烘丝工序物料含水率过程控制评价方法研究

烘丝工序物料含水率过程控制评价方法研究STATISTICSANDAPPLICATION统计学与应用,2016,52,89128文章引用羊一涛,周元桢,李杰,袁存波,袁鹏烘丝工序物料含水率过程控制评价方法研究J统计学与应用,2016,5289128/DXDOIORG/1012677/SA201652011RESEARCHONASSESSMENTFORMOISTURECONTENTINOUTPUTCONTROLDURINGCUTTOBACCODRYINGPROCESSYITAOYANG1,YUANZHENZHOU1,JIELI1,CUNBOYUAN1,PENGYUAN21HONGHECIGARETTEFACTORY,HONGYUNHONGHEGROUP,HONGHEYUNNAN2SCHOOLOFSTATISTICSANDMATHEMATICS,YUNNANUNIVERSITYOFFINANCEANDECONOMICS,KUNMINGYUNNANRECEIVEDJUN1ST,2016ACCEPTEDJUN19TH,2016PUBLISHEDJUN24TH,2016COPYRIGHT2016BYAUTHORSANDHANSPUBLISHERSINCTHISWORKISLICENSEDUNDERTHECREATIVECOMMONSATTRIBUTIONINTERNATIONALLICENSECCBYABSTRACTACCORDINGTOANALYSISTHEDISTRIBUTIONMAPOFONLINEDATAACQUISITIONFORTHEDRYINGPROCEDURE,ITCOULDBEDIVIDEDINTO3STAGESFORRESEARCHINGFORTHEINITIALANDENDSTAGES,THEMETHODSOFCURVEFITTINGANDFIGUREACREAGEBUILDINGCOULDBEUSEDWHILEPROCESSCAPABILITYINDEXWILLBEUSEDINTHEMIDSTAGEFINALLY,EACHSTAGEWILLBEGIVENAWEIGHTANDGETATOTALSCOREWHICHCOULDBEUSEDTOSTATEACOMPREHENSIVEEVALUATIONFORTHEMOISTURECONTROLLINGSTATUSOFDRYINGPROCEDUREATDISCHARGESIDETHROUGHTHEMODELVALIDATION,THERESULTSOFTHISEFFICIENCYCOEFFICIENTMETHODAREHIGHRELATIVETOTHESTABILITY,ACCURACYANDTHEAMOUNTOFOVERDRIEDTOBACCOOFTHETOBACCODISCHARGINGPROCESSTHESCOREOFEFFICIENCYCOEFFICIENTFORTHECONTROLLINGRESULTSOFDRYINGPROCEDURECOULDBEUSEDTOREPLACETHEAMOUNTOFOVERDRIEDTOBACCOANDTHEWAVEOFPROCESSCURVEINDEED,FORPRACTICALAPPLICATIONS,LESSDATAEVALUATIONANDHUMANRESOURCEFORDETECTIONWILLBEINVOLVEDBYUSINGTHISMETHODITWILLCREATEADVANTAGEQUALIFICATIONFORREALIZINGAUTOMATICVALUATIONKEYWORDSMOISTURECONTENTINOUTPUTTOBACCO,MANUFACTURINGEXECUTIONSYSTEM,SUBSECTIONPROCESS,CURVEFITTING,FIGUREACREAGECONSTRUCTION,PROCESSCAPABILITYINDEX,WEIGHTALLOCATION,EFFICIENCYCOEFFICIENTMETHOD通讯作者。羊一涛等90烘丝工序物料含水率过程控制评价方法研究羊一涛1，周元桢1，李杰1，袁存波1，袁鹏21红云红河烟草集团有限责任公司红河卷烟厂，云南红河2云南财经大学统计与数学学院，云南昆明收稿日期2016年6月1日；录用日期2016年6月19日；发布日期2016年6月24日摘要通过对烘丝工序出料含水率在线数据采集分布图进行分析，将整个烘丝过程分成起始、中间和结束三段分别进行研究，对起始和结束段采用曲线拟合和图形面积构筑的方法进行评价，对中间段采用过程能力指数值进行评价，最后对各段赋予权重，采用功效系数法形成总得分，从而对烘丝工序出口水分控制情况进行综合评价。通过模型验证，该功效系数得分模型结果和出料过程水分稳定性、准确性、干头干尾量高度关联，可以使用功效系数得分评价烘丝过程控制效果，代替干头干尾量和过程曲线波动大小的评价。实际应用可以起到减少评价数据量，减少检测过程人力投入，为实现自动评价创造条件。关键词烘丝含水率，在线数据采集系统，分段处理，曲线拟合，图形面积构筑，过程能力指数，权重分配，功效系数法1引言烘丝烟丝干燥是指利用高温降低烟丝含水率，改善和提高烟丝的感官质量，以满足后工序的加工要求1。作为制丝生产线的核心工序，其直接影响着成品烟丝的品质。而作为主要加工指标的含水率2以下简称水分更是这个工序之所以存在的根本。就目前评价某一批物料烘丝工序水分加工情况好坏的方法来说，主要通过评价干头烟丝量、干尾烟丝量和正常烟丝水分的波动稳定性三个指标来进行判断。若是干头干尾量较少，过程水分波动趋于平稳，那就说明该批次物料加工效果较好。但就这种评价方式来看，要知道干头和干尾烟丝的量必须要人工的介入进行称重测量，这种方式无疑存在操作繁琐、工作量大以及受人的主观臆断性影响等弊端。所以为了能更加客观、科学地评价烘丝过程水分控制的好坏，规避以上问题，充分利用现在MES的在线数据采集系统，以烘丝水分采集值的分布图为分析对象，通过对采集系统录入相应算法，使之能自动、准确和快速地对整个批次控制效果做出评价。2材料与方法21材料与设备KLK4薄板烘丝机德国HAUNI公司；SH627薄板烘丝机昆明船舶设备集团有限公司；红河卷烟厂制造执行系统长沙艾特公司；红河卷烟厂2015年3月制丝生产线主要牌号HCACS,HCBCS,RH,JD烘丝工序出口含水率批次在线采集数据、采集频率为6S/次。具体批次数及数据图形如表1和图14所示。羊一涛等91TABLE1SUMMARYTABLEOFBATCHDATA表1批次数据汇总表牌号批次数HCACS20HCBCS12RH21JD21羊一涛等92FIGURE1DISTRIBUTIONCURVEOFCUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCACS图1牌号HCACS各批次烘丝水分值采集分布图羊一涛等93FIGURE2DISTRIBUTIONCURVEOFCUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCBCS图2牌号HCBCS各批次烘丝水分值采集分布图羊一涛等94羊一涛等95FIGURE3DISTRIBUTIONCURVEOFCUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADERH图3牌号RH各批次烘丝水分值采集分布图羊一涛等96羊一涛等97FIGURE4DISTRIBUTIONCURVEOFCUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEJD图4牌号JD各批次烘丝水分值采集分布图22方法221样本分析从图14可以看出，过程采集值分布图形状近似一个倒“U”形，通过统计分析，对于一批烟丝的烘丝水分采集值分布图，它的“U”形折点大概会出现在前后第50个数据采集点上，因此把这个点作为后续分段分析的临界点来使用。若某一批烟丝烘丝水分的采集值折点出现在小于正序和负序的第50个点时则说明这批烟丝水分控制较好，因为其水分进入标准范围迅速或降出标准范围缓慢，反之亦然。222图形分段根据整个烘丝水分采集点分布趋势结合现有该指标的评价方法即对干头干尾以及中间过程稳定性羊一涛等98的评价，将分布图左边第一个采集点到正序临界点这一整个部分划分来作为起始段对应干头，将分布图最后一个采集点到逆序临界点这一整个部分划分来作为结束段对应干尾，剩余的部分作为中间段对应稳定状态部分。然后再分别针对这些分段独立进行分析，尝试分析图形与图形对应部分是否有联系。223起始段水分量化方法观察采集数据图形，发现仅从图形上来看形状大同小异，并不能进行好坏的区分。考虑到当起始段中第一个到达标准下限的点的序号越靠前也能说明起始段控制的越好，或许可以用点的序号来进行判定。但实际上很多时候都存在序号相同而难以判定的情况，因此需要寻找其他更精确的方法来进行判别。根据红河卷烟厂相关技术标准规定烘丝出口含水率达标范围为125,145，中心值为135。根据该标准，在分布图中添加两条基准线辅助分析以牌号HCACS其中某一批起始段为例，如图5所示。考虑到两点之间距离最短，连接0,0和50,125两个点得到第一条基准线Y025X，该线表示理想情况下水分值从0到达标范围所用时间最短的情况3。而水分值范围的下限为125，所以以Y125作为另外一条基准线，该线表示出只要分布点处于该线上方则已进入达标范围的下限。然后将各个分布点简单连接形成一条近似曲线的“曲线”。从图5观察来看，若是水分值上升越快，则两条基准线与采集点连成的曲线所围成的区域面积就越大，反之则越小。所以，在此可以通过该面积S若面积处于Y025X以下则面积为负来间接反映起始段水分控制的好坏。因此要求此面积S，首先，要拟合出采集点连成曲线的方程，从而利用求定积分的方法求出面积S，根据相关数学原理4得S050025DFXXXS，其中FX为拟合出的数采点曲线方程。采用MATLAB软件中曲线拟合5工具，调整参数，找到最适宜于数据的曲线方程以图5图形为例，如图6所示。该拟合效果，R2达到了09991，RMSE均方根误差为01167比较小,说明拟合程度较好6，将该拟合曲线方程式带入积分公式中即可求得相应面积S。224中间段水分量化方法如图78选取的两个牌号中间段采集点分布图来看，图形总体形态上不存在相似性，而且波动大，所以在这里就不能延用起始段的分析方法，需要寻找另一种合适的方法来对该段进行评价分析。参考目前所用烘丝工序平稳段水分控制评价方法，即第一水分控制是否落在标准范围内，第二水分控制是否偏上限或下限是否靠近中心值，第三水分控制整个过程波动大小7。根据这些特征，可以考虑用过程能力指数下面简称CPK8来进行衡量。现将样本所有CPK值计算如图1215所示，用CPK来直接量化中间段水分控制效果，偏离越大、起伏越大的批次CPK越小，反之亦然。225结束段水分量化方法由于整个烘丝水分分布图形状为一个倒“U”形,而结束段也就是U形与起始段对称的另外一边，因此可以延用起始段的分析方法来进行分析，但是由于与起始段是呈对称关系，所以需对其中的细节进行一些调整。具体调整方法现以HCACS的某批次后50个烘丝水分值数据为例，如图9所示。两条基准线其中一条还是Y125，用来划分出水分达标的下限。另外一条为连接0,125和0,50所成的Y125025X，这一条基准线与起始段的基准线刚好对称。若是水分下降迅速，则围成面积就小，反之亦然。同样定义围成面积部分在Y125025X以下则为负值。然后用求定积分的方法计算相应面积S。226整体综合量化方法孤立物料加工过程的三个部分分别进行定量评价，在这里同时也产生了三个评价值分别对应目前评羊一涛等99FIGURE5THEFIRST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTANDTHEIRBASELINEOFABATCHFORGRADEHCACS图5HCACS某批前50个烘丝水分值及基准线FIGURE6THEFITTINGOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHEFIRST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTANDTHEIRBASELINEFORGRADEHCACS图6HCACS前50个烘丝水分值五次多项式拟合价方式中的干头干尾以及中间过程平稳性，从评价数量上来看并未发生变化，而且由于存在当对某两批加工物料水分过程控制进行评价时，其中一批可能起始段要好，但结束段不好，另一批可能又是中间段好而起始段不好，这将不好评判到底哪一批更好。因此关键就在于把三个评价值能整合成一个。考虑到评价值的整合，该整合数值就必须由划分出来的三段评价结果组成，因此对于三段进行权重分配，最后来综合计算就是首选的办法。然后再利用功效系数法9运用权重分配后对三段水分值功效系数得分进行加权，从而得到每个批次加权后的总功效系数得分。具体算法为首先假定某一批物料的第J段烘丝水分值表现情况的标准的区间为JLSL,JUSL，中心值为JC。其中，JLSL表示下限值，JUSL表示上限值。若第I批次在这一段烘丝水分值表现情况为IJX，那么通过功效系数法可计算出这个批次在这一段烘丝水分值的量化得分IJS。羊一涛等100FIGURE7CHANGETRENDCHARTOFMIDDLESEGMENTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFABATCHFORGRADEHCACS图7HCACS部分批次中间段烘丝水分值变化趋势图羊一涛等101FIGURE8CHANGETRENDCHARTOFMIDDLESEGMENTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFABATCHFORGRADEHCBCS图8HCBCS部分批次中间段烘丝水分值变化趋势图当JJJJCLSLUSLC时，计算公式如下14060,1,2,1,2,3IJJIJJJXCSINJUSLC1羊一涛等102FIGURE9THELAST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTANDTHEIRBASELINEOFABATCHFORGRADEHCACS图9HCACS某批后50个烘丝水分值及基准线当JJJJCLSLUSLC时，计算公式如下14060,1,2,1,2,314060,IJJIJJJJIJIJJIJJJJXCXCLSLCSINJXCXCUSLC2其中，100分为标准得分，60分是基本达标得分。由以上公式1和2可知，当批次的某一段水分值表现值IJX越靠近中心值JC时，该批次在这一段烘丝水分值的得分IJS就会越高。当JIJXC时，100IJS，表明第I批次在第J段烘丝水分值表现合乎标准。当IJJXLSL或IJJXUSL时，60IJS，表明第I批次在第J段烘丝水分值的表现情况基本达标。当IJX超出合格区间即IJJXUSL或者IJJXLSL时，60IJS，这表明第I批次在第J段烘丝水分值的表现情况不合格。因此，各批次烘丝水分值各段表现情况为合格的得分区间为60,100，不合格的得分区间为0,60。3结果与分析31起始段结果分析311结果计算与统计运用前面介绍的方法，将4个牌号起始段面积计算得到如图1013，同时统计相应面积S与对应图形第一个达到标准下限点的序号如表2。由表2可以看出，面积S和第一个达到标准点的序号存在负相关的关系，这也说明了面积S越大，水分值能越早达到标准范围，生产过程中产生的干头也越少，该批物料控制得也就越好。312数据验证为验证面积S是否真能代替干头的量，对上述4个牌号共计40批物料干头量进行了统计，同时与相羊一涛等103羊一涛等104FIGURE10THEFITTINGCHARTOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHEFIRST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCACS图10牌号HCACS各批次的前50个烘丝水分值五次多项式拟合图羊一涛等105FIGURE11THEFITTINGCHARTOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHEFIRST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCBCS图11牌号HCBCS各批次的前50个烘丝水分值五次多项式拟合图羊一涛等106羊一涛等107FIGURE12THEFITTINGCHARTOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHEFIRST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADERH图12牌号RH各批次的前50个烘丝水分值五次多项式拟合图羊一涛等108羊一涛等109FIGURE13THEFITTINGCHARTOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHEFIRST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEJD图13牌号JD各批次的前50个烘丝水分值五次多项式拟合图关S面积进行相关性分析10。根据以上表3分析结果，证明两者之间相关性高度关联，线性回归分析呈直线比例关系，可以认为能够使用面积S代替干头的烟丝量。32中间段结果分析通过对4个牌号中间段CPK值进行计算，结果如图1417所示。通过观察，波动大的CPK值就会越小，而许多图形看上去相似用肉眼无法辨别的，通过CPK值的量化，也能进行优劣的判别。33结束段结果分析331结果计算与统计通过运用方法部分介绍的方法对4个牌号批次进行计算如图1821所示，并统计相应面积与第一个降出标准范围点的逆序号如表4所示。从表4统计来看，面积S与水分值分布图降出标准范围第一个点的逆序号大小成负相关，因此说明面积越大，水分值不达标的点越少，从而表明干尾量也就越少，反之亦然。332数据验证为验证面积S是否真能代替干尾的量，对上述4个牌号共计40批物料干尾量进行了统计，同时与相关S面积进行相关性分析。羊一涛等110TABLE2BATCHAREAANDTHENUMBEROFTHEFIRSTPARAGRAPHTOREACHTHESTANDARDNUMBER表2批次面积与起始段第一个达到标准点序号HCACSHCBCSRHJD面积S序号面积S序号面积S序号面积S序号18947311731030224032519868251700332172133018339301900026186213118659291651934166533013829371817129169143416427311642334201932720555261542532204763271701835184003014321321570634174003221206261898127191892915715321958629181842815242352169624201252716070341474434204432518899291814430180943217151301699030186583127259191873928174163221045292269723157463315136261666430175443221319341823827200902719627262396021196622921055262022225176483118085251859631144983517864281506933173363018616282021526TABLE3THECORRELATIONCOEFFICIENTANALYSISTABLEOFTOBACCOANDDRYHEADMATERIALSAREAOFALLTHEGRADES表3各牌号干头烟丝量与头料S面积相关系数分析表HCACSHCBCSRHJD序号干头烟丝量头料S面积干头烟丝量头料S面积干头烟丝量头料S面积干头烟丝量头料S面积1108173111141852587194731091836321311739610818461931946110118317310517199781829011119559831821741381740895184371351964999182705125173227182699619482851824961151741394183661131962579182307116172419318426146197456718140812117315918354861946468181859113172248718353128196279418244101281742989183331021955611618322相关系数R208509093087羊一涛等111羊一涛等112FIGURE14EVALUATIONMAPOFMIDDLESEGMENTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCACS图14HCACS各批次的中间段烘丝水分值评价图羊一涛等113FIGURE15EVALUATIONMAPOFMIDDLESEGMENTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCBCS图15HCBCS各批次的中间段烘丝水分值评价图羊一涛等114羊一涛等115FIGURE16EVALUATIONMAPOFMIDDLESEGMENTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADERH图16RH各批次的中间段烘丝水分值评价图羊一涛等116羊一涛等117羊一涛等118FIGURE17EVALUATIONMAPOFMIDDLESEGMENTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEJD图17JD各批次的中间段烘丝水分值评价图羊一涛等119羊一涛等120FIGURE18THEEVALUATIONMAPOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHELAST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCACS图18牌号HCACS各批次的后50个烘丝水分值五次多项式评价图羊一涛等121FIGURE19THEEVALUATIONMAPOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHELAST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEHCBCS图19牌号HCBCS各批次的后50个烘丝水分值五次多项式评价图羊一涛等122羊一涛等123FIGURE20THEEVALUATIONMAPOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHELAST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADERH图20牌号RH各批次的后50个烘丝水分值五次多项式评价图羊一涛等124羊一涛等125FIGURE21THEEVALUATIONMAPOFFIFTHPOLYNOMIALFORTHELAST50CUTCIGARETTEMOISTURECONTENTOFEACHBATCHFORGRADEJD图21牌号JD各批次的后50个烘丝水分值五次多项式评价图根据以上表5分析结果，证明两者之间相关性高度关联，线性回归分析呈直线比例关系，可以认为能够使用面积S代替干尾的烟丝量。34整体结果统计和分析341权重划分从整一批物料的采集过程来看，起始段和结束段划分分别为前后50个点，而中间段占据了大头，采集点数量最少也在600个点左右，因此考虑将大部分权重划分给中间段。但对于起始段和结束段采集点都是一样的，为此来看前面评价方法所统计出来的相关数据，如表6。从表6中可以看出，起始段在几个不同牌号上面积的统计平均值都要大于结束段，这就说明起始段控制较结束段好，结束段就是控制的短板，更需要去关注，所以在权重分配上就应该把更高的权重分配给结束段。在此根据相关资料介绍方法，把起始段、中间段和结束段的权重定位005、080和01511。342结果计算与统计通过使用功效系数法，对HCACS、HCBCS、RH和JD四个牌号的相关采集批次进行计算并得出平均数，如表7所示。从表7可以看出，牌号JD的计算得分要高于其它几个牌号，说明该牌号的水分控制效果更好。4结论从试验分析结果来看起始段水分值分布通过拟合成曲线并与相关基准线构筑得出区域面积S与干头量高度相关，相关系数均达到08以上，可以用该面积S代替干头量来定量评价起始段的水分控制羊一涛等126TABLE4BATCHAREAANDFIRSTDOWNTHESTANDARDINVERSENUMBEROFTHEENDSEGMENT表4批次面积与结束段第一个降出标准点逆序号HCACSHCBCSRHJD面积S序号面积S序号面积S序号面积S序号11271348554361695031128183123771289073301821930131463211208351263836126233525273211496933118533214712341410931131883412718341678530206432520271291283133135213425788208198381625633167673010496351452532139552818139291405531120733523225271874628180142817967301517231218732420271301562430262292113094341652630245192115140321266031109563111602351431934124003113958301375430143492912344321264838224192511438331706929114813113052301643030115713110188321631630246682221970241805928好坏。中间段利用CPK值可以很好涵盖其需要达到数值合格和过程波动平稳的要求。结束段水分值分布通过拟合成曲线并与相关基准线构筑得出区域面积S与干尾量高度相关，相关系数均达到08以上，可以用该面积S代替干尾量来定量评价结束段的水分控制好坏。然后通过对该三段定量评价计算得出的结果进行权重分配，通过功效系数法综合计算得出整个过程评价结果，根据该结果能对批次水分控制好坏进行定量评价比较。羊一涛等127TABLE5THECORRELATIONCOEFFICIENTANALYSISTABLEOFTOBACCOANDDRYTAILMATERIALSAREAOFALLTHEGRADES表5各牌号干尾烟丝量与头料S面积相关系数分析表序号HCACSHCBCS软甲经典干尾烟丝量尾料S面积干尾烟丝量尾料S面积干尾烟丝量尾料S面积干尾烟丝量尾料S面积198141948813376611552813817941272141258313380671554991177943801415691133056315579118178424941415913113617134157181041783856914098913344131157531461796568314129102134119915640107178067115142169513449125156788217744810414183115135778615636951776599014152126136067415618136179231083141531051354610