CN105996106B - 一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法及系统，本发明选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分实际值与目标值之差进行统计，确定出口水分差值的变化区域；将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间；采集当前的出口水分，对当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，并根据区间的变化调整混合风门开度。本发明根据出口水分实际值与目标值的偏离程度分区对混合风门开度进行调整，能够对气流干燥工序中的出口水分进行精确控制，使生产过程中的出口水分尽可能的保护在目标值左右波动，减小了其波动幅度，提高了烟丝出口水分的质量。

Description

一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法及系统，属于烟丝生产控制技术领域。

背景技术

在气流干燥工序，主要考核的质量指标是出口水分，根据采集到的车间真实历史数据，分析当前出口水分的质量现状。首先观察气流干燥出口水分的变化过程，从流量秤有料开始，分析其变化规律，如图1-a和图1-b所示，从中可以看出，其出口水分的波动幅度较大，振荡明显，大多数时间都不能保持稳定。

目前在气流干燥出口水分的控制上，主要是通过混合风门开度的调节控制混合温度进而控制出口水分，混合风门开度的调节根据出口水分PID反馈调节。气流干燥出口水分的其他影响因素还包括加湿蒸汽、松散蒸汽和排潮风门开度，其中加湿蒸汽通过PID自调节基本保持稳定，如图2所示。而松散蒸汽流量非常小，可以忽略它对出口水分的影响，排潮风门开度在实际生产中保持不变，因此主要分析混合风门开度对出口水分的控制效果即可。比对混合风门开度的变化与对应的出口水分的变化，如图3-a和图3-b所示，风门开度在根据出口水分进行调整时滞后现象比较明显，导致经常出现出口水分连续处于高位或连续走低的情况，具体分析如下：在第29点的时刻，发现出口水分高，开始减少风门开度，但出口水分仍然持续高位至第35点才开始下降，延迟较显著；在第54点的时刻，发现出口水分低，开始增大风门开度，但出口水分仍然持续低位至第65点才开始下降，延迟较显著；在第132点的时刻，发现出口水分高，开始减少风门开度，但出口水分仍然持续高位至第137点才开始下降，延迟较显著。

因此当前混合风门开度的变化主要依靠出口水分的PID反馈调节，滞后性较为明显，导致出口水分的波动较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法及系统，以解决目前气流干燥工序中出口水分采用PID反馈调节导致出口水分波动大，影响烟丝质量的问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分实际值与目标值之差进行统计，确定出口水分差值的变化区域；

2)将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间；

3)采集当前的出口水分，对当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，并根据区间的变化调整混合风门开度。

所述步骤3)中的区间判定是根据当前所采出口水分值、以及之前的M个数据来判断。

所述步骤2)是将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为A、B、-B、 C、-C、D和-D七个区间，出口水分实际值与目标值之差在±0.2区间的为A区，在0.2-0.35区间的为B区，在0.35-0.5区间的为C区，大于0.5的为D区，在-0.2 到-0.35区间的为-B区，在-0.35到-0.5区间的为-C区，小于-0.5的为-D区。

所述区间判定的规则如下：

若连续3点中有两个点落在A区，则判定此时处于A区；若连续3点中有两点落在B区及B区以上，则判定此时处于B区；若连续3点中有两点落在C区及 C区以上，则判定此时处于C区；若连续3点中有两个点落在D区，则判定此时处于D区；若连续3点中有两个点落在-B区及-B区以下，则判定此时处于-B区；若连续3点中有两个点落在-C区及-C区以下，则判定此时处于-C区；若连续3 点中有两个点落在-D区，则判定此时处于-D区。

在气流干燥的开始阶段，根据混合温度设置风门开度。

当混合温度达到设定范围内时，气流干燥进入正常阶段，正常阶段的风门开度初始值为70。

当判定出口水分所处区间发生变化时，减小或增大相应的风门开度。

本发明还提供了一种基于气流干燥的烟丝质量控制系统，该控制系统包括中控系统、数据采集单元和集成数据库，所述数据采集单元用于采集影响气流干燥质量的因素，所述集成数据库用于选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分的质量数据进行统计，并将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间，所述中控系统用于根据当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，并根据区间的变化调整混合风门开度。

所述集成数据库将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为A、B、 -B、C、-C、D和-D七个区间，出口水分实际值与目标值之差在±0.2区间的为 A区，在0.2-0.35区间的为B区，在0.35-0.5区间的为C区，大于0.5的为D区，在-0.2到-0.35区间的为-B区，在-0.35到-0.5区间的为-C区，小于-0.5的为-D区。

所述中控系统进行区间判定的规则如下：

若连续3点中有两个点落在A区，则判定此时处于A区；若连续3点中有两点落在B区及B区以上，则判定此时处于B区；若连续3点中有两点落在C 区及C区以上，则判定此时处于C区；若连续3点中有两个点落在D区，则判定此时处于D区；若连续3点中有两个点落在-B区及-B区以下，则判定此时处于-B区；若连续3点中有两个点落在-C区及-C区以下，则判定此时处于-C 区；若连续3点中有两个点落在-D区，则判定此时处于-D区。

本发明的有益效果是:本发明选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分实际值与目标值之差进行统计，确定出口水分差值的变化区域；将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间；采集当前的出口水分，对当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，并根据区间的变化调整混合风门开度。本发明根据出口水分实际值与目标值的偏离程度分区对混合风门开度进行调整，能够对气流干燥工序中的出口水分进行精确控制，使生产过程中的出口水分尽可能的保护在目标值左右波动，减小了其波动幅度，提高了烟丝出口水分的质量。

附图说明

图1-a是气流干燥工序中出口水分_1的时间序列图；

图1-b是气流干燥工序中出口水分_2的时间序列图；

图2是气流干燥工序中加湿蒸汽的时间序列图；

图3-a是气流干燥工序中出口水分_1的时间序列图；

图3-b是气流干燥工序中混合风门开度_1的时间序列图；

图4是本发明基于气流干燥的烟丝质量控制系统的结构框架示意图；

图5是本发明应用前气流干燥出口水分数据示意图；

图6是本发明应用后气流干燥出口水分数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明的一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法的实施例。

针对气流干燥工序，按照各工序生产工艺要求及国家烟草专卖局发布的《卷烟制造过程能力测评导则》中的该工序关键质量特性，确定了影响气流干燥工序关键质量特性的影响因素，见表1所示。

表1.

具体质量监控的对象见表2。

表2

以流量判断生产开始，若混合温度大于190，则风门开度设为30，直至混合温度降低到193，风门开度调整到70；若混合温度小于170，则风门开度设为100，发出警告。正常阶段:当混合温度达到170-190范围内，开始正常阶段的控制，正常阶段的控制采取分区控制的方式，风门开度初始值为70。本发明所采用的分区控制的方式是根据出口水分实际值与目标值的偏离程度分区对混合风门开度进行调整。具体过程如下：

1.对出口水分实际值与目标值之差进行统计，确定出口水分差值的变化区域，并将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间。

本实施例将气流干燥工序中的出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为A、B、-B、C、-C、D、-D七个区间，出口水分实际值与目标值之差在±0.2 区间的为A区，在0.2-0.35区间的为B区，在0.35-0.5区间的为C区，大于0.5 的为D区，在-0.2到-0.35区间的为-B区，在-0.35到-0.5区间的为-C区，小于-0.5 的为-D区。

2.采集当前出口水分值，判断当前出口水分值与目标值之差所处区间。

本实施例中的区间判定是每采一个数，都要进行一次区间判定，区间判定方法是，根据当前所采数，以及之前的两个数，共连续3点来判断：若连续3点中有两个点落在A区，则判定此时处于A区；若连续3点中有两个点落在B区及B 区以上，则判定此时处于B区；若连续3点中有两个点落在C区及C区以上，则判定此时处于C区；若连续3点中有两个点落在D区，则判定此时处于D区；若连续3点中有两个点落在-B区及-B区以下，则判定此时处于-B区；若连续3 点中有两个点落在-C区及-C区以下，则判定此时处于-C区；若连续3点中有两个点落在-D区，则判定此时处于-D区。

3.根据区间的变化调整混合风门开度。

(1)假设正常阶段的初始区间为A区(中间区)

若继续判定处于A区，在此区间内不作调整；若判定此时已从A区变化到了 B区，减小混合风门开度2；当判定此时已从A区变化到了-B区，增大混合风门开度2；若判定此时已从A区变化到了C区，减小混合风门开度5；当判定此时已从A区变化到了-C区，增大混合风门开度5；若判定此时已从A区变化到了 D区，减小混合风门开度10；当判定此时已从A区变化到了-D区，增大混合风门开度10。

(2)当判定前一时刻在B区

若判定此时已从B区变化到了A区，恢复风门开度初始值；若判定此时仍然保持在B区，混合风门开度不变；若判定此时已从B区变化到了C区，减小混合风门开度3；若判定此时已从B区变化到了D区，减小混合风门开度8；若判定从B区变化到了-B、-C、-D区，风门开度分别变化为初始值+2、+5、+10。

(3)当判定前一时刻在C区

若判定此时已从C区变化到了A区，恢复风门开度初始值；若判定此时已从 C区变化到了B区，增大风门开度3；若判定此时已从C区变化到了C区，混合风门开度不变；注若判定此时已从C区变化到了D区，减小混合风门开度5；若判定从C区变化到了-B、-C、-D区，风门开度分别变化为初始值+2、+5、+10。

(4)当判定前一时刻在D区

若判定此时已从D区变化到了A区，恢复风门开度初始值；若判定此时已从 D区变化到了B区，保持风门开度不变；若判定此时已从D区变化到了C区，保持风门开度不变；若判定此时已从D区变化到了D区，混合风门开度不变；若判定从D区变化到了-B、-C、-D区，风门开度分别变化为初始值+2、+5、+10。

(5)当判定前一时刻在-B区

若判定此时已从-B区变化到了A区，恢复风门开度初始值；若判定此时仍然保持在-B区，保持风门开度不变；若判定此时已从-B区变化到了-C区，增大混合风门开度3；若判定此时已从-B区变化到了-D区，增大混合风门开度8；若判定从-B区变化到了B、C、D区，风门开度分别变化为初始值-2、-5、-10。

(6)当判定前一时刻在-C区

若判定此时已从-C区变化到了A区，恢复风门开度初始值；若判定此时已从 -C区变化到了-B区，保持风门开度不变；若判定此时已从-C区变化到了-C区，保持风门开度不变；若判定此时已从-C区变化到了-D区，增大混合风门开度5；注：若判定从-C区变化到了B、C、D区，风门开度分别变化为初始值-2、-5、 -10。

(7)当判定前一时刻在-D区

若判定此时已从-D区变化到了-A区，恢复风门开度初始值；若判定此时已从-D区变化到了-B区，保持风门开度不变；若判定此时已从-D区变化到了-C区，保持风门开度不变；若判定此时已从D区变化到了-D区，保持风门开度不变；注：若判定从-D区变化到了B、C、D区，风门开度分别变化为初始值-2、-5、 -10。

通过上述过程，本发明能够对气流干燥工序中的出口水分进行精确控制，使生产过程中的出口水分尽可能的保持在目标值左右波动，减小了其波动幅度，提高了烟丝生产的质量。

本发明的一种基于气流干燥的烟丝质量控制系统的实施例

本发明的基于气流干燥的烟丝质量控制系统如图4所示，该控制系统包括中控系统、数据采集单元和集成数据库，数据采集单元用于采集影响气流干燥质量的因素，集成数据库用于选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分的质量数据进行统计，并将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为 N个区间，知识库用于根据当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，并根据区间的变化调整混合风门开度。其工作过程已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

该控制系统可根据对各关键质量特性设计的分区规则和调整规则，建立多语义智能决策控制规则，包括数据计算模型、控制模型、判别筛选规则、模糊修正模型、趋势分析模型等，允许智能监控调整模块对专家库进行调用，允许人工对专家库进行查询、新增、删除和修改。根据产品牌号、生产工艺、环境等的差别，可以在该模块中对控制系统的各类控制参数进行必要的设置和调整，在管理员授权的情况下可以适当地调整各控制规则库中的控制参数，对控制规则进行修正和优化。

为了使控制系统的自学习功能能够更符合操作人员的需求，可以对自学习规则的学习时间、数据范围、学习频率等自学习规则进行调整，同时支持自学习按条件进行查询。将关键质量特性及其影响因素都纳入同一关系数据库，支持对任一质量特性查询其历史数据、数据的时间序列表现，以及与之相关的各项影响因素，如流量、水分、阀门控制参数、加水量、加汽量等等。

从专家库获取相适应的控制规则，发出具体调整的指令对影响因素和控制参数进行实时调整和纠正，系统设置主要是对系统中的各项基础数据和参数进行管理，包括用户权限管理、工作流程管理、系统日志及系统备份等功能，实现任务驱动、过程跟踪的质量管理模式，同时保证系统的安全性，防止外部侵入以及意外故障造成数据丢失。

本发明的基于气流干燥的烟丝质量控制系统的数据库采用大型关系型数据库MSSQL SERVER 2008，它是单处理、多线程的数据库，与多重处理、单线程的数据库相比，耗用的硬件资源较少。SQL Server作为Windows 2000系统的延伸，和其他数据库不同，无需为了能在不同的操作系统上运行而降低效率，它能完全发挥Windows 2008的性能。

Windows 2003SERVER是微软公司的一种全新32位多任务操作系统，具有多种网络管理功能，支持多种网络协议，Windows 2003SERVER是针对客户机/ 服务器结构专门设计的高效、可靠的开放式平台，具有性能高、开放性强、安全可靠和可移植性强等特点。因此，本发明选用Windows NT4.0(Windows2008) 作为网络操作系统。中间件为通用的连接工具ODBC，开发工具采用当今世界流行的面向对象的语言VB6.0，C#。

本系统结合现有C/S和B/S模式的各自优势，构建适宜于自身特点的智能控制系统；本系统中数据查询，报表模块，用户可以通过B/S模式服务查询系统历史运行情况，由于B/S结构的特性，对于非实时性、大量运算的数据，使用B/S 结构可以减少网络管理人员的工作量与客户端的益用性。数据仓库，专家知识库，智能决策机制等，由于C/S模式的特性，对于这些大量数据的存取，大量数据计量，以及数据接口方面的工作需要使用C/S模式。

将该系统平台初步在生产过程中进行测试，验证控制效果。测试验证过程分别分为三个阶段：第一个阶段，离线跟踪测试；第二阶段在线纠偏控制测试；第三阶段，自学习算法设计和应用。

离线跟踪测试主要是通过实时的数据跟踪，通过系统运行提出控制措施，但控制措施不直接写入PLC系统，而是通过数据分析和比较来判断每个时间点是否需要采取控制行为，采取的控制行为方向是否正确，并与系统提出的控制行为进行验证，以初步证明系统采取的控制行为将会是有效的。

在离线测试验证系统的操作行为是有效的，则进一步进行在线的控制测试，在这一测试中，将真正由系统运行写入控制措施，实时进行智能化精准控制，以验证程序调控的准确性和系统的稳定性，在测试的基础上，对系统中部分控制参数，如阀门开度的调整幅度等进行相应的微调，避免出现多次调整步到位或者超调等现象。

在离线和在线测试都完成后，当前的控制系统就已基本能够适应生产现场直接应用了，但仍然可能会存在由于生产过程的操作环境、来料、检测仪器和设备等发生变化而导致系统调整不到位的现象，为此，奔赴买那个根据历史数据的变化规律还提出了应用最新历史批次数据进行自学习算法设计，使该控制系统具备自适应能力，具体自学习算法包括以下四种类型：

1)参与自学习计算的数据筛选机制

首先按照标偏和过程能力指数对最近历史批次数据进行比对筛选，选择标偏较小或过程能力较高的批次数据参与自学习，其次在批次内选择较为接近目标值的数据参与自学习，而偏离目标较远的数据将被筛除，以提高自学习的效果。

2)量具校正后的自学习修正算法

出口水分、入口水分的水分仪、温度仪等在进行校正后，读数的变化会影响精准控制的准确程度，需要根据校正时量具的调整量进行自学习修正。

3)极值区域自学习修正算法

对于数据分布的两端，例如来料水分偏大或偏小的部分区域，往往是不容易控制好的区域，在经过数据筛选后常导致这部分区域对应的数据量不充分的现象，可采用对控制效果不佳的历史数据进行修正的方法补充数据来源，再进行自学习修正。

系统运行效果比对分析

对气流干燥工序的关键质量特性，采用本发明的控制方式使生产过程中出口水分尽可能保持在目标值左右波动，采用本发明前后的数据分布比对分别如图5、 6所示，表3、表4所示。

表3系统应用前气流干燥出口含水率过程质量指标

序号	批次号	均值	偏移量	标准差	极差	CPK
							1	221503HHQRH###001	12.81	0.19	0.747	3.53	0.360
2	221503HHQRH###002	12.91	0.09	0.490	2.32	0.621
							3	221503HHQRH###003	12.93	0.07	0.171	0.73	1.452
4	221503HHQRH###004	12.78	0.22	0.637	3.92	0.407
							5	221503HHQRH###005	12.66	0.34	0.721	3.60	0.307

表4.系统应用后气流干燥出口含水率过程质量指标

序号	批次号	均值	偏移量	标准差	极差	CPK
							1	221506HHQRH###001	12.91	0.09	0.133	0.71	2.293
2	221506HHQRH###002	12.51	0.49	0.197	1.22	0.869
							3	221506HHQRH###003	12.81	0.19	0.236	1.03	1.144
4	221506HHQRH###004	12.73	0.27	0.121	0.56	2.018
							5	221506HHQRH###005	12.50	0.50	0.100	0.41	1.663

从精准控制前后的图形和过程能力指数的比较结果来看，通过本发明的应用，初步取得了以下效果：降低了过程偏差40-50％,CPK有较大提升，约40％；实现了过程自动诊断和控制，减少了人为干预，保证产品的均质化；大大降低了操作人员的工作强度。因此本发明可大幅改善原制丝工序的质量特性指标，增强生产过程克服和消除异常干扰的能力，提高过程能力，充分保证了气流干燥中出口水分的稳定性，实现完全自动化控制，减轻劳动强度、提高了产品质量。

Claims (6)

1.一种基于气流干燥的烟丝质量控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分实际值与目标值之差进行统计，确定出口水分差值的变化区域；

2)将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间；

3)采集当前的出口水分，对当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，然后判断出口水分的上一个时刻所处的区间以及当前时刻出口水分所处的区，并根据区间的变化调整混合风门开度；

所述步骤2)是将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为A、B、-B、C、-C、D和-D七个区间，出口水分实际值与目标值之差在±0.2区间的为A区，在0.2-0.35区间的为B区，在0.35-0.5区间的为C区，大于0.5的为D区，在-0.2到-0.35区间的为-B区，在-0.35到-0.5区间的为-C区，小于-0.5的为-D区；

所述区间判定的规则如下：

若连续3点中有两个点落在A区，则判定此时处于A区；若连续3点中有两点落在B区及B区以上，则判定此时处于B区；若连续3点中有两点落在C区及C区以上，则判定此时处于C区；若连续3点中有两个点落在D区，则判定此时处于D区；若连续3点中有两个点落在-B区及-B区以下，则判定此时处于-B区；若连续3点中有两个点落在-C区及-C区以下，则判定此时处于-C区；若连续3点中有两个点落在-D区，则判定此时处于-D区。

2.根据权利要求1所述的基于气流干燥的烟丝质量控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的区间判定是根据当前所采出口水分值、以及之前的M个数据来判断。

3.根据权利要求1所述的基于气流干燥的烟丝质量控制方法，其特征在于，在气流干燥的开始阶段，根据混合温度设置风门开度。

4.根据权利要求1所述的基于气流干燥的烟丝质量控制方法，其特征在于，当混合温度达到设定范围内时，气流干燥进入正常阶段，正常阶段的风门开度初始值为70。

5.根据权利要求1所述的基于气流干燥的烟丝质量控制方法，其特征在于，当判定出口水分所处区间发生变化时，减小或增大相应的风门开度。

6.一种基于气流干燥的烟丝质量控制系统，其特征在于，该控制系统包括中控系统、数据采集单元和集成数据库，所述数据采集单元用于采集影响气流干燥质量的因素，所述集成数据库用于选取出口水分作为影响气流干燥质量的因素，并对出口水分的质量数据进行统计，并将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为N个区间，所述中控系统用于根据当前的所采集的出口水分与目标值之差进行区间判定，然后判断出口水分的上一个时刻所处的区间以及当前时刻出口水分所处的区，并根据区间的变化调整混合风门开度；

所述集成数据库将出口水分实际值与目标值之差的变化区域划分为A、B、-B、C、-C、D和-D七个区间，出口水分实际值与目标值之差在±0.2区间的为A区，在0.2-0.35区间的为B区，在0.35-0.5区间的为C区，大于0.5的为D区，在-0.2到-0.35区间的为-B区，在-0.35到-0.5区间的为-C区，小于-0.5的为-D区；

所述中控系统进行区间判定的规则如下：

若连续3点中有两个点落在A区，则判定此时处于A区；若连续3点中有两点落在B区及B区以上，则判定此时处于B区；若连续3点中有两点落在C区及C区以上，则判定此时处于C区；若连续3点中有两个点落在D区，则判定此时处于D区；若连续3点中有两个点落在-B区及-B区以下，则判定此时处于-B区；若连续3点中有两个点落在-C区及-C区以下，则判定此时处于-C区；若连续3点中有两个点落在-D区，则判定此时处于-D区。