【正文】 1 第一章 緒論 課題研究目的和意義 煙葉烘烤 過程 就是要將煙草在全部種植生產(chǎn)過程優(yōu)良充分顯露發(fā)揮出來 ,煙葉是否能讓廣大消費者滿意才是煙葉最后是否是好的煙葉的標準。而在生產(chǎn)煙葉過程中，科學的烘烤調(diào)制是生產(chǎn)好煙葉的基礎(chǔ)。科學的烘烤調(diào)制是一個 比較完善的技術(shù) 系統(tǒng) ，包括 在適當?shù)臅r候及時 采收 煙葉、 正確無誤 進行 烘烤工藝和 建 造 標準 烤房等 多方面 的實施 。 煙葉生產(chǎn)決定質(zhì)量的關(guān)鍵在于煙葉烘烤 ，因此 社會上 煙葉烘烤過程也受到了越來越多的重視，傳統(tǒng)的煙葉烘烤是 靠工人長時間的的看守 ， ，如 利用溫度計，干濕球 等 也顯露出 了 越來越多的弊端，煙 葉烘烤過程中加熱的能源 例如煤炭燃燒過后也會產(chǎn)生更多對空氣有害的氣體，給環(huán)境帶來污染。 能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下，綜合考慮， 新的烘干和加熱設(shè)備的 開發(fā) 和研究是非常必要的 ， 不僅保證了煙葉 的 清潔生產(chǎn)， 確保煙草的味道和 質(zhì)量， 還遵循國家新提倡的節(jié)能減排的原則。 開發(fā)新型烘烤設(shè)備是烘烤煙葉技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢，新主要體現(xiàn)在利用電子設(shè)備 可以 精準的自動控制溫度濕度，減少 了 人工干預，省工，省時，也能干凈 、安全 的生產(chǎn)煙葉。溫度 和 濕度 在 工業(yè)生產(chǎn)中 是比較重要的物理參數(shù)，準確 地測量和有效控制 的 溫度濕度才能 產(chǎn) 生 出 產(chǎn)品是高質(zhì)量 、高產(chǎn) 量 、低耗和安全生產(chǎn)的 。 單片機作為 煙葉烘烤溫濕度測控 體系 選 用 的 控制器 ,自動調(diào)整和遠程監(jiān)控 采用 PID 控制技術(shù)控制 各 種 烘烤參數(shù)執(zhí)行機構(gòu) 的 實現(xiàn)， 以 達到 使 烘烤質(zhì)量 提高 和減弱 勞動強度的目 標 ， 確保 烤房內(nèi) 的參數(shù) 嚴格 依 照設(shè)定的 溫濕度曲線 變化 ,從而提高烤房內(nèi)溫濕度控制精度及燒烤煙質(zhì)量。 有很短的時間達到設(shè)定的溫度和濕度，反應(yīng)靈敏， 抗干擾能力強等優(yōu)勢 。 新型煙葉烘烤設(shè)備是發(fā)展專業(yè)化烘烤，建設(shè)現(xiàn)代化煙葉烘烤的不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。和以往的老舊的煙草烘烤技術(shù)相比，現(xiàn)代烘烤技術(shù)的勞動強度和技術(shù)難度都變小，也會生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的煙草， 并且 更 會令消費者滿意，令領(lǐng)導者縮小開支，令工人減輕負擔。 同時，利用清潔能源，將生物能、太陽能等應(yīng)用于煙葉烘烤，能夠達到節(jié)能降耗的效果。 所以建設(shè)新型烘烤 設(shè)備發(fā)展現(xiàn)代煙葉烘烤已經(jīng)是非常必要以及非常重要的。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究的現(xiàn)狀 2 2020 年是煙葉烘烤行業(yè)發(fā)展過程中非常關(guān)鍵的一年，首先，我國近期 連 續(xù)出臺了許多影響 煙草 行業(yè)發(fā)展的新政策 與 新法規(guī)。轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，提倡嚴格的節(jié)能 降耗 對煙葉烘烤行業(yè)的發(fā)展都產(chǎn)生了深刻的影響，另外還有來自通貨膨脹、人民幣升值、人力資源成本上升等等因素的影響； 而且 ， 行 業(yè)的 競爭 ，完善的技術(shù)過程中的所有環(huán)節(jié)，出口市場逐步萎縮的銷售市場日趨復雜的問題，這 都將是決策者必須面對和需要被盡可能快地得到解決 的 。 近幾年， 在煙草局 發(fā)布了一些政策，在 政策指引下，各煙草公司、科研院所和一些企業(yè)都認識到 了 新型烘烤設(shè)備 的優(yōu)勢和發(fā)展 的前景 。密集烘烤 獲得了快速的 發(fā)展。 2020 年全國僅 僅 有 三 萬 四千 座密集烤房，承擔烘烤煙葉面積 *104hm2,到 2020 年 ，僅僅四年時間， 密集烤房已經(jīng)超過了 2020 年的十倍達到 四十多 萬座，承擔烘烤煙葉面積 大約 *104hm2,占全國 煙 葉 種植面積的 四分之一 以上。 目前，密集烘烤在 配置 和工藝上等 幾 方面已 贏 得重大突破和 翻 新，在節(jié)能、提質(zhì)、省工、減耗等方面 擁 有 鮮明明了的 技術(shù)優(yōu)勢。普通烘烤耗煤 元 /千克干煙，人工成本 元 /千克干煙，總成本是 元 /千克干煙。而專業(yè)化烘烤 只需 耗煤 元 /千克干煙，人工成本 元 /千克干煙 .總成本只有 元 /千克 干煙，相當于每千克干煙總成本減少了將近一元的成本。烘烤工藝 主要是利用 先進的專業(yè) 化 的設(shè)備， 使 技術(shù)的復雜性 明顯的 下降 ， 同時也使 煙葉烘烤的 危險性 降低 ，煙葉 總 體質(zhì) 量 也 有顯著提高 ， 從事 煙葉烘烤的 技術(shù)職員 不 再需要學習 大量的 專業(yè)的烘烤技 能 ，只通過簡 易的看守機器 ，控制 便 可實現(xiàn) 具有 高技術(shù) 并且新的 烘烤過程。 [1] 當前，國內(nèi)推廣應(yīng)用的烘烤煙葉發(fā)酵室嚴格能達到溫濕度自控、智能化控制的還很少 ,能夠確實依照煙葉的變化特征和烤房的自動控制特點， 烘烤 煙葉 的自動化和現(xiàn)代化的這個宏遠目標全部靠 利用清潔能源和自動 控制技術(shù)實現(xiàn) 還有一段距離 。 為更好地使烘烤煙葉技術(shù)自控化 今后應(yīng)從烘烤煙葉的烘烤特性入手 ,研究適合煙葉 發(fā)酵的溫度濕度，采集煙葉的更多的特性，形成最適合煙葉的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫 中的數(shù)據(jù)輸入到發(fā)酵室， 單片機 的自動控制 ， 采 用 PID 控制技術(shù) 來 控制執(zhí)行 機構(gòu) ,實現(xiàn) 對 各 發(fā)酵 參數(shù)遠程監(jiān)控 的自動調(diào)整 ， 智能決策烘烤時間溫度濕度，提高烘烤過程 控 制度和穩(wěn)定程度 ， 溫濕度自控 真正實現(xiàn)， 并 智能化決策。 國外研究的現(xiàn)狀 從有 煙草生產(chǎn) 開始 就有晾干的方 式 ，最古老的原始 晾 制方法是曬制， 然后慢慢 發(fā)展為陰干的晾制。 從國 外香煙 發(fā)展 的 歷史上 ，直到 第二十 世紀，煙草科學技術(shù)在煙葉 發(fā)酵、 烤 煙 等 方面 真 正 開始 迅速 發(fā)展。 將 近一個世紀 ， 通 過 許許多多 研究 煙草 的科研人員 的 艱苦奮斗 ， 如今， 煙 葉 科學技術(shù)已 經(jīng) 發(fā)展到 達 了一個新 高 度 ，也可以 說國 外的 煙 葉 烘烤發(fā)酵技術(shù) 算是 達到 很 完善健全 的階段 。 3 國外許多國家對煙 草烘烤有更先進的研究， 例如 巴西式烤房 算是在 中上等煙中好多方面都明顯優(yōu)于別的其他 類型烤房 的，特別對下部煙葉烘烤成效好，但造價高、耗煤量大 、烘烤成本 也比較 貴。 韓式煙葉烘烤爐，溫度濕度 的 控制 效果明顯，中部煙葉中 烤出上等煙比例高，煤的用量也還是最少 的，但是價格會昂貴。要進一步吸收國外 煙葉 烤房設(shè)計的優(yōu)勢，提高中 、下部煙葉烘烤過程，并且 促進。 近 二十 年來， 科學家們繼續(xù)完善現(xiàn)有的煙草生產(chǎn)和加工技術(shù)， 同時， 也做了很多的創(chuàng)新研究開 發(fā)和改進與 完善 。 從總體上看，國 際的 煙葉 烘 烤技術(shù)和設(shè)備已達到了 相當 成熟 的 階段并得到了 普遍 的 選 用，近 年來 ， 國際煙草界并 沒有因為技術(shù)達到成熟階段，就 停止 了進一步 的研究與開發(fā)工作， 深入的研究和開發(fā)工作 取得了 許多的 新成果， 完善了烘烤煙葉技術(shù) 和 烘烤 設(shè)備 ， 達到了一個新 的技術(shù) 水平。 我國煙葉科學 技術(shù) 研究距離 具有國際先進水平 的烘烤技術(shù)還有些差別 ，鑒于煙草確保我們的產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力 ， 我 國必須注重研究工作，并主要投資于技術(shù)，努力短期縮小和國際之間的差距，盡快提高 煙葉烘烤 技術(shù)水平和煙草行業(yè)的整體競爭力。 在本文中， 新型的 煙葉烘烤溫濕度控制 設(shè)備 ，將改變以往的那種 需要 操作人員，通過 查看 模擬顯示儀 溫 度 、濕度 的 顯示 和 閥門與風門狀態(tài) ，而對閥門 和 風門等執(zhí)行 設(shè)備需要 人 為地 操作來調(diào)節(jié) 發(fā)酵室內(nèi)的 溫、濕度的方法，原來的方法不僅烘烤發(fā)酵 效率低、勞動強度大，而且要嚴格達到煙葉 的 發(fā)酵過程 當 中所 規(guī)定 的參數(shù)值，保證煙葉的品質(zhì)是很困難的。 本文 針對煙葉發(fā)酵過程中溫、濕度變化的特點，該系統(tǒng)通過過程監(jiān)控、參數(shù)顯示與設(shè)定、聲光報警、報表輸出、歷史數(shù)據(jù)保存等功能實現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化。降低發(fā)酵成本，保證發(fā)酵質(zhì)量，對香煙質(zhì)量提高，起著重要作用。 由于發(fā)酵室 的 空間 大 ， 而且 煙包 堆放 多， 加濕 加溫裝置 在 發(fā)酵室的一側(cè)。所以是一個分布參數(shù)的大慣性滯后系統(tǒng)。 加熱蒸 汽的壓力和發(fā)酵室散熱條件的變化是隨機變化的，對系統(tǒng)形成隨機干擾。 煙葉發(fā)酵 的 溫濕度 測 控系統(tǒng)的主要參數(shù)： 該系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測量處理的溫度控制系統(tǒng)組成，并利用人機通道實現(xiàn)溫度的顯示。 設(shè)計要求：溫度范圍： 0℃ ~80℃ ，控制精度：升溫 177。2℃ ，恒溫 177。1℃ 相對濕度：濕度范圍： 20%~80%，控制精度：升溫 177。5%，恒溫 177。2% 升溫速率：溫度（ 0~80℃ ）時間（ 2~3 天） 4 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 卷煙生產(chǎn)的主要工藝生產(chǎn)過程 現(xiàn)代的卷煙產(chǎn)品的生產(chǎn)過程大致分為七個步驟，煙葉初烤，打葉復烤 ，煙葉發(fā)酵，卷煙配方，煙支制卷，卷煙包裝的工藝流程。經(jīng)過這些生產(chǎn)過程，才能轉(zhuǎn)到消費者手里。煙葉初烤、復烤后，沒有經(jīng)過一年以上儲存的煙葉統(tǒng)稱為新煙。新煙在品質(zhì)上距正常標準還有一段距離，會有刺激性大，煙氣粗糙，香味不能顯露等缺陷，有些還會唇線苦，辣，澀等缺點。因此新煙在卷制之前需經(jīng)過自然醇化或人工發(fā)酵的過程，使煙葉雜氣消除，香味顯現(xiàn)，刺激減弱。煙葉發(fā)酵分為自然發(fā)酵和人工發(fā)酵法。 人工發(fā)酵法是模擬自然發(fā)酵法的原理，是將未經(jīng)儲存的新煙放在有溫濕度控制系統(tǒng)的發(fā)酵室內(nèi)， 利用電子設(shè)備精準的自動控制溫度濕度 來使煙葉發(fā)酵 進程加快的方法 ，減少人工干預，省工，省時，干凈 、安全 的生產(chǎn)煙葉 ，在最短的時間改善原料品質(zhì)的效果。 根據(jù)工藝過程和設(shè)計要求，設(shè)計了兩個方案。 方案一： 圖 系統(tǒng)控制原理框圖方案一 方案一 所設(shè)計的 發(fā)酵室溫濕度 控制主要由單片機、溫 、濕 度檢測及變送模塊、溫 、濕 度控制模塊、顯示模塊、 鍵盤電路 模塊、報警模塊等五部分組成。溫度檢測電路 運 用了溫度傳感器 采樣 ，對溫度進行實時采樣并 立即 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 傳輸 給單片機。 濕度檢測 電路原理相同。 系統(tǒng)可通過鍵盤對 煙葉發(fā)酵室 溫濕 度進行預設(shè)，單片機根據(jù)當前 室 內(nèi)監(jiān)測和處理后的溫度和預設(shè)溫度進行比較結(jié)顯示電路 報警電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 555 振蕩電路 溫度檢測電路 濕度檢測電路 溫度控制電路 濕度控制電路 加熱爐 濕度控制器 單 片 機 5 果，并由此控制 電路 來調(diào)節(jié) 加熱爐和加濕器 ，當 室 內(nèi)溫度 與要求溫度不符 時，蜂鳴器將進行報警，從而使 室 內(nèi)溫 濕 度迅速達到預設(shè)值并保持恒定。 該 系統(tǒng) 由 顯示電路顯示當前溫度， 不僅可以容易理解 ， 還能 一目了然。 方案二： 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制圖方案二 方案二 所設(shè)計的 發(fā)酵室溫濕度 控制主要由單片機、 溫濕度數(shù)字式傳感器 、溫 、濕 度控制模塊、顯示模塊 、 報警模塊 等 幾 部分組成。其中溫 濕 度檢測 由數(shù)字式傳感器傳輸數(shù)字信號到單片機。選擇數(shù)字式傳感器可以直接傳輸數(shù)字信號給單片機，減少了 A/D 轉(zhuǎn)換的過程，簡化了電路，在硬件方面，使電路簡潔。 方案一與方案二相比較，兩種方案的方案一中硬件方面比方案二復雜，方案一中運用了兩個模擬傳感器，并且需要增加一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，方案二中運用了一個數(shù)字式傳感器就代替了三個原件，但是方案二中運用的溫濕度的數(shù)字式傳感器價格昂貴，而且二者在實現(xiàn)傳輸功能中的效果是一樣的，因此，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求與性價比綜合考慮，本設(shè)計選擇方案一。 計 系統(tǒng)控制器的選擇 單片機不只是能實現(xiàn)簡單邏輯功能的芯片 ,而是把完整一個計算機系統(tǒng)集成到這一個小小芯片上。它也是嵌入式控制系統(tǒng)的重要組成部分，就等同于一個微型的計算機，與計算機相比，單片機只缺乏 I/O 配置。一塊芯片就相當于一臺計算機。單片機的特點有集成度高，通用性好，功能大，特別是體積小，重量輕，耗能低，價格便宜生產(chǎn)成本低，可靠性能高，易于嵌入，抗干擾能力強而且使用顯示電路 報警電路 溫、濕度數(shù)字傳感器 溫度控制電路 濕度控制電路 加熱爐 濕度控制器 單 片 機 6 方便，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。而且控制功能比較強大，可以通過芯片進行擴展，幾乎可以完成所有的現(xiàn)場控制功能。在要求較小或成 本要求較低的控制系統(tǒng)中，單片機應(yīng)當首選。 PLC 比單片機“大”，即“體積大”、“功能完善”。但實際上， PLC 里面用的單片機芯片大多都是工業(yè)級的，并且其余組成元件也都經(jīng)過了標準化處理，因此 PLC的穩(wěn)定性和抗干擾性都比普通的民用級單片機芯片好許多。正因為 PLC在各種方面比單片機“大”，是以價格昂貴。同樣的任務(wù)可以用單片機與 PL 來能完成，顯然來說采用 PLC 方案就會增添許多控制系統(tǒng)的成本。 PLC 體積大有時也會使 PLC 的應(yīng)用受到限制。 工控機即工業(yè)控制計算機， 是一種 選 用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn) 加工 及機電設(shè)備、檢測 工 藝裝 備與控制的工具 的 總稱。 簡單易懂的說，是特地為了工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機，它的機箱是鋼制造，有防震設(shè)計，連續(xù)工作時間長，機箱里面有