CN112949223B

CN112949223B - 一种基于doe响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法

Info

Publication number: CN112949223B
Application number: CN202110286002.1A
Authority: CN
Inventors: 孙乾德; 李晓军; 吴悦; 李文亮; 赵志新; 司小山; 林保忠; 陈新兴; 李小霞; 刘海龙; 徐文涛; 季亦帆; 龚良浩
Original assignee: Hongyun Honghe Tobacco Group Co Ltd
Current assignee: Hongyun Honghe Tobacco Group Co Ltd
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN112949223A

Abstract

本发明公开了一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，通过DOE响应曲面法优化了烘丝机喷吹装置的喷吹压力及喷吹角度，大幅缩短烘丝机物料通过时间，减少干尾量，降低烟丝损耗，降低生产成本。优化方法可适用于不同烘丝机喷吹设备喷吹角度、喷吹压力确定，可以使物料通过烘丝机时间缩短至最优值，具有很高的实用价值。通过DOE曲面图工作人员可以根据烘丝机不同的加工工况，在最佳点大致位置内寻找适合点位，满足不同的加工条件，提高物料加工质量。

Description

一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法

技术领域

本发明涉及一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，属于烟草生产设备控制系统技术领域。

背景技术

烘丝机批次生产结束时，尾料数量骤减无法连贯通过烘丝机，导致烘丝机尾料出料速度慢，增加了不同批次生产时间间隔，增加了干尾量，造成了烟丝损耗，增加的生产成本。烘丝机滚筒转速、滚筒倾斜角度可调整范围较窄，调节试验后均无法明显提高尾料出料速度。为提高尾料出料速度现在烘丝机入口增加喷吹装置，喷吹装置的喷吹角度及喷吹气压两者需要高度匹配，物料通过烘丝机的时间才能得到保障，喷吹角度及喷吹气压可调整范围较大，难以通过逐次实验确定具体数值，难以确定最优喷吹角度及压缩空气压力。

发明内容

为解决烘丝机物料通过时间较长、喷吹角度及喷吹压力难以确定的问题，本发明提供了基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，通过DOE响应曲面法确定烘丝机物料通过时间最短时喷吹装置最优喷吹角度及喷吹时间。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，包括如下步骤：步骤1：基于烘丝机尾料出料原理，选取喷吹角度、喷吹气压为变量，物料通过时间作为模型响应值，生产全因子试验设计方案，进行试验后记录试验数据；步骤2：根据试验数据拟合得到二元多次回归模型，对二元多次回归方程进行方差分析，得出方差分析表与残差图，判断试验区域是否达到相应变量的最佳区域；步骤3：试验区域达到响应变量最佳区域，增加轴点产生新试验方案，再次对新试验方案进行试验，记录试验数据；步骤4：根据新试验方案的试验数据拟合得到二阶响应曲面模型，对二阶响应曲面方程进行方差分析，得出方差分析表与残差图，判断二阶响应曲面方程是否拟合试验数据；步骤5：根据二阶响应曲面模型建立DOE等值线图和DOE曲面图，通过图形确定最佳点大致位置；步骤6：建立响应优化图，确定喷吹角度、喷吹气压最优值。

进一步的，步骤1、步骤3中试验方法为在烘丝机入口处安装空气放大器，PLC控制器采集烘丝机前端电子皮带秤数据，当电子皮带秤瞬时流量＜500kg/h，且持续时间≥40s以上时，PLC控制器驱动空气放大器电磁阀动作，通过计时器记录物料通过时间。

进一步的，步骤3通过中心复合表面设计选取增加轴点。

进一步的，通过置信区间对喷吹角度、喷吹气压最优值进行验证，预测值落入95％置信区间，证明模型有效。

进一步的，将喷吹角度、喷吹气压最优值设置在烘丝机喷吹设备，重复试验20批次，对试验结果单样本T检测，P值>0.05,证明模型有效性。

本发明有益效果：本发明通过DOE响应曲面法优化了喷吹装置的喷吹压力及喷吹角度，大幅缩短烘丝机物料通过时间，减少干尾量，降低烟丝损耗，降低生产成本。优化方法可适用于不同烘丝机喷吹设备喷吹角度、喷吹压力确定，可以使物料通过烘丝机时间缩短至最优值，具有很高的实用价值。通过DOE曲面图工作人员可以根据烘丝机不同的加工工况，在最佳点大致位置内寻找适合点位，满足不同的加工条件，提高物料加工质量。

附图说明

图1为二元多次回归模型四合一残差图；

图2为二阶响应曲面模型四合一残差图；

图3为DOE等值线图；

图4为DOE曲面图；

图5为响应优化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

步骤1：基于烘丝机尾料出料原理，选取喷吹角度、喷吹气压为变量，物料通过时间作为模型响应值，生成全因子试验设计方案，进行试验后记录试验数据。

具体实施例中，喷吹角度X1的调整范围在45°～-45°之间，喷吹压力X2的调整范围在0.30Mpa～0.70Mpa之间；若超出此范围，将超出设备要求的调节范围，用MINITAB软件生成2因子2水平3中心点的全因子试验设计方案，随机化试验顺序，使中心点大体在试验的开始、中间、结尾。具体试验方法为：在烘丝机入口处安装空气放大器，空气放大器喷吹角度、喷吹压力可调，PLC控制器采集烘丝机前端电子皮带秤数据，当电子皮带秤瞬时流量＜500kg/h，且持续时间≥40s以上时，PLC控制器驱动空气放大器电磁阀动作，空气放大器对烘丝机内尾料进行喷吹，提高尾料通过效率，物料通过时间通过计时器进行记录。试验结果如表1所示：

标准序	运行序	中心点	区组	喷吹气压(Mpa)	喷吹角度(°)	通过时间(S)
							1	1	1	1	0.3	-45	378
5	2	0	1	0.5	0	244
							3	3	1	1	0.3	45	387
4	4	1	1	0.7	45	341
							2	5	1	1	0.7	-45	320
7	6	0	1	0.5	0	241
							6	7	0	1	0.5	0	243

表1全因子试验设计计划与试验结果

步骤2：根据试验数据拟合得到二元多次回归模型，对二元多次回归方程进行方差分析，得出方差分析表与残差图，判断试验区域是否达到相应变量的最佳区域。

具体实施例中，将实验数据代入MINITAB软件拟合得到二元多次回归模型：通过时间(S)＝373-130喷吹气压(Mpa)+0.00喷吹角度(°)+0.33喷吹气压(Mpa)*喷吹角度(°)

根据二元多次回归方程进行方差分析，方差分析结果如表2所示：

表2方差分析表

在方差分析表中，主效应及因子交互效应项均不显著，弯曲：P＝0.000，表明试验数据有弯曲。

对二元多次回归模型进行残差诊断，生成残差图。如图1所示，残差图中正态概率图、直方图表明残差服从正态分布；残差对于以响应变量拟合预测值为横轴的散点图，各点成漏斗形，残差保持等方差性；残差对于以观测值顺序为横轴的散点图，各点随机在水平轴上下无规律波动。表明现在的试验区域达到响应变量的最佳区域。

步骤3：试验区域达到响应变量最佳区域，增加轴点产生新试验方案，再次对新试验方案进行试验，记录试验数据。

具体实施例中，选用中心复合表面设计，在原来的全因子试验设计方案中增加轴点产生新的试验方案，增加新轴点为喷吹气压中间值匹配喷吹角度极限值，喷吹气压极限值匹配喷吹角度中间值，增加2*2＝4次试验。试验结果如表3所示：

表3中心复合表面设计试验设计计划与试验结果

步骤4：根据新试验方案的试验数据拟合得到二阶响应曲面模型，对二阶响应曲面方程进行方差分析，得出方差分析表与残差图，判断二阶响应曲面方程是否失拟；

具体实施例中，将实验数据代入MINITAB软件拟合得到二阶响应曲面模型：通过时间(S)＝280.64-20.8气压(Mpa)-0.0000喷吹角度(°)-109.2气压(Mpa)*气压(Mpa)+0.058337喷吹角度(°)*喷吹角度(°)+0.3333气压(Mpa)*喷吹角度(°)

根据二阶响应曲面模型进行方差分析，方差分析结果如表4所示：

表4方差分析表

根据方差分析表可知，二阶响应曲面模型总效果主效应及2因子交互效应项均显著，模型的相关性参数P值小于0.0001，试验数据无失拟，说明模型与实际实验结果具有很高的拟合度。

对二阶响应曲面模型进行残差诊断，生成残差图。如图2所示，残差图中正态概率图、直方图表明残差服从正态分布；残差对于以响应变量拟合预测值为横轴的散点图，各点成漏斗形，残差保持等方差性；残差对于以观测值顺序为横轴的散点图，各点随机在水平轴上下无规律波动。再次表明模型与实际实验结果具有很高的拟合度。

步骤5：根据二阶响应曲面模型建立DOE等值线图和DOE曲面图，通过图形确定最佳点大致位置；

具体实施例中，二阶响应曲面模型DOE等值线图如图3所示，DOE曲面图如图4所示，从图中可以看出喷吹角度范围在15°～-15°内，喷吹气压范围在0.52Mpa～0.7Mpa内，存在最佳点。在烘丝机实际工作过程中，工作人员除考虑物料通过时间外，还需考虑物料水分、物料膨胀等多个方面，通过DOE曲面图工作人员可在最佳点大致位置内寻找适合点位，满足不同的加工条件，提高物料加工质量。

步骤6：建立响应优化图，确定喷吹角度、喷吹气压最优值。

具体实施例中，响应优化图如5所示，通过MINITAB软件求解二阶响应曲面模型，得到当喷吹角度(°)＝-2.3°，喷吹气压(Mpa)＝0.6Mpa时，物料通过时间最短，通过时间(S)＝212S。将最优值调入响应曲面分析预测中，等到拟合表，拟合表如表5所示：

拟合值	拟合值标准误	95％置信区间	95％预测区间
				212.404	0.538229	(211.320,214.087)	(209.611,215.797)

表5最优值拟合表

由拟合表可知，预测值落入95％置信区间，证明模型科学有效。

因烘丝机在实际运行中存在除喷吹角度及喷吹气压以外的工艺干扰项可能对物料通过时间造成影响，将喷吹角度、喷吹气压最优值设置在烘丝机喷吹设备，重复试验20批次，试验验证数据如表6所示：

表6试验验证数据表对试验结果单样本T检测，检测数据表如表7所示：

表7单样本T检测数据表

通过单样本T检验可知，P值>0.05,根据以上单T检验可知，无法拒绝原假设。证明改进效果达到了项目目标212秒，同时从结果中也可以看出改进改进后叶丝线换批次时间均值为212.02秒，说明模型有效，试验结果分析及预测等结论都是可信的，优化目标实现。

从最终优化效果看，在进行优化前，平均每批次物料通过时间为307秒，进行优化后，物料通过烘丝机时间降低率为30.9％，每个批次缩短95秒物料通过时间，优化效果明显。实际测试后平均每批次干尾量从25kg降低至9.6kg，干尾量降低率为61.5％，按照干尾烟丝造碎不可利用率50％，2018年1553个生产批次计算，每年可节约15.4*50％*1553＝11958kg烟丝，经济效益显著。

最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明发明的技术方案，而非限制尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解可以在形式上和细节上对其做出各种改变，而不偏离本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，其特征是：包括如下步骤：步骤1：基于烘丝机尾料出料原理，选取喷吹角度、喷吹气压为变量，物料通过时间作为模型响应值，生产全因子试验设计方案，进行试验后记录试验数据；

步骤2：根据试验数据拟合得到二元多次回归模型，对二元多次回归方程进行方差分析，得出方差分析表与残差图，判断试验区域是否达到相应变量的最佳区域；

步骤3：试验区域达到响应变量最佳区域，增加轴点产生新试验方案，再次对新试验方案进行试验，记录试验数据；

步骤4：根据新试验方案的试验数据拟合得到二阶响应曲面模型，对二阶响应曲面方程进行方差分析，得出方差分析表与残差图，判断二阶响应曲面方程是否拟合试验数据；

步骤5：根据二阶响应曲面模型建立DOE等值线图和DOE曲面图，通过图形确定最佳点位置区域；

步骤6：建立响应优化图，确定喷吹角度、喷吹气压最优值。

2.根据权利要求1所述的一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，其特征是：步骤1、步骤3中试验方法为在烘丝机入口处安装空气放大器，PLC控制器采集烘丝机前端电子皮带秤数据，当电子皮带秤瞬时流量＜500kg/h，且持续时间≥40s时，PLC控制器驱动空气放大器电磁阀动作，通过计时器记录物料通过时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，其特征是：步骤3通过中心复合表面设计选取增加轴点。

4.根据权利要求3所述的一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，其特征是：通过置信区间对喷吹角度、喷吹气压最优值进行验证，预测值落入95%置信区间，证明模型有效性。

5.根据权利要求4所述的一种基于DOE响应曲面法优化烘丝机物料通过时间的方法，其特征是：将喷吹角度、喷吹气压最优值设置在烘丝机喷吹设备，重复试验20批次，对试验结果单样本T检测，P值>0.05,证明模型有效性。