基于PLC 的煙草加香系統(tǒng)的改造設(shè)計

汪 平，劉智平，何 禪，楊遵偉，姜黎明

（四川中煙工業(yè)有限責任公司什邡卷煙廠，四川什邡 618400）

0 引言

隨著“中式卷煙香精香料核心技術(shù)研究”的成熟和推廣[1]，以及2016 版《卷煙工藝規(guī)范》的執(zhí)行，工廠對加香設(shè)備的性能、技術(shù)要點和質(zhì)量要求提出更高要求，特別新增瞬時加香比例的變異系數(shù)不大于0.5%的要求[2]。當前加香系統(tǒng)存在缺陷，已不能滿足生產(chǎn)要求，嚴重影響卷煙產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的提升。因而，加香系統(tǒng)的改造設(shè)計對提高卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量和市場競爭力具有重要意義[3]。

1 存在的問題

工廠的加香系統(tǒng)由2012 年投入使用，生產(chǎn)現(xiàn)場施加的香精由香料廚房根據(jù)生產(chǎn)牌號自動發(fā)送到現(xiàn)場加香點，當現(xiàn)場儲存罐的液位檢測開關(guān)檢測到香精滿罐后，自動停止送香；加香控制系統(tǒng)根據(jù)煙絲流量信號，自動跟蹤施加香精；每批次煙生產(chǎn)結(jié)束以后，香料廚房自動回收香精、清洗以及噴吹清潔管路。隨著使用的深入，暴露出加香系統(tǒng)的局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）加香控制單元集成在車間香料廚房控制系統(tǒng)下，同現(xiàn)場其他加香、加料以及香料廚房配制控制單元共處同一控制系統(tǒng)中，當其中一個單元出現(xiàn)故障時，影響其他單元的正常生產(chǎn)[4]。

（2）加香現(xiàn)場使用的香精由香料廚房遠程送香到現(xiàn)場罐，因管道長，香精附著管道損耗為1.5 kg/批次。

（3）香精施加PID 控制程序采用以設(shè)定加香比例與流量計和電子秤累計量的比值作比較的單閉環(huán)控制，造成瞬時加香比例的變異系數(shù)達到0.7%。

（4）儲存罐只有液位檢測，不能準確反映罐中香精重量。

綜上所述，為了解決存在的問題，對加香系統(tǒng)進行改造設(shè)計。

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）設(shè)計獨立于香料廚房的加香系統(tǒng)，實現(xiàn)加香系統(tǒng)本地監(jiān)控。

（2）采用三維軟件進行管路系統(tǒng)仿真設(shè)計，并根據(jù)香精施加的流量要求，對管路、閥門、流量計、泵等參數(shù)進行科學計算和配置，減少香精損耗，保證加香系統(tǒng)控制精度。

（3）采用先進的控制方法，提高加香系統(tǒng)控制精度。

（4）設(shè)計儲存罐計量功能，滿足計量精度要求。

2.2 流程設(shè)計

通過對加香工序進行調(diào)查，總結(jié)出加香系統(tǒng)的生產(chǎn)流程：

（1）工作人員把香精移動罐接入現(xiàn)場加香系統(tǒng)的氣動泵接口裝置，將香精抽吸入現(xiàn)場罐。氣動泵抽香完成后，把吸香管路和氣動泵內(nèi)殘余的香精用壓縮空氣吹掃入現(xiàn)場罐內(nèi)；接著氣動泵抽吸水對吸料管路和自身清洗；最后，利用壓縮空氣把氣動泵和管路中的水吹完[5]。

（2）生產(chǎn)前對香精施加管路完成預(yù)填充，當電子秤的煙絲流量信號到達加香控制系統(tǒng)，加香系統(tǒng)開始施加香精；當生產(chǎn)結(jié)束時，用壓縮空氣將加香管路中的余香回收至儲存罐內(nèi)，一定時間后對管路注入自來水，接著利用壓縮空氣把管路清吹干凈。

（3）工作人員把余香從儲香罐放料口放出，完成對儲香罐內(nèi)壁的清潔和排污。

按照加香系統(tǒng)的工作流程順序以及設(shè)計原則，設(shè)計出工藝流程圖。

3 方案實現(xiàn)

3.1 管路部分

為實現(xiàn)加香系統(tǒng)工藝任務(wù)，對儲存罐、閥門、管路等進行合理配置和規(guī)范安裝，減少香精損耗，保證加香精度和罐體計量精度。

3.1.1 儲存罐

香精通過移動罐運送到生產(chǎn)現(xiàn)場，需要添加入儲存罐。工廠生產(chǎn)一批次卷煙需要的香精為60 kg，為適應(yīng)工藝參數(shù)變化，選擇容積為120 L 的罐體。儲存罐需具備的接口：帶蓋的罐、攪拌電機接口、清洗接口、回收接口、吸香接口、放香接口和稱重裝置接口。

3.1.2 球閥

加香管路中管路開閉控制通過氣動球閥來執(zhí)行。依據(jù)工藝參數(shù)，選擇DN15 兩通和三通球閥來滿足管路控制需要。

3.1.3 管路

根據(jù)工藝參數(shù)，選擇DN15 食品級不銹鋼管實施加香系統(tǒng)管路的連接。采用“彎管”工藝，避免使用彎頭，使管路一次成型，焊縫數(shù)量少，減少香精殘留；為保證罐體稱重精度，與罐體連接的管路采用軟連接和水平安裝[6]。

3.2 控制部分

加香控制單元由集中監(jiān)控改變?yōu)楸镜乇O(jiān)控，加香系統(tǒng)配置西門子CPU 1513-1 控制器，實現(xiàn)設(shè)備組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)搭建和控制程序設(shè)計。運用西門子TIA Portal V14 項目管理軟件[8]，完成軟件設(shè)計工作。

3.2.1 電氣元件組態(tài)

把加香控制系統(tǒng)中HMI、變頻器、閥島、質(zhì)量流量計和I/O子站箱等組態(tài)到控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)采用PROFINET 和PROFIBUS-DP 兩種網(wǎng)絡(luò)形式。

3.2.2 程序設(shè)計

根據(jù)加香系統(tǒng)的工藝任務(wù)，程序主要分為3 個部分：生產(chǎn)準備、加香控制和回收香精及清洗管路。

（1）生產(chǎn)準備。實現(xiàn)把移動罐的香精抽吸入現(xiàn)場儲存罐內(nèi)，并對抽吸管路進行沖洗和清吹；實現(xiàn)罐體稱重功能和攪拌功能。

（2）加香控制。對管路進行充分的預(yù)填充后，當煙絲流量信號到達加香控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)開始對煙絲施加香精。其工作流程為：系統(tǒng)根據(jù)中控發(fā)送的施加比例，在接收到電子秤煙絲流量信號并經(jīng)堆棧延時后，控制系統(tǒng)將設(shè)定加香量（設(shè)定量＝加香比例×煙絲流量）與采集到的實際香精流量（質(zhì)量流量計檢測）相比較，通過PID 調(diào)節(jié)變頻電機頻率實現(xiàn)齒輪泵輸送流量的變化，實現(xiàn)香精的跟蹤施加；同時系統(tǒng)進行二次PID 調(diào)節(jié)，將香精累計量與煙絲累計量的比值同加香設(shè)定比例進行比較，實現(xiàn)誤差自動調(diào)節(jié)[5]（圖1）。

（3）回收清洗。生產(chǎn)完成以后，利用壓縮空氣的推動將停留在管路中的香精回收入儲存罐中，然后用自來水對管路進行清洗，再次使用壓縮空氣將水吹凈。

圖1 加香控制系統(tǒng)雙閉環(huán)PID 調(diào)節(jié)示意

3.2.3 監(jiān)控畫面

根據(jù)操作流程和監(jiān)控需求設(shè)計出監(jiān)控操作界面（圖2），滿足加香系統(tǒng)操作和維護需要。

圖2 加香控制系統(tǒng)監(jiān)控主畫面

4 改造效果

通過對加香系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了加香工序的本地加香，提高了加香系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)能力；香精每批次損耗由1.5 kg 降低到0.2 kg；瞬時加香比例變異系數(shù)0.7%降低到0.2%；儲存罐計量精度達到了0.4%。這些指標的實現(xiàn)，為提高和保持卷煙品牌的感觀質(zhì)量提供了保障。