煙草制絲線輔聯(lián)設(shè)備控制技術(shù)研究

黃俊彰，董 偉，朱皓晨，李維卿

（江蘇中煙徐州卷煙廠，江蘇徐州 221000）

0 引言

在煙草公司的領(lǐng)導(dǎo)下，在各部門和卷煙廠的大力支持下，在合作單位的共同努力下，在各公司“三大戰(zhàn)略”的指導(dǎo)下，我國將對煙草公司“十四五”規(guī)劃的相關(guān)要求進行標注和匯總，集中力量，大膽探索，克服困難，高效規(guī)范地推進我國在煙草制絲線輔聯(lián)設(shè)備控制技術(shù)項目建設(shè)前的工作。

1 完善調(diào)整車間內(nèi)部布局

從社會角度來看，煙草行業(yè)對中國來說是一個極其重要的行業(yè)，煙草生產(chǎn)和加工面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，在生產(chǎn)和加工過程中，各種生產(chǎn)過程產(chǎn)生的異味分子多達數(shù)千種，煙葉生產(chǎn)線、白肋煙加工生產(chǎn)線、莖稈生產(chǎn)線、切絲生產(chǎn)線、烘烤生產(chǎn)線、切絲生產(chǎn)線、擴絲生產(chǎn)線、混合調(diào)味生產(chǎn)線、儲物柜等卷煙生產(chǎn)中的制絲和包裝生產(chǎn)過程，可能會產(chǎn)生異味廢氣。加工的材料屬于高分子碳氫化合物，如糖、尼古丁、氮等，在卷煙生產(chǎn)過程中，當稀釋到人的氣管時，以其稀釋無味清潔氣體的量和異味氣體的比例來確定異味氣體的單位值。對現(xiàn)有煙草制絲線車間進行土建施工和公共設(shè)施改造，調(diào)整車間內(nèi)部布局，將真空水分回收室、預(yù)配柜、儲葉獨立分離，增加卷煙配方物流系統(tǒng)，升級生產(chǎn)管理、設(shè)備控制、公共安全、信息設(shè)施等智能控制和信息系統(tǒng)[1]。完善煙草制絲線車間給排水、采暖、氣壓、空調(diào)及消防、環(huán)保、勞動安全、職業(yè)衛(wèi)生等公共電力系統(tǒng)。

云煙草制絲線生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)，采用云計算、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造中國首條云煙草制絲線集控中心專線。煙草制絲線生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、除塵退潮控制系統(tǒng)實施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方案和云SCADA 部署模式。在干螺紋烘干機單臺設(shè)備上進行煙草制絲線cloud SCADA 案例測試，測試煙草制絲線數(shù)據(jù)采集的實時性、定時數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性及圖形組態(tài)工具的功能，達到煙草制絲線同類產(chǎn)品的技術(shù)要求。創(chuàng)新解決工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集標準統(tǒng)一、數(shù)據(jù)互聯(lián)、計算穩(wěn)定性、三維可視化、應(yīng)用模塊標準化、升級維護效率等痛點、難點、阻塞問題。智能照明工程，創(chuàng)新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能燈具不需使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)電纜連接，降低煙草制絲線施工成本，減少煙草制絲線運行維護，地面安裝方案在格柵層，不再使用傳統(tǒng)的架空懸掛安裝，破解操作維護困難、安全防護成本高的難題。工藝設(shè)計借鑒行業(yè)制絲專項整合成果，結(jié)合“天子專線”創(chuàng)新技術(shù)成果、中國煙草的特點和工藝流程的主要工藝設(shè)計，以及中國煙草制絲的創(chuàng)新技術(shù)，完成主要工序中關(guān)鍵主機設(shè)備的工藝及技術(shù)設(shè)計要求，如真空水分回收、進料上香、葉去雜、切絲干燥、葉絲選風(fēng)等。實驗驗證研究完成煙草制絲線現(xiàn)有煙草切片機右側(cè)塑料（C）的試驗和在生產(chǎn)中的應(yīng)用，首次完成煙草制絲線不同尺寸產(chǎn)品的切片實驗和二次空分參數(shù)、塑料的數(shù)據(jù)采集和分析，利用碎片分離和二次空氣分級對卷煙的各項指標進行煙草制絲線研究，創(chuàng)新提出煙草制絲線碎片分類、篩選、二次空氣分離、葉片結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的概念，建立煙草制絲線相應(yīng)的聯(lián)動數(shù)據(jù)支撐進行成型，升級后的線材專用線的篩選和選風(fēng)程序，以確保中型卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量和風(fēng)格穩(wěn)定。

2 引入新設(shè)備、新材料、新工藝全線投產(chǎn)

新設(shè)備主要選用進口新型除雜設(shè)備、旋轉(zhuǎn)式加熱加濕機（膨脹單元SIROX）、FT535B 煙草開箱設(shè)備。新材料主要選用開放式不銹鋼網(wǎng)橋、PE 帶、PE 刷絲。新技術(shù)主要采用三流節(jié)能真空水分回收技術(shù)、新型分體刷輥、新型帶料輸送設(shè)備隱形邊緣保護、開式冷凝水回收利用。新技術(shù)主要采用具有中支特點的技術(shù)，如葉片式控制單元和煙桿薄切技術(shù)[2]。完成對無移位舊設(shè)備的保護，拆除、搬遷和保護舊設(shè)備、拆除和轉(zhuǎn)移廢棄設(shè)備、民用和公共工程、裝飾天花板、層間軌道等。完成鋼桁架支承柱基礎(chǔ)、廢舊設(shè)備基坑、人孔回填處理等地基基礎(chǔ)工程。完成工藝設(shè)備安裝區(qū)地面涂料基礎(chǔ)的施工，以滿足鋼桁架安裝的要求。完成鋼桁架、鋼格柵、主網(wǎng)系統(tǒng)，不影響工藝設(shè)備的安裝調(diào)試，同時拆除舊的工藝設(shè)備保護設(shè)施。根據(jù)工藝設(shè)備的定位，完成工藝設(shè)備及其配套部件的安裝，完成給排水、供電、配電、除塵、排濕管網(wǎng)的安裝，全線投產(chǎn)，并完成工藝設(shè)備區(qū)地坪漆項目，卷煙廠煙草制絲線生產(chǎn)線投入試生產(chǎn)。

如圖1 所示，煙包先經(jīng)外形尺寸檢測合格和RFID 識別后才可入庫，在現(xiàn)代煙草制絲線生產(chǎn)線中，烘絲主要采用滾筒式干燥機和高溫氣流式干燥機兩種方式。前者利用轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁和排汽管，以導(dǎo)熱的方式對煙草進行加熱和干燥。后者使用加熱管將煙草和熱空氣反向或沿?zé)煵萘鲃臃较?，以對流方式加熱和干燥煙草。在生產(chǎn)中，這兩種方法各有優(yōu)缺點。該設(shè)備主要用于煙草絲葉的干燥，其工作原理是以含有一定量蒸汽的熱風(fēng)為干燥介質(zhì)，以轉(zhuǎn)鼓為干燥單元，在極低氧氣條件下，葉絲與熱風(fēng)均勻接觸對流傳熱，干燥膨脹，使最終含水率達到工藝要求。結(jié)合鼓式干燥和氣流干燥兩種干燥技術(shù)的優(yōu)點，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，烘烤后可獲得更高的填充值，有效保持煙草原有的香氣。與滾筒干燥設(shè)備相比，單盒煙葉消耗量減少0.5 kg，有效降低卷煙成本。通過調(diào)節(jié)和控制干燥時間和干燥溫度，可調(diào)節(jié)多種操作參數(shù)，以滿足不同原料的分組加工，具有更廣泛的適應(yīng)性，在一定程度上降低煙草制絲線設(shè)備維護成本和勞動強度。燃料、電與氣流干燥器相比，蒸汽等綜合能耗降低16%。該項目達到煙草制絲線預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟指標，為工業(yè)卷煙加工節(jié)約原材料成本、提高質(zhì)量。

圖1 煙包先經(jīng)外形尺寸檢測合格和RFID 識別后才可入庫

3 綜合選擇主控系統(tǒng)的稱重裝置

為盡可能節(jié)省煙草制絲線成本，可通過同一網(wǎng)關(guān)將多臺稱重設(shè)備連接在一起，并作為PROFINET 節(jié)點訪問主控制網(wǎng)絡(luò)，需要傳輸相對大量的數(shù)據(jù)。卷煙廠在早期階段使用羅克韋爾自動化公司的SLC500 作為主控系統(tǒng)的稱重裝置，在改擴建項目中，為煙草制絲線節(jié)約資金和保證原有投資，仍希望繼續(xù)使用這些設(shè)備，這就要求網(wǎng)關(guān)能夠支持早期SLC500 使用的以太網(wǎng)協(xié)議。由于稱重設(shè)備是一個獨立的子系統(tǒng)，設(shè)備在出廠前已完成初步調(diào)試和配置。EtherNet/IP 的網(wǎng)絡(luò)地址分配由OEM 制造商完成，這在某些情況下與主控系統(tǒng)PROFINET 的網(wǎng)段不同。如再次修改網(wǎng)絡(luò)配置方案，則要延長工期。最終用戶選擇煙草制絲線Beacon Lobal Technology 提供的BT-EN-PNA 網(wǎng)關(guān)來完成該項目。BT-EN-PNA 可同時用作多個以太網(wǎng)/IP 服務(wù)器（從），因此煙草制絲線可使用LOGIX 作為以太網(wǎng)/IP 主站與多個設(shè)備進行通信。BT-EN-PNA 可用作PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點，其數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域最多約1500 個字符，確保多臺設(shè)備可同時向PROFINET網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。Bt en pna 可在羅克韋爾以太網(wǎng)接口側(cè)同時支持SLC500/PLC5 以太網(wǎng)協(xié)議和LOGIX 平臺以太網(wǎng)/IP 協(xié)議，以確保新舊系統(tǒng)的共同運行。BT-EN-PNA 有2 個以太網(wǎng)端口，EtherNet/IP 和PROFINET 可選擇性地劃分不同的網(wǎng)段，或使用相同的子網(wǎng)地址。通過這種方式，OEM 設(shè)備可提前配置網(wǎng)絡(luò)，縮短現(xiàn)場安裝時間。在本應(yīng)用中，通過BeaconGlobalTechnology 的BT-EN-PNA-S 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，將獨立的子系統(tǒng)和主控系統(tǒng)統(tǒng)一為一個數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺。煙草生產(chǎn)全過程的信息數(shù)據(jù)全部上傳到MES 系統(tǒng)進行管理和調(diào)度，滿足信息量大、生產(chǎn)準確的通信要求。提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和競爭力。

作為自動化控制領(lǐng)域的兩大國際知名品牌，西門子和羅克韋爾PLC 各有優(yōu)勢，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都取得煙草制絲線成就。國內(nèi)某卷煙廠選擇西門子S7-400/300 系列PLC 作為其煙草制絲線生產(chǎn)線的主控系統(tǒng)，全廠采用PROFINET“一網(wǎng)到底”的設(shè)計思想，西門子S7-300/400 控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、工廠MES 系統(tǒng)通信、西門子PLC 之間的通信、PLC 與現(xiàn)場I/O 信號和設(shè)備之間的通信由CP343-1/CP443-1 高級以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)。此外，作為電子稱重系統(tǒng)的獨立子系統(tǒng)，羅克韋爾自動化LOGIX控制器、1769-L33ER 控制器或1756-EN2T 以太網(wǎng)通信模塊可實現(xiàn)以太網(wǎng)/IP 協(xié)議通信。

4 引入支持向量機（SVM）方法

Proficy Historian 實時歷史數(shù)據(jù)庫擁有強大的歷史數(shù)據(jù)收集和存儲功能比傳統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫更易于實現(xiàn)和管理。通過使用本機接口，對準確信息的可靠實時訪問是提高生產(chǎn)力、加快決策和幫助改善生產(chǎn)瓶頸的重要組成部分。利用GE Proficy 軟件平臺設(shè)計煙草制絲線煙絲生產(chǎn)集中監(jiān)控系統(tǒng)，加快客戶決策。同時，該平臺還有良好的可擴展性和集成性。根據(jù)煙草原料的質(zhì)量變化和配方中的功能特點，首次建立煙草制絲線基于煙草加工質(zhì)量動態(tài)變化的原料分組方法，并引入支持向量機（SVM）方法，解決煙草制絲線傳統(tǒng)原材料分類中存在的多質(zhì)量屬性不一致問題。設(shè)計開發(fā)煙草制絲線集工藝測試和生產(chǎn)需求于一體的柔性動態(tài)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)煙草制絲線特定品牌的智能工藝路線、生產(chǎn)安排和動態(tài)生產(chǎn)調(diào)度，為柔性加工的應(yīng)用提供煙草制絲線技術(shù)平臺，精細煙草制絲線生產(chǎn)等關(guān)鍵工序，填補煙草制絲線行業(yè)空白，使葉尾檢測和處理具有可操作性。首次提出煙草制絲線煙草篩分效果的評價指標，研制并應(yīng)用煙草制絲線三級串級分流雙層振動篩，解決煙草制絲線煙草篩分重量大、錯篩率高的問題。該設(shè)備已在8 家煙草企業(yè)推廣應(yīng)用。

圖2 是銑車削復(fù)合機床，以銑為主，車輔之。該機床的特點是能完全加工復(fù)雜工件，并能在一次裝夾過程中完成銑削和車削復(fù)雜加工，進一步提高生產(chǎn)率。用這臺機床加工刀輥，特點是體積大、重復(fù)性強，每個刀片槽的精度要求都很高，而且車削、銑削要一次完成。在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)菜單欄的附加功能欄具有一定的加工策略和繪圖輔助功能，HSM（高速加工）棒中的輪廓偏移、Z 斜下刀和擺動刀軌非常實用。

圖2 銑車削復(fù)合機床數(shù)控

5 總結(jié)

煙草行業(yè)是一個自動化程度非常高的行業(yè)，由于煙草行業(yè)在國家稅收領(lǐng)域的特殊貢獻，中國擁有大量的煙草品牌和不同的配方生產(chǎn)線，制絲生產(chǎn)線是決定煙草產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，因此，絲生產(chǎn)線的自動控制系統(tǒng)在煙草廠的控制系統(tǒng)中占有重要地位。