提高梗丝气流干燥出口水分稳定性的研究

0引言

梗丝气流干燥是制梗丝工艺中对梗丝水分进行控制的关键工序^[1—2],其工艺任务是去除梗丝中的部分水分,提高梗丝的弹性、填充能力和燃烧性^[3]。在实际生产中,梗丝气流干燥的出口水分容易出现波动,导致干燥后的梗丝水分合格率降低,这种情况还将影响后续工序的物料水分稳定性,最终导致成品梗丝的质量降低^[4—5]。为此,行业内对梗丝气流干燥出口水分的稳定性开展了广泛研究。如王享誉等^[6]设计了一套喂料流量稳定控制系统,提升电子皮带秤频率的稳定性,以期提高烘梗丝喂料流量的稳定性;金晓亮等^[7]在进料口设计一套抛料装置,利用波纹型板材达到均料效果,使梗丝无法形成结块,提高水分的稳定性;余佑辉等^[8]研制出一种烘梗丝机风门自动调节装置,对设备性能进行改进与创新,达到稳定梗丝水分和提升产品质量的目的;靳松等^[9]设计了倒锥管式梗丝干燥系统,以期缩短干燥路径,降低干燥风速,提高梗丝物料的水分均匀性;袁书豪^[10]针对梗丝干燥出口含水率波动较大的问题,提出对烘干一区、二区热风采用级联型P,D控制的模式,以提高过程控制能力;任志军^[11]和他的团队针对烘梗丝过程中存在的不确定性、非线性和大滞后等问题,提出了一种融合模糊控制与P,D控制的综合控制策略。在这些研究中,相关人员对设备或控制策略的单一方面进行了升级或针对性优化,而缺乏整体的研究改进,因此梗丝气流干燥出口水分的波动情况有所改善,但效果并不显著。鉴于此,本研究在梳理梗丝气流干燥工艺流程的基础上,从设备改善和控制模式优化两个方面对梗丝干燥过程中的关键点进行系统改进,以期达到提高梗丝气流干燥出口水分稳定性的目的,进而提升工艺控制水平,提高卷烟产品质量。

1问题分析

1.1 梗丝气流干燥原理

目前,梗丝气流干燥通常采用SH23A型梗丝低速气流干燥机,其结构主要由闪蒸膨化装置、进料气锁、进料管道、检修平台、干燥管、气料分离装置、旋风除尘器、回风管道、循环风机、排潮及冷热风分配管道、热风炉、冷热风混合箱、蒸汽加热器、电控柜以及水、气、汽管路系统等组成^[12],如图1所示。

梗丝经加料回潮机回潮后进入喂料柜,然后通过提升机进入限量管,由限量管上的光电管配合电子皮带秤实现对物料流量的控制,流量稳定的梗丝由进料振槽均匀地送入进料气锁,经气锁落下的梗丝由饱和蒸汽吹入文氏管,梗丝与蒸汽进行充分迅速的热交换,得以迅速膨化。膨化后的梗丝通过汽料分离器进入干燥进料气锁,当梗丝达到干燥管后,受到从底部向上吹送的热风的力,便能飘浮起来并向上移动。在干燥过程中,主要通过混合风对梗丝进行干燥,其过程如下:循环风机出口处对接排潮及冷热行加热 ,另一部分通过旁风管直接进入混合箱;在混 合箱里 ,经过热风炉加热的风和直接通过旁风管进 来的风进行充分混合后进入进料管道 , 同时 ,湿物料 经过闪蒸膨化装置通过干燥进料气锁落入进料管 道 ,在热风的带动下进入干燥管;干燥后 ,物料和热 风一起进入气料分离装置 ,物料通过出料气锁排出 , 热风进入旋风除尘器; 除尘后的热风通过回风管回 到循环风机 ,构成一个循环系统。
1.2    存在问题
通过上述分析可知 ,来料流量的稳定性情况、回 风负压的控制情况和混合风温度的调节情况都会影响梗丝气流干燥出口水分的稳定性。

梗丝气流干燥前物料的流量采用电子皮带秤进行控制,现有的控制程序是当喂料机提升带将物料输送至限量管,限量管低位光电检测开关检测到物料后,主电柜电控程序发送启动信号给电子皮带秤,电子皮带秤直接启动,因限量管上的物料还未到达皮带秤的称重区域,电子皮带秤会自动提高皮带速度,皮带电机以最快速度50 Hz运行,物料到达称重区域后,再根据设定流量PID自动调整皮带速度,皮带电机速度再慢慢下降,这样在料头阶段容易出现流量冲高,超过工艺要求的情况。

目前,梗丝气流干燥机上的排潮风机为定频控制,当排潮管道负压不足时,容易造成回风负压波动,影响回风控制,进而影响梗丝气流干燥出口水分的控制。

梗丝气流干燥中,物料在设备内停留的时间很短,当出口水分波动时,需快速进行混合风温度的调整。目前,混合风温度的调节反应偏慢,不能快速跟踪出口水分变化趋势。

2 改进方法

2.1 电子皮带秤流量稳定性优化

开发电子皮带秤预填充功能,如图2所示,当限量管低位检测到物料后,系统向电子皮带秤发送预填充指令,电子皮带秤皮带以30 Hz运行,当物料到达称重区域时,预填充结束,电子皮带秤停止运行,发送预填充完成信号给梗丝气流干燥设备,梗丝气流干燥设备接收到电子秤已预填充好的信号后,根据设备工作状态,发送生产启动指令给电子皮带秤,电子皮带秤再根据工艺设定流量,PID自动调整皮带速度,解决了料头物料流量冲高的问题。

2.2 回风负压控制优化

梗丝气流干燥机的回风负压稳定控制的优化主要是通过将原软启控制的排潮风机改进为变频控制,以预设的回风负压设定值为控制目的,使用PID 调节的方式对排潮风机的频率进行精准控制,达到回风负压稳定受控的效果。梗丝低速气流干燥机的排潮风机控制方式由原来的软启控制改为变频控制,如图3所示。

增加排潮风机的变频器后,对回风负压进行PID 调节控制,将设定的回风负压值和回风负压传感器采集的实际负压值进行比较,调节排潮风机的运行频率,从而调节回风管道内的负压,使回风负压保持稳定。具体控制程序流程图如图4所示。

2.2.1新增变频器相关控制程序

新增变频器标准块控制程序,如图5所示,实现对丹佛斯变频器的频率设定、控制字的输入,同时能获得变频器反馈状态字和速度字,并对变频器实现手动/自动状态下的启动、停止功能,频率设定和状态监测功能等。

2.2.2增加回风负压PID控制程序

通过调用PID控制标准块,将控制画面上的PID 相关参数设定值传入至PID标准块内,对PID模块的P、I、D值和上下限、死区值进行设定,模块通过比对回风负压实际值和设定值,经过程序分析和计算,从而获得建议的排潮风机频率输出值,最后再根据干燥机的工作状态来决定排潮风机的实际频率。

2.2.3增加风机频率设定程序

在梗丝气流干燥机不同的工作状态下,需要对排潮风机进行不同的频率设定。在手动状态下,将风机的频率设定值定为手动频率设定值。在自动状态下,当干燥机处于非生产状态时(如待机、预热、预热完成、冷却和闪蒸清洗时),频率设定值定为手动频率设定值;当干燥机处于生产状态时,将频率设定为 PID标准块的建议频率输出值。

2.3 混合风温度控制优化

调整炉温控制参数,增加分阶段控制功能,如图6所示,将炉温控制分成两个阶段,即当实际炉温与设定炉温差值超过5℃时,采用快速控制参数,当差值在5℃以内时,采用平稳控制参数,使生产过程中炉温调节更平稳,有利于热风温度控制,从而使出口水分PID控制回路更好地调节混合风门开度。

3 应用效果

3.1 实验设计

材料:梅州卷烟厂在产A膨胀梗丝和B膨胀梗丝。

设备:SH23A型梗丝低速气流干燥机。

方法:分别统计优化前后梗丝气流干燥出口水分标准偏差值。

3.2 数据分析

如表1所示,优化后,A膨胀梗丝和B膨胀梗丝的出口水分标准偏差平均值为0.233 4%和0.220 7%,相较于优化前的0.3235%和0.3385%,分别降低了0.09个百分点和0.118个百分点,降幅分别为27.9%和34.8%。说明采用上述措施优化后,梗丝气流干燥出口水分的准确性和稳定性有显著提升。

4总结与展望

针对梗丝气流干燥过程中出口水分波动大、合格率低的问题,本研究从设备改进与控制策略优化两方面进行了系统性优化。通过开发电子皮带秤预填充功能、改进排潮风机变频控制及优化混合风温分阶段调节策略,达到提升梗丝气流干燥出口水分稳定性的目的。优化后,A膨胀梗丝和B膨胀梗丝的出口水分标准偏差分别由0.3235%和0.3385%降至0.233 4%和0.220 7%,梗丝干燥工艺的稳定性和产品质量显著提高,为保障后续工序的物料水分一致性奠定了基础。

本研究通过多维度优化策略的系统整合,突破了传统单点优化的局限性,为行业同类设备的工艺改进提供了可借鉴的解决方案。未来可进一步探索智能控制算法与设备结构的深度融合,以持续提升梗丝气流干燥的自动化与智能化水平。

[参考文献]

[1]杨艳阳,苏国寿,任淑本.梗丝气流干燥出口含水率控制模式的优化设计[J].烟草科技,2016,49(6):100-104.

[2]周翠江,徐堂富,陈洪标,等.提升烘梗丝工序出口水分稳定性研究[J].轻工科技,2024,40(3):39-43.

[3] 国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京:中国轻工业出版社,2016.

[4]姚光明,李春光,刘强,等.低速气流干燥工艺参数对梗丝加工质量的影响[J].烟草科技,2013(9):10-13.

[5]刘颖,刘穗君,冯凯迪,等.基于趋势预测和分区反馈的梗丝气流干燥出口含水率精准控制策略[J].轻工学报,2022,37(2):65-70.

[6]王享誉,朱桦,邓炜晗,等.基于智能模型的梗丝干燥喂料流量稳定控制系统[J].现代制造技术与装备,2023,59(2):166-169.

[7]金晓亮,俞佳俊,陆磊.烘梗丝机进口抛料装置的研究[C]// 上海市烟草学会2019年度优秀论文集 ,2019:585-593.

[8]余佑辉,王杰,张瑞琪,等.提升烘梗丝机水分均匀性研究[J].今日制造与升级,2022(3):98-100.

[9]靳松,张焕家,郑洪兴,等.倒锥管式梗丝干燥系统的设计应用[J].轻工科技,2019,35(4):53-54.

[10]袁书豪.级联型PID控制在梗丝干燥控制系统的应用[J].设备管理与维修,2017(4):60-61.

[11]任志军,李爱莲.模糊控制在烟草梗丝干燥控制中的应用[J].机电产品开发与创新,2017,30(6):83-85.

[12]林启红.卷烟制丝设备[M].郑州:河南科学技术出版社,2014.

《机电信息》2025年第13期第8篇