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摘 要：为了使滚筒烘丝头料出口水分能够快速精准地到达产品工艺要求的范围，减少后馈造成的调节滞后，使过程中出口水分更加稳定，该研究对影响滚筒烘丝机出口水分的相关工艺参数进行了分析，了解物料流量、热风风速、筒壁温度与来料水分的关系，建立了基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法。结果表明：（1）出口水分到达工艺要求范围内的时间由6.32min降低到5.45min，头料水分能够更快地到达要求范围内;（2）整批次相关参数调节频次由6.2次降低到2.7，减轻了劳动强度，提高了生产效率;（3）出口水分标准偏差由0.107%降低到0.069%，过程出口水分更稳定。
关键词：滚筒烘丝机;参数设置;预测方法
中图分类号 TS452 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）18-0107-03
Prediction Method of Drum Dryer Parameter Setting Based on Incoming Material State
GUAN Xin et al.
（Qingdao Cigarette Factory， Shandong China Tobacco Industry Co. LTD.， Qingdao 266100， China）
Abstract： This paper studies the relevant process parameters that affect the moisture at the outlet of the drum dryer， analyzes the relationship between the material flow， hot air speed， barrel wall temperature and the incoming material moisture， and establishes a method for predicting the parameter settings of the drum dryer based on the incoming material state， in order to make the outlet moisture of the drum dryer to reach the product process requirements quickly and accurately， reduce the adjustment lag caused by the back feed， and ensure that the outlet moisture is more stable during the process. According to the results： （1） it needs from 6.32min to 5.45min for the outlet moisture to reach the process requirement range， which reduces time ， and the water content of the raw material can reach the required range faster; （2） The adjustment frequency is reduced from 6.2 to 2.7 for the whole batch， which reduces labor intensity and improves production efficiency; （3） The standard deviation decreases from 0.107% to 0.069% in terms of export moisture， which provides a more stable process for export moisture.
Key words： Drum dryer; Parameter setting; Prediction method
滾筒干燥设备是卷烟制丝生产过程中的关键设备之一，其工艺任务是将膨胀后的叶丝脱水干燥，使其含水率符合工艺要求[1-2]。对于滚筒烘丝机，烟草行业有着较多的研究和分析[3-6]。受加料出口水分、加料出口温度、贮叶时间、环境温湿度等因素的影响，烘前来料水分波动较大。为满足滚筒干燥出口叶丝含水率的指标要求，滚筒干燥设备具备多个控制参数[7]。生产过程中，当来料水分出现波动时，需要操作人员依据经验对关键工艺参数进行调节。不同的控制参数经过一段时间的反馈调节，均能满足出口叶丝含水率的指标要求，但基于出口水分的后馈调节，调节滞后，调节的反应时间较长，加之参数调节后出口水分显示滞后5min的时间，是否调节到位并不确定[8-9]。目前没有较好的方法对烘丝出口水分精准控制。
本试验通过对影响滚筒烘丝机出口水分的相关工艺参数研究，分析了热风风速、物料流量、筒壁温度与来料水分的关系，建立了基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法。快速准确地获取物料流量、筒壁温度和热风风速参数，使滚筒烘丝机出口水分精准控制，旨在为卷烟产品工艺加工过程的优化和提高卷烟产品的质量稳定性提供参考。
1 材料、设备与仪器
1.1 试验材料 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂“泰山（新品）”牌号正常生产烟丝。
1.2 设备与仪器 KLD-2-2Z型两段式滚筒烘丝机（流量3000kg/h，德国HAUNI公司）;TM710型在线水分仪（精度：0.1%，美国NDC红外技术公司）。
2 滚筒烘丝机参数设置预测方法
2.1 热风风速与来料水分的变化特性 根据工艺要求，热风风速参数为（0.4±0.05）m/s。在其他可变参数一致的情况下，从MES底层数据导出生产过程稳定的情况下热风风速与来料水分实测值进行线性回归分析，如图1所示。由图1可知，在生产过程中，热风风速在0.35～0.45m/s范围内与来料水分呈线性增加关系，相关系数为0.995，回归方程为： F=0.159S-2.681 （1）
式中：F为热风风速;S为来料水分。
2.2 物料流量与来料水分的变化特性 如图2所示，物料经过定量喂料进入HT增温增湿，经回潮后的叶丝最终进入滚筒烘丝干燥。滚筒烘丝机的干燥能力用脱水量来表示，即单位时间内设备除去水的重量。根据工艺要求，样品在烘丝工序工艺参数均为设定中心值时的干燥能力为理想脱水量。
滚筒前后物料质量（干物质）守恒：
H=L×（1-S1）×[1/（1-S1-△S）-1/（1-S2）] （2）
式中：H为脱水量;L为物料流量;S1为来料水分;△S为HT增加水分;S2为出口水分。
从MES底层数据统计20批次该样品牌号工序工艺参数均为设定中心值时的生产参数数据，当该样品牌号烘丝调整参数热风风速为0.4m/s，筒壁温度为135℃，物料流量3150kg/h，HT增加水分0.2%，出口水分12.8%时，需要的来料水分平均值为19.3%。
将理想数据代入公式（2），得到理想脱水量为：
H理=3150×（1-19.3%）×[1/（1-19.3%-2%）-1/（1-12.8%）]=314.8L/h。
当来料水分变化时，对于该样品牌号滚筒烘丝机所需要达到的干燥能力是一致的。即可根据理想脱水量计算实际的物料流量：
L实=H理/[△S/（1-S-△S）+（S-S出）/（1-S出）] （3）
式中：L实为物料流量;H理为理想脱水量;S为来料水分;△S为HT增加水分;S出为出口水分。
2.3 筒壁温度与来料水分的变化特性 根据工艺要求，筒壁温度参数为135±3℃。在其他可变参数一致的情况下从MES底层数据导出生产过程稳定的情况下筒壁温度与来料水分实测值进行线性回归分析，如图3所示。由图3可知，在生产过程中，筒壁温度在132～138℃范围内与来料水分呈线性增加关系，相关系数为0.989，回归方程为：
T=9.826S-54.71 （4）
式中：T为筒壁温度;S为来料水分。
2.4 预测方法 根据工艺要求，在生产过程中，首先进行热风风速调节，热风风速要求（0.4±0.05）m/s，若出口水分仍不满足要求，再进行物料流量调节，物料流量要求（3150±100）kg/h，若出口水分还不满足要求，则调节筒壁温度，筒壁温度要求为（135±3）℃。
根据工艺参数调整的优先级，前一项调整参数调整到工艺要求的范围极限再进行下一项参数调整时，相对应的实际来料水分应抵消前一调整过程后弥补的来料水分值。
综上所述，滚筒烘丝机参数设置预测方法如下：
[F=0.159S-2.681 19.06%≤S≤19.69%L实=H理/（△S/（1-S-△S）+（S-S出）/（1-S出）） 18.82%≤S<19.06%;19.69%<S≤19.86%T=9.826S-54.71 S<18.82%;S>19.86%] （5）
式中：S為来料水分;F为热风风速;L实为物料流量;H理为理想脱水量;△S为HT增加水分;S出为出口水分;T为筒壁温度。
当来料水分大于等于19.06%，小于等于19.69%时，根据公式（5）只进行热风风速调节;当来料水分大于等于18.82%，小于19.06%和来料水分大于19.69%，小于等于19.86%时，先将热风风速调节到极限值，再根据公式（5）进行物料流量调节，计算物料流量时，来料水分应减去热风风速调整后弥补的来料水分值;当来料水分小于18.82%和来料水分大于19.86%时，先将热风风速和物料流量调节到极限值，再根据公式（5）进行筒壁温度调节，计算筒壁温度时，来料水分应减去热风风速和物料流量调整后弥补的来料水分值。
3 生产验证
以青岛卷烟厂3000kg/h KLD-2-2Z滚筒烘丝机为例，热风风速为（0.4±0.05）m/s，物料流量为（3150±100）kg/h，筒壁温度为（135±3）℃。生产提升前，将切丝后水分仪显示值为作为来料水分的判断依据。按照公式（5）进行热风风速、物料流量和筒壁温度的计算，再将预测值提前修改进行生产。
3.1 头料水分到达要求范围内的时间 基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法，进行了10批次生产，并与原操作方法进行头料水分到达要求范围内的时间对比验证。如图4所示，原操作方法下头料水分到达要求范围内的平均时间为6.32min，预测方法下的头料水分到达要求范围内的平均时间为5.45min，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，头料水分能够更快的到达要求范围内。
3.2 生产过程调节频次 基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法，进行了10批次生产，并与原操作方法进行生产过程中调节频次的对比验证。如图5所示，原操作方法下生产过程中调节的平均频次为6.2次，预测方法下的生产过程中调节的平均频次为2.7次，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，减轻了人工强度，提高了生产效率，同时由于生产过程中调节频次的减少，也大大地降低了误操作率。
3.3 出口水分稳定性 基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法，进行了10批次生产，并与原操作方法进行生产过程中出口水分标准偏差的对比验证。如图6所示，原操作方法下生产过程中出口水分标准偏差为0.107%，预测方法下的生产过程中出口水分标准偏差为0.069%，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，过程中出口水分的稳定性得到了明显提升，提高了产品加工的均匀性。 4 结论
根据热风风速、物料流量、筒壁温度与来料水分的变化特性推导出基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置的预测方法，结果表明，该方法操作简单，计算变量可由滚筒烘丝设备监控曲线直接获取。
（1）原操作方法下，头料水分到达要求范围内的平均时间为6.32min;预测方法下，头料水分到达要求范围内的平均时间为5.45min，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，头料水分能够更快地到达要求范围内。
（2）原操作方法下，生产过程中调节的平均频次为6.2次;预测方法下，生产过程中调节的平均频次为2.7次，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，减轻了劳动强度，提高了生产效率，同时由于生产过程中调节频次的减少，也大大地降低了误操作率。
（3）原操作方法下，生产过程中调出口水分标准偏差为0.107%;预测方法下，生产过程中出口水分标准偏差为0.069%，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，过程中出口水分的稳定性得到了明显提升，提高了产品加工的均匀性。
参考文献
[1]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京：中央文献出版社，2003.
[2]黄嘉礽，谢剑平.卷烟工艺[M].2版.北京：北京出版社，2000.
[3]林天勤，钟文焱，郭剑华，等.滚筒烘丝机烟丝含水率控制系统的改进[J].烟草科技，2013（12）：14-16.
[4]张炜，刘江生，王道宽，等.KLD2-3两段式滚筒烘丝机不同控制模式研究[J].烟草科技，2013（11）：8.
[5]卢彦华，张峻松，于录，等.滚筒烘丝工艺参数优化研究[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2009（1）：5-7.
[6]SHIN J H，HWANG K S，JANG S P，et al.Flow and thermal characteristics of condensing steam in a single horizontal mini-channel of a multiport cylinder dryer[J].Drying technology，2011，29（1）：47.
[7]陈良元.卷烟生产工艺技术[M].郑州：河南科学技术出版社，2002.
[8]张炜，刘江生，王道宽，等.KLD2-3两段式滚筒烘丝机控制模式研究[J].烟草科技，2013（3）：8-11.
[9]张强，董高峰，李红武，等.滚筒烘丝机工艺参数对烤烟感官质量的影响[J].烟草科技，2011（11）：10-13. （责編：张宏民）
关键词：滚筒烘丝机;参数设置;预测方法
中图分类号 TS452 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）18-0107-03
Prediction Method of Drum Dryer Parameter Setting Based on Incoming Material State
GUAN Xin et al.
（Qingdao Cigarette Factory， Shandong China Tobacco Industry Co. LTD.， Qingdao 266100， China）
Abstract： This paper studies the relevant process parameters that affect the moisture at the outlet of the drum dryer， analyzes the relationship between the material flow， hot air speed， barrel wall temperature and the incoming material moisture， and establishes a method for predicting the parameter settings of the drum dryer based on the incoming material state， in order to make the outlet moisture of the drum dryer to reach the product process requirements quickly and accurately， reduce the adjustment lag caused by the back feed， and ensure that the outlet moisture is more stable during the process. According to the results： （1） it needs from 6.32min to 5.45min for the outlet moisture to reach the process requirement range， which reduces time ， and the water content of the raw material can reach the required range faster; （2） The adjustment frequency is reduced from 6.2 to 2.7 for the whole batch， which reduces labor intensity and improves production efficiency; （3） The standard deviation decreases from 0.107% to 0.069% in terms of export moisture， which provides a more stable process for export moisture.
Key words： Drum dryer; Parameter setting; Prediction method
滾筒干燥设备是卷烟制丝生产过程中的关键设备之一，其工艺任务是将膨胀后的叶丝脱水干燥，使其含水率符合工艺要求[1-2]。对于滚筒烘丝机，烟草行业有着较多的研究和分析[3-6]。受加料出口水分、加料出口温度、贮叶时间、环境温湿度等因素的影响，烘前来料水分波动较大。为满足滚筒干燥出口叶丝含水率的指标要求，滚筒干燥设备具备多个控制参数[7]。生产过程中，当来料水分出现波动时，需要操作人员依据经验对关键工艺参数进行调节。不同的控制参数经过一段时间的反馈调节，均能满足出口叶丝含水率的指标要求，但基于出口水分的后馈调节，调节滞后，调节的反应时间较长，加之参数调节后出口水分显示滞后5min的时间，是否调节到位并不确定[8-9]。目前没有较好的方法对烘丝出口水分精准控制。
本试验通过对影响滚筒烘丝机出口水分的相关工艺参数研究，分析了热风风速、物料流量、筒壁温度与来料水分的关系，建立了基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法。快速准确地获取物料流量、筒壁温度和热风风速参数，使滚筒烘丝机出口水分精准控制，旨在为卷烟产品工艺加工过程的优化和提高卷烟产品的质量稳定性提供参考。
1 材料、设备与仪器
1.1 试验材料 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂“泰山（新品）”牌号正常生产烟丝。
1.2 设备与仪器 KLD-2-2Z型两段式滚筒烘丝机（流量3000kg/h，德国HAUNI公司）;TM710型在线水分仪（精度：0.1%，美国NDC红外技术公司）。
2 滚筒烘丝机参数设置预测方法
2.1 热风风速与来料水分的变化特性 根据工艺要求，热风风速参数为（0.4±0.05）m/s。在其他可变参数一致的情况下，从MES底层数据导出生产过程稳定的情况下热风风速与来料水分实测值进行线性回归分析，如图1所示。由图1可知，在生产过程中，热风风速在0.35～0.45m/s范围内与来料水分呈线性增加关系，相关系数为0.995，回归方程为： F=0.159S-2.681 （1）
式中：F为热风风速;S为来料水分。
2.2 物料流量与来料水分的变化特性 如图2所示，物料经过定量喂料进入HT增温增湿，经回潮后的叶丝最终进入滚筒烘丝干燥。滚筒烘丝机的干燥能力用脱水量来表示，即单位时间内设备除去水的重量。根据工艺要求，样品在烘丝工序工艺参数均为设定中心值时的干燥能力为理想脱水量。
滚筒前后物料质量（干物质）守恒：
H=L×（1-S1）×[1/（1-S1-△S）-1/（1-S2）] （2）
式中：H为脱水量;L为物料流量;S1为来料水分;△S为HT增加水分;S2为出口水分。
从MES底层数据统计20批次该样品牌号工序工艺参数均为设定中心值时的生产参数数据，当该样品牌号烘丝调整参数热风风速为0.4m/s，筒壁温度为135℃，物料流量3150kg/h，HT增加水分0.2%，出口水分12.8%时，需要的来料水分平均值为19.3%。
将理想数据代入公式（2），得到理想脱水量为：
H理=3150×（1-19.3%）×[1/（1-19.3%-2%）-1/（1-12.8%）]=314.8L/h。
当来料水分变化时，对于该样品牌号滚筒烘丝机所需要达到的干燥能力是一致的。即可根据理想脱水量计算实际的物料流量：
L实=H理/[△S/（1-S-△S）+（S-S出）/（1-S出）] （3）
式中：L实为物料流量;H理为理想脱水量;S为来料水分;△S为HT增加水分;S出为出口水分。
2.3 筒壁温度与来料水分的变化特性 根据工艺要求，筒壁温度参数为135±3℃。在其他可变参数一致的情况下从MES底层数据导出生产过程稳定的情况下筒壁温度与来料水分实测值进行线性回归分析，如图3所示。由图3可知，在生产过程中，筒壁温度在132～138℃范围内与来料水分呈线性增加关系，相关系数为0.989，回归方程为：
T=9.826S-54.71 （4）
式中：T为筒壁温度;S为来料水分。
2.4 预测方法 根据工艺要求，在生产过程中，首先进行热风风速调节，热风风速要求（0.4±0.05）m/s，若出口水分仍不满足要求，再进行物料流量调节，物料流量要求（3150±100）kg/h，若出口水分还不满足要求，则调节筒壁温度，筒壁温度要求为（135±3）℃。
根据工艺参数调整的优先级，前一项调整参数调整到工艺要求的范围极限再进行下一项参数调整时，相对应的实际来料水分应抵消前一调整过程后弥补的来料水分值。
综上所述，滚筒烘丝机参数设置预测方法如下：
[F=0.159S-2.681 19.06%≤S≤19.69%L实=H理/（△S/（1-S-△S）+（S-S出）/（1-S出）） 18.82%≤S<19.06%;19.69%<S≤19.86%T=9.826S-54.71 S<18.82%;S>19.86%] （5）
式中：S為来料水分;F为热风风速;L实为物料流量;H理为理想脱水量;△S为HT增加水分;S出为出口水分;T为筒壁温度。
当来料水分大于等于19.06%，小于等于19.69%时，根据公式（5）只进行热风风速调节;当来料水分大于等于18.82%，小于19.06%和来料水分大于19.69%，小于等于19.86%时，先将热风风速调节到极限值，再根据公式（5）进行物料流量调节，计算物料流量时，来料水分应减去热风风速调整后弥补的来料水分值;当来料水分小于18.82%和来料水分大于19.86%时，先将热风风速和物料流量调节到极限值，再根据公式（5）进行筒壁温度调节，计算筒壁温度时，来料水分应减去热风风速和物料流量调整后弥补的来料水分值。
3 生产验证
以青岛卷烟厂3000kg/h KLD-2-2Z滚筒烘丝机为例，热风风速为（0.4±0.05）m/s，物料流量为（3150±100）kg/h，筒壁温度为（135±3）℃。生产提升前，将切丝后水分仪显示值为作为来料水分的判断依据。按照公式（5）进行热风风速、物料流量和筒壁温度的计算，再将预测值提前修改进行生产。
3.1 头料水分到达要求范围内的时间 基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法，进行了10批次生产，并与原操作方法进行头料水分到达要求范围内的时间对比验证。如图4所示，原操作方法下头料水分到达要求范围内的平均时间为6.32min，预测方法下的头料水分到达要求范围内的平均时间为5.45min，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，头料水分能够更快的到达要求范围内。
3.2 生产过程调节频次 基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法，进行了10批次生产，并与原操作方法进行生产过程中调节频次的对比验证。如图5所示，原操作方法下生产过程中调节的平均频次为6.2次，预测方法下的生产过程中调节的平均频次为2.7次，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，减轻了人工强度，提高了生产效率，同时由于生产过程中调节频次的减少，也大大地降低了误操作率。
3.3 出口水分稳定性 基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置预测方法，进行了10批次生产，并与原操作方法进行生产过程中出口水分标准偏差的对比验证。如图6所示，原操作方法下生产过程中出口水分标准偏差为0.107%，预测方法下的生产过程中出口水分标准偏差为0.069%，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，过程中出口水分的稳定性得到了明显提升，提高了产品加工的均匀性。 4 结论
根据热风风速、物料流量、筒壁温度与来料水分的变化特性推导出基于来料状态的滚筒烘丝机参数设置的预测方法，结果表明，该方法操作简单，计算变量可由滚筒烘丝设备监控曲线直接获取。
（1）原操作方法下，头料水分到达要求范围内的平均时间为6.32min;预测方法下，头料水分到达要求范围内的平均时间为5.45min，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，头料水分能够更快地到达要求范围内。
（2）原操作方法下，生产过程中调节的平均频次为6.2次;预测方法下，生产过程中调节的平均频次为2.7次，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，减轻了劳动强度，提高了生产效率，同时由于生产过程中调节频次的减少，也大大地降低了误操作率。
（3）原操作方法下，生产过程中调出口水分标准偏差为0.107%;预测方法下，生产过程中出口水分标准偏差为0.069%，明显低于原操作方法。说明在滚筒烘丝机参数设置预测方法时，过程中出口水分的稳定性得到了明显提升，提高了产品加工的均匀性。
参考文献
[1]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京：中央文献出版社，2003.
[2]黄嘉礽，谢剑平.卷烟工艺[M].2版.北京：北京出版社，2000.
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[4]张炜，刘江生，王道宽，等.KLD2-3两段式滚筒烘丝机不同控制模式研究[J].烟草科技，2013（11）：8.
[5]卢彦华，张峻松，于录，等.滚筒烘丝工艺参数优化研究[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2009（1）：5-7.
[6]SHIN J H，HWANG K S，JANG S P，et al.Flow and thermal characteristics of condensing steam in a single horizontal mini-channel of a multiport cylinder dryer[J].Drying technology，2011，29（1）：47.
[7]陈良元.卷烟生产工艺技术[M].郑州：河南科学技术出版社，2002.
[8]张炜，刘江生，王道宽，等.KLD2-3两段式滚筒烘丝机控制模式研究[J].烟草科技，2013（3）：8-11.
[9]张强，董高峰，李红武，等.滚筒烘丝机工艺参数对烤烟感官质量的影响[J].烟草科技，2011（11）：10-13. （责編：张宏民）