水率仍然無(wú)法提高，另外在蒸汽壓力發(fā)生變化時(shí)，蒸汽的含水率也會(huì)發(fā)生變化。含水率的控制是通過(guò)控制冷卻水套中冷卻水流量實(shí)現(xiàn)的，由于蒸汽含水率無(wú)法直接測(cè)量，在運(yùn)行中主要體現(xiàn)在含水率降低，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度至上限。因此，可根據(jù)薩姆森調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度間接控制水套的冷卻水流量，這樣使得蒸汽調(diào)節(jié)閥運(yùn)行在合理的范圍內(nèi)，保證對(duì)煙絲水分具有充分的調(diào)整能力。

冷卻水套冷卻水流量通過(guò)電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥控制，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度可控，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度來(lái)改變夾套內(nèi)自來(lái)水的流量，從而影響夾套內(nèi)的換熱量，最終改變噴淋蒸汽的含水率，以達(dá)到調(diào)節(jié)煙絲水分的目的，回潮蒸汽管路改進(jìn)行實(shí)施如圖3所示。

圖3 回潮機(jī)管路施工

2.2 回潮控制系統(tǒng)優(yōu)化

控制系統(tǒng)采用西門子1200型PLC，與電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥及薩姆森調(diào)節(jié)閥，通過(guò)Profibus PA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信控制。電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽換熱器(水套)冷卻水流量控制蒸汽的不飽和度；薩姆森調(diào)節(jié)閥則控制進(jìn)入回潮筒的總和蒸汽量。作為反饋數(shù)據(jù)的水分儀采用NDC710型紅外水分儀，該儀器針對(duì)煙草行業(yè)有專用的調(diào)試軟件和參數(shù)設(shè)定，是煙草行業(yè)應(yīng)用較廣泛，實(shí)踐證明精度較高、滿足煙草行業(yè)需要的一種水分儀[3]。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)充分考慮回潮機(jī)這個(gè)被控對(duì)象大滯后的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PID控制算法和大林控制算法。另外，充分利用回潮機(jī)前端水分儀數(shù)據(jù)，考慮了帶有前饋的控制算法，在算法方面充分提高回潮機(jī)的控制精度。優(yōu)化數(shù)據(jù)反饋機(jī)制，依靠回潮前入口水分、回潮后出口煙絲水分及廠區(qū)蒸汽壓力變化等多個(gè)數(shù)據(jù)作為回潮機(jī)閥門自動(dòng)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)反饋，提高出口煙絲水分穩(wěn)定性，減少波動(dòng)。通過(guò)制定電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥與薩姆森調(diào)節(jié)閥聯(lián)動(dòng)之間的關(guān)系，通過(guò)平衡兩個(gè)閥門開(kāi)度的關(guān)系，保持出口煙絲水分在設(shè)定值內(nèi)小幅度波動(dòng)。

在控制煙絲的回潮時(shí)間上，通過(guò)控制回潮機(jī)筒體轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。保證膨脹煙絲在濕熱環(huán)境中的停留時(shí)間，有利于控制煙絲的含水率和水分的充分均勻滲透，使得煙絲在后續(xù)的儲(chǔ)絲水分平衡工藝過(guò)程中不至于過(guò)度損失水分，保證膨脹煙絲含水率的真實(shí)性和有效性，回潮控制畫(huà)面如圖4所示。

圖4 回潮機(jī)控制畫(huà)面

3 回潮機(jī)過(guò)程能力分析

3.1 過(guò)程能力指數(shù)

過(guò)程能力指數(shù)是指過(guò)程能力滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的程度，一般記為CPK。也稱工序能力指數(shù)，是指工序在一定時(shí)間里，處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實(shí)際加工能力。它是工序固有的能力。過(guò)程能力指數(shù)的值越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的公差范圍越小，因而過(guò)程能力就越高；反之，則過(guò)程能力就越低。因此，可以從過(guò)程能力指數(shù)的數(shù)值大小來(lái)判斷能力的高低。但過(guò)程能力指數(shù)值并非越大越好，需從經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量?jī)煞矫娴囊缶C合判斷，因此，過(guò)程能力指數(shù)應(yīng)該在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)取值[4]。

為檢驗(yàn)SP32回潮機(jī)工藝改進(jìn)后的工序能力，開(kāi)展了正式煙絲的生產(chǎn)調(diào)試工作，并對(duì)膨絲回潮水分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便分析其過(guò)程能力是否達(dá)到要求。CPK的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一般如表1。

表1 CPK值評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 過(guò)程能力分析

SP32回潮機(jī)的工序過(guò)程能力分析，采用一個(gè)批次煙絲進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試。一個(gè)批次生產(chǎn)膨脹煙絲量為300kg，工藝時(shí)間約50分鐘。由于檢驗(yàn)回潮機(jī)的過(guò)程能力為調(diào)試過(guò)程，而非正常的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，因此需去除回潮機(jī)工作開(kāi)始和結(jié)束前的料頭料尾過(guò)程，取中間穩(wěn)定段膨脹煙絲水分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)計(jì)算回潮工序的過(guò)程能力值。中間段工藝時(shí)間為45分鐘，膨脹煙絲回潮后水分?jǐn)?shù)據(jù)采集為30秒/次，獲取數(shù)據(jù)量為90個(gè)，如表2所示。

SP32膨脹煙絲水分指標(biāo)要求為：含水率12.5%，允差±0.5%，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.17%。

依據(jù)表2及圖5，計(jì)算回潮工序的過(guò)程能力指數(shù)如下：

表2 膨脹煙絲水分取樣值

圖5 調(diào)試生產(chǎn)過(guò)程及膨絲水分曲線

樣本平均值：

標(biāo)準(zhǔn)偏差：

允差范圍：

CPU值：

CPL值：

CPK值：

從計(jì)算結(jié)果看，經(jīng)工藝優(yōu)化后的回潮機(jī)回潮工序過(guò)程能力指數(shù)CPK值為1.457，對(duì)照表1，該工序處于A級(jí)水平，膨脹煙絲的含水率、含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差值均符合技術(shù)指標(biāo)要求，說(shuō)明回潮過(guò)程能力充分，應(yīng)當(dāng)保持。因此，此次蒸汽加濕工藝改進(jìn)是成功的。

4 結(jié)論

本文根據(jù)在實(shí)踐中遇到的技術(shù)問(wèn)題，針對(duì)SP32膨絲回潮機(jī)的工作特點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)蒸汽加水方式和系統(tǒng)控制算法，提高了水分的控制精度，通過(guò)調(diào)試生產(chǎn)并采集數(shù)據(jù)分析，回潮機(jī)工序過(guò)程能力指數(shù)達(dá)到1.457，能力充分，滿足了SP32膨脹煙絲回潮的使用需求。

通過(guò)研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)SP32煙絲膨脹系統(tǒng)回潮機(jī)工序過(guò)程所需加水量小，不宜采用純水加蒸汽混合噴射的方式加濕回潮膨脹煙絲。采用調(diào)整不飽和蒸汽含水率的加濕方式能夠滿足回潮需求。

(2)經(jīng)過(guò)加濕工藝優(yōu)化，SP32回潮機(jī)的自動(dòng)化水平顯著提高，可自動(dòng)適應(yīng)廠區(qū)蒸汽壓力的突然波動(dòng)或變化，回潮過(guò)程膨脹煙絲水分控制精確、穩(wěn)定，可有效降低水分不合格煙絲的產(chǎn)生量，提高膨脹煙絲的合格率，降低煙絲的消耗成本。

(3)本文所述的膨脹煙絲回潮加濕方法也適用于其他所需加水量小的類似場(chǎng)合，具有一定的參考意義。