全国烟草行业第二十一届优秀QC成果发布会交流材料来料含水率与加香加料精度关系的研究与应用陕西中烟工业有限责任公司汉中卷烟厂工艺QC小组发表人：左钰2010年7月一、小组概况表1 小组概况制表：左钰时间：2009年7月8日二、选择课题（一）问题的提出加香加料是卷烟生产的特殊工序，香料的施加精度直接影响卷烟内在吸味。
目前卷烟生产企业加香加料的方法是根据加香加料前电子秤物料流量按香料配方设定加香加料比例。
然而，按配方投料标准投入一定量的物料，由于在前期加工（烟叶回潮或烘丝）过程中，物料含水率的波动势必造成加香加料前物料累积量也在一定范围内变化。
采用传统的加香加料方法会造成批次加料量随含水率变化而累积。
以配方标准投料检验，加香加料比例会出现不符合配方要求、加香加料精度超出《卷烟工艺规范》规定。
我们监测了H牌号10批次物料梗丝加料和烟丝加香工序实际加香加料比例、加香加料精度和料液香精施加量等参数，统计分析见表2和图1。
表2 H牌号梗丝加料、烟丝加香比例和精度统计注1：来料含水率按每批次抽样检测10次，根据物料流量加权平均计算得出。
注2：梗丝加料比例按配方要求以梗丝34﹪含水率而设定，烟丝加香按12﹪含水率设定。
注3：折算含水率后梗丝质量按34﹪含水率计算得出，烟丝质量按12﹪含水率计算得出。
制表：左钰时间：2009年7月11日图1 加香加料关键参数变化图制图：左钰时间：2009年7月12日由表2和图1可以看出：1、每批次来料质量与含水率呈正相关，从而影响料液施加量。
2、按当前加香加料统计方法计算：加香加料精度均符合标准要求（工艺标准：加料精度≤1.0﹪，加香精度≤0.5﹪）。
但以每批次物料折算后质量检验，实际梗丝加料精度有60﹪不符合工艺标准，实际烟丝加香精度有80﹪不符合工艺标准。
3、综合以上分析，我们可以得出：来料含水率直接影响加香加料的精度。
而实际生产过程中，来料含水率并未参与加香加料的控制，由于来料含水率不断波动和变化，对来料质量产生影响，造成加香加料的精度超标，无法达到《卷烟工艺规范》“提高加工精度，达到质量与质量指标的高度统一”的要求。
（二）选定课题我厂“十一·五”技术改造正在实施，小组成员经过讨论，决定利用此次契机，将“来料含水率与加香加料精度关系的研究与应用”作为小组活动课题。
三、活动计划表3 活动计划制表：左钰时间：2009年7月19日四、 设定目标（一） 设定目标将来料含水率变化参与到加香加料控制系统中，消除来料含水率波动对加香加料量的影响。
我们的目标是：将实际加香加料精度控制在《卷烟工艺规范》规定范围内，即加料精度≤1.0﹪，加香精度≤0.5﹪。
（二） 目标可行性分析图2 目标可行性分析制图：左钰 时间：2009年7月29日五、 提出各种方案并确定最佳方案由前期监测结果分析可知，加香加料系统是根据来料质量计算并控制香料瞬时流量，行业内对来料质量（即湿物料质量）和干物料质量（即配方设计时依据的物料质量）按如下公式换算。
配方设定含水率湿物料含水率湿物料质量干物料质量-1-1⨯=……………（式1）小组成员运用头脑风暴法提出，从我厂制丝加香加料系统控制和计算原理入手，寻找上述公式转换方法，加入到加香加料系统中参与控制。
加香加料系统基本控制原理加香加料系统选用闭环控制，采用数字递推PID 控制算法进行控制。
1、 位置式PID 算法：直接按照模拟PID 给出的PID 控制规律定义进行计算，它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID 控制算法。
表达式如下：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+∑+=T T T T K k k d k j j i k p k e e e e u 10……………（式2）其中，k ——采样序号，k=0，1，2…… T ——采样周期K p ——控制器的比例系数T i ——控制器的积分时间，也称积分系数 T d ——控制器的微分时间，也称微分系数 u k ——第k 次采样时刻的计算机输出值 e k ——第k 次采样时刻输入的偏差值 e k-1——第k-1次采样时刻输入的偏差值2、 增量式PID 算法：数字控制器的输出只是控制量的增量Δu k 。
当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID 控制算法进行控制。
表达式如下：⎪⎭⎫ ⎝⎛----+-++-=-=T T T T K k k k d k i k k p k k k e e e e e e u u u 21112△ 21211--+++++=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛k d p k d p k d i p e e e T T K T T K T T T T K…………………………………………………………………（式3）3、 数字递推PID 控制算法：位置式PID 控制算法通过增量式控制算法推出递推计算公式。
表达式如下：kk kuu u ∆+=-1由控制原理可以看出，系统在进行数据采集时有采样周期，同时有偏差值和增量值的计算。
我们将选择方案的步骤整理如图4所示。
图3 方案设计制图：左钰 时间：2009年8月5日（一） 采样周期的选择和确定加香加料控制系统常用1s 、0.5s 、0.2s 三种采样周期，我们对梗丝加料和烟丝加香工序三种采样周期的加香加料精确度进行计算。
设梗丝加料工序物料质量为3000㎏/h 、加料比例为2.0﹪，烟丝加香工序物料质量为8000㎏/h 、加香比例为0.7﹪。
1、 1s梗丝加料：s g s hh kg 1/k 0167.011%0.2/3000=÷⨯=瞬时加料量…（式4） 烟丝加香：s g shh kg 1/k 0156.011%7.0/8000=÷⨯=瞬时加香量…（式5）2、 0.5s梗丝加料：s g s hh kg 5.0/k 0083.05.01%0.2/3000=÷⨯=瞬时加料量…（式6） 烟丝加香：s g shh kg 5.0/k 0078.05.01%7.0/8000=÷⨯=瞬时加香量…（式7） 3、 0.2s 梗丝加料：s g s hh kg 2.0/k 0033.02.01%0.2/3000=÷⨯=瞬时加料量……（式8）烟丝加香：s g shh kg 2.0/k 0031.02.01%7.0/8000=÷⨯=瞬时加香量……（式9）计算结果分析：1、 计算精确度：0.2s ＞0.5s ＞1s 。
2、 选择0.2s 采样周期，数据量和运算量大，对系统的要求高。
3、 选择1s 采样周期，数据量和运算量小，对加香加料PID 控制算法的累积误差就大。
4、 由于电子秤的采样周期为0.5s ，若来料含水率采样周期为0.5s ，将使来料含水率与电子秤数据和信息同步，便于PID控制准确计算。
5、式（6、7）计算结果与我厂加香加料系统采用质量流量计的计量精度接近。
因此，最终确定采样周期为0.5S。
（二）计算方法的选择和确定计算方法有直接累计计算和差值累计计算两种。
直接累计：变量新值=变量旧值+采集新值差值累计：变量新值=变量旧值+（采集新值-采集旧值）参与加香加料控制的元件有：电子秤、香料质量流量计、加香加料泵。
加香加料系统的控制方法主要通过以下两个环节实现：前馈：控制系统依据电子秤瞬时流量和香料设定比例算出香料设定瞬时流量，根据设定瞬时流量和香料流量计瞬时流量控制加香加料泵速度。
反馈：由电子秤累计流量和香料设定比例可以得出香料设定累计流量，设定累计流量和香料流量计累计流量的差值作为修正值，对控制系统进行修正。
可见，当采用差值累计计算时，每采集一个样本就会作为一次新的值来校正系统，而直接累计计算因为没有差值和修正，会随着样本数量的增多，出现因为累计值偏差而造成其后计算数据的误差。
因此，最终确定计算方法为差值计算。
（三）确定最佳方案综上所述，确定最佳方案如图5所示。
图4 最佳方案制图：左钰 时间：2009年8月25日结合行业内湿物料质量和干物料质量换算公式，确定加香加料系统加香加料计算公式如下：干物料累计差值干物料累计重量干物料累计重量+=配方设定含水率湿物料含水率湿物料累计差值干物料累计差值-1-1⨯=此公式在采样周期未0.5s根据以上的分析，小组成员确定来料含水率参与控制加香加料的最佳方案并展开，如图5所示。
来料含水率参与控制加料（香）硬件安装系统设计来料含水率信息上传至控制系统控制系统导入湿物料与干物料质量的换算公式安装水分仪图5 最佳方案展开图制图：王雅妮 时间：2009年8月28日六、 制定对策表4 对策表制表：左钰 时间：2009年9月13日七、按对策实施实施一：安装水分仪1、水分仪的选择近年来，国外先后推出了TM55、TM55plus、TM55Eplus、TM710等多种型号的TM系列红外水分仪。
TM710红外水分仪性能较先进、稳定，维护保养较容易，为大多数卷烟生产企业使用。
我厂近年来一直使用TM710红外水分仪，效果较好，能够满足生产需要，我们也已经积累了更多的关于该水分仪的维护保养经验，对确保过程控制稳定起到积极作用。
我厂联合工房新生产线全部使用TM710红外水分仪，若换用其他的水分仪，存在过程控制不稳定的风险。
综合以上分析，我们确定选择TM710红外水分仪采集来料含水率信息。
2、安装位点的确定➢首先，确定将水分仪安装在加香加料前电子秤上，以便给加香加料系统提供准确的来料含水率信息；➢水分仪操作说明书规定，水分仪应安装在无震动的环境中，因此，水分仪不得安装在靠近滚筒的位置；➢喂料机落料口附近粉尘较大，且物料流量波动较大，不均匀，影响水分仪采集数据的连续性和准确性。
因此，水分仪不得安装在靠近落料口的位置；➢物料流经电子秤中部及后半部分时，已趋于均匀，且有一定的料位高度，此时，水分仪可准确测量。
综合以上分析，我们最终确定在电子秤中间位置安装水分仪。
3、安装高度的确定水分仪操作说明书规定：探头据物料高度225±100㎜。
由于生产现场各工序空间距离不同，我们经过讨论，商定根据各工序的实际情况，按照操作说明书的规定高度进行安装。
4、在松散回潮、润叶加料、梗丝加料、梗丝加香、烟丝加香工序滚筒前电子秤上安装高精度TM710水分仪。
安装示意图、安装高度及安装完成后的效果如图6~图9所示。
图6 制丝车间加香加料工序红外水分仪安装示意图制图：朱艳辉时间：2009年9月15日图7 制丝车间加香加料工序红外水分仪安装高度制图：朱艳辉时间：2009年9月17日制图：谢勇时间：2009年9月17日制图：谢勇时间：2009年9月18日5、制定《水分仪标定方案》（图10）并按照方案对水分仪进行了校准，如图11所示。
图10 水分仪标定方案图11 TM710水分仪校准记录制图：左钰时间：2009年9月18日制图：左钰时间：2009年9月23日实施二：来料含水率信息上传至控制系统1、我们制丝车间技术人员对电子秤进行了校准，如图12所示。
