烟草生产线中智能设备的集成与自动化控制研究

2024-11-01 00:00:00卢煜文伞金辉王德喻波杨天侯
科技资讯 2024年18期

摘要:基于先进技术的应用基础,分析了目前烟草生产线所面临的智能化需求,明确指出烟草生产线中智能设备集成必要性。在此基础上构建了烟草生产设备管理系统架构,详细阐述了烟草生产线智能设备集成关键技术,具体涉及信息采集、设备检查管理、高速自动化机械技术等的应用。同时设计自动化控制业务模块,覆盖原料处理配送、烟叶加工切割、制丝烘干等多个模块,皆在实现对整个烟草生产线的智能化管理。

关键词:智能设备集成自动化控制烟草生产线生产设备

中图分类号:TS43

ResearchontheIntegrationandAutomationControlofIntelligentEquipmentinTobaccoProductionLines

LUYuwenSANJinhuiWANGDeYUBoYANGTianhou

TrainingCenterofChinaTobaccoYunnanIndustrialCo.,Ltd.,KunmingCity,YunnanProvince,650224China

Abstract:Basedontheapplicationfoundationofadvancedtechnology,thispaperanalyzestheintelligentrequirementscurrentlyfacedbytobaccoproductionlinesandclearlypointsoutthenecessityofintegratingintelligentdevicesintobaccoproductionlines.Onthisbasis,atobaccoproductionequipmentmanagementsystemarchitectureisconstructed,andthekeytechnologiesforintelligentdeviceintegrationintobaccoproductionlinesareelaborated,specificallyinvolvingtheapplicationofinformationcollection,equipmentinspectionmanagement,high-speed automationmachinerytechnology,etc.Atthesametime,itdesignsautomatedcontrolbusinessmodules,coveringmultiplemodulessuchasrawmaterialprocessinganddistribution,tobaccoprocessingandcutting,andsilkdrying,allofwhichareachievingintelligentmanagementoftheentiretobaccoproductionline.

KeyWords:Intelligentdeviceintegration;Automationcontrol;Tobaccoproductionline;Productionequipment

随着工业4.0的到来,烟草制造业亦面临着转型升级的迫切需求。但由于烟草生产线较为复杂,且对最终产品质量有着极高的要求,这就导致烟草生产线设备集成及智能改造过程充满挑战。近年来,基于烟草生产线智能设备集成与自动化控制研究已取得初步进展,但尚存在诸如系统集成度不高、智能化水平有限等一系列问题。本研究将深入探索更加高效稳定的智能设备集成方案及配套自动化控制系统,以期推动烟草生产线智能化进程。

1智能设备在烟草生产线的应用

1.1烟草生产线智能化需求

当前烟草产业中,为适应市场需求多样化及生产流程复杂性,智能化改造变得尤为重要,具体需求如表1所示。

1.2烟草生产线智能设备集成需求

目前烟草生产线智能化已然不仅仅是添加简单的智能化设备,而是一项系统性工程,需全面考虑设备间协同运作及整体优化,详细需求如表2所示。

2面向生产线的智能设备管理集成方案设计

2.1面向烟草行业的生产设备管理系统架构设计

针对烟草行业生产设备管理系统架构设计时,必须充分考虑烟草生产过程复杂性。该系统设计目标是提升生产效率、降低运维成本,确保系统可靠性、易用性。烟草生产涉及制丝、卷切包两个主要过程,分别对应流水线和离散型加工方式。这就要求烟草生产线智能设备管理系统具备基本生产管理功能,还应满足混合生产线特定需求。该系统核心是基于生产设备的状态监控与信息采集分析,实现对生产设备全生命周期的管理[1]。

为满足这些要求,面向烟草生产线的智能设备管理系统具体涉及如下主要功能模块:生产设备状态信息采集、生产设备状态监控、点检管理、生产设备备件管理等。系统的框架设计如下图1所示,该图展示了各功能模块布局及其相互关系。

2.2烟草生产线中智能设备关键技术研究

2.2.1生产设备信息采集

生产设备信息采集是智能化管理的基础,其关键在于精确捕获生产线上各类设备实时数据。烟草生产线在智能设备管理方面,涉及多种传感器及数据采集技术的应用,如温度传感器、振动传感器、速度编码器等,广泛用于监测设备运行状态[2]。具体应用中,在烟丝烘干阶段,通过安装温湿度传感器可实时监测烘干环境的湿度、温度。假设烘干过程要求控制温度在(60±5)℃,湿度在40%~60%之间。传感器将数据实时反馈给中央控制系统,系统通过调节热风阀门开度和风速,确保烘干环境稳定。采用公式计算预测设备维护时间,如使用威布尔模型进行故障率分析:

2.2.2生产设备检查管理

生产设备检查管理能够确保烟草生产线顺畅运行,该过程涉及设备定期维护、故障诊断。利用智能化技术可大幅度提高检查的效率、准确性,例如:借助声学监测技术可有效识别烟草制丝机中异常声音,以有效识别生产设备轴承或其他关键部件磨损故障等不良运行情况[3]。具体实施时可使用声级计和频谱分析器捕捉机械在运行时发出的声音,假设正常情况下制丝机声音频率主要在20Hz~20kHz之间,而异常声音可能在特定频率上有显著提升。通过设置阈值如在100~500Hz范围内声音压力级超过85dB,系统即判定为异常状态并自动报警。计算公式可以应用信号的傅里叶变换来分析声音的频谱:

2.2.3高速自动化机械技术

高速自动化机械技术的关键在于提高机器运行速度的同时保持高精度及稳定性。例如:在烟卷包装过程中可尝试应用高速自动化机械臂进行烟盒快速搬运定位,使用配备伺服电机、精密传感器的自动化机械臂。假设机械臂运动速度需达到每分钟300次搬运,每次搬运精度需控制在±0.5mm内。通过编程控制伺服电机加速度、减速度,以更好地适应高速连续运动。另外,也可利用视觉系统对搬运过程进行实时监控,确保操作准确性。视觉系统可采用图像处理技术识别烟盒位置,并通过算法计算其与目标位置的偏差,调整机械臂运动轨迹[4]。

2.3智能设备自动化控制业务模块设计

2.3.1原料处理与配送模块

烟草生产线原料处理与配送模块中,智能设备管理集成及自动化控制技术应用至关重要。该模块主要涉及原料接收、存储、预处理和向生产线的准时配送,集成先进传感器、控制系统和机器视觉技术可实现原料处理配送的精准性。具体来说,原料处理与配送模块可采用自动化立体仓库系统存储烟叶原料,这一系统利用堆垛机器人和输送带系统,根据实时的生产需求自动将烟叶输送到指定的预处理区域。例如:在每一批烟叶上设置射频识别标签,以实时追踪烟叶品种、来源和质量。

预处理阶段则可应用机器视觉系统对烟叶进行自动分级和质量控制,假设烟叶在输送带上以每秒5片的速度通过检测区,视觉系统需要在这极短的时间内对每片烟叶进行图像采集、分析和质量分类,这要求系统具备高速度图像处理能力和复杂算法支持。

2.3.2烟叶加工与切割模块

烟叶加工切割模块涉及烟叶干燥、加香、切丝等过程,在这一模块中,烟叶干燥过程可通过温湿度传感器实时监控干燥环境,并借助自动调节热风循环系统和除湿设备确保烟叶干燥均匀,以尽可能地创设并保持最佳湿度、温度条件。例如设定干燥段的温度为60℃,湿度为55%,当传感器检测到环境参数偏离设定值时,自动调节系统会立即调整确保处理质量[5]。

在加香过程中采用精密液体注入系统及搅拌设备,确保烟叶能够均匀吸收香味。这一过程的自动控制系统可根据烟叶种类及目标产品特性合理地调整加香剂量和搅拌时间。切割环节则利用自动化机械技术,使用高速运转的切割机将烟叶切成指定宽度的烟丝,假设切割机的速度为每分钟500刀,要求切割精度达到±1mm,这就需要精确电机控制和刀具定位技术加以保证。

2.3.3制丝与烘丝工序

在烟草生产线中,智能化制丝与烘丝工序设计对提升生产效率、产品质量至关重要。本设计方案遵循“集中管理、综合监控、分段控制”原则,构建了灵活配置、易于组态多级计算机网络系统。这一系统架构被分为3个层次:集中监控层、设备控制层、设备层。这些层次在功能上保持独立,在组织结构上则紧密相连,确保制丝、烘丝生产过程高效稳定。

设备控制层的中央处理器扮演着信息传递的核心角色,负责向集中监控层报告现场设备的状态、生产数据、工艺参数等信息,并接收来自监控层的计划调度信息、配方数据及其他控制命令。这一层直接控制生产线上的设备层,确保生产任务能够顺利完成。

集中监控层的计算机系统连接生产管理层计算机,获取生产计划和物料调度信息,同时采集现场设备状态与生产数据,并进行归档上报。系统采用人机界面加PLC结构模式,提高操作直观性和控制精确性。梗处理段和梗丝处理段通过PLC采集执行机构信息,处理后输出至显示屏或执行机构,协调两者工作,有效防止物料堆积,故障排除后迅速恢复生产。

3结语

就本研究而言,深度剖析了智能设备于烟草生产线中集成与自动化控制应用,这于一定程度上突出了智能化需求和设备集成管理的重要性。设计适应烟草行业生产设备管理系统架构,并研究生产设备信息采集、检查管理、高速自动化机械等关键技术,很大程度上可优化原料处理、烟叶加工、制丝烘干等业务模块,以此充分借助智能设备管理集成系统显著提升生产效率、降低故障率。

参考文献

[1] 李梦京.常德烟草机械公司设备精益管理优化研究[D].长沙:湖南大学,2022.

[2] 邓瑞君,常晟,赵欣斐,等.烟草行业中细支卷烟表观燃烧性能检测设备优化研究[J].中国设备工程,2022(18):16-18.

[3] 吴东,杨光露,魏新峰,等.人工智能在线监测技术在烟草机械故障诊断中的应用[J].机械制造,2020(11):85-87.

[4] 李丽霞.烟草恒温恒湿实验室用无线环境检测设备的研究[J].计量与测试技术,2020,47(1):39-41.

[5] 代宽.烟机设备零备件寿命周期管理分析[J].内燃机与配错件,2021(7):178-179.