基于PLC的煙草加工烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

李培培

（河南中煙有限責(zé)任公司安陽卷煙廠，河南安陽，455004）

0 引言

我國作為傳統(tǒng)的農(nóng)國，農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要的位置。在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展期間，除了糧食農(nóng)作物的生產(chǎn)以及加工外，經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)預(yù)加工的地位有也是不容忽視的。我國眾多經(jīng)濟(jì)作物當(dāng)中，煙草的種植是最為廣泛也是最為普遍的，其發(fā)展速度較快。煙草在加工過程中，烘絲機(jī)起著非常關(guān)鍵的作用，能夠把煙草中的水分進(jìn)行烘干，提高成品的整體質(zhì)量，對未來煙草企業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的積極影響。伴隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍不斷增長，烘絲機(jī)的自動(dòng)控制水平也得到了較為明顯的提升，表現(xiàn)最為突出的莫過于PLC的應(yīng)用了，PLC有效的提高了哄自己自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合效率。

1 烘絲機(jī)控制系統(tǒng)與PLC技術(shù)概述

1.1 烘絲機(jī)控制系統(tǒng)

烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)以及管道系統(tǒng)組成，其中傳動(dòng)系統(tǒng)主要是由主傳動(dòng)電機(jī)按變頻器給定的頻率輸送轉(zhuǎn)速，通過鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的第一次降速，再將小齒輪與烘干機(jī)上的大齒輪對合并實(shí)現(xiàn)二次降速。管道中的系統(tǒng)由空氣管路、初潮管路以及蒸汽管路三部分組成。熱風(fēng)系統(tǒng)中主要由管道、熱風(fēng)風(fēng)機(jī)、散熱器等眾多部分組成熱風(fēng)系統(tǒng)最主要的功能就是將干燥速度加快，電氣系統(tǒng)則是利用PLC技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化控制。

1.2 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)也被統(tǒng)稱為可編程序控制器技術(shù)，此技術(shù)會(huì)對烘絲機(jī)整體進(jìn)行診斷，并且該技術(shù)會(huì)使烘絲機(jī)的干擾性得到加強(qiáng)，可靠程度變高。而自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中PLC技術(shù)通常情況下都采用編程的方法，主要原因?yàn)?，編程方法容易讓人理解，掌握起來不?fù)雜。除此之外，基于PLC技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的靈活性較為突出，在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用范圍極廣。PLC技術(shù)在煙草加工烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中主要的工作流程分為三個(gè)階段：采樣輸入、執(zhí)行程序與系統(tǒng)輸出刷新。烘絲機(jī)在正常運(yùn)作的過程當(dāng)中，可以依靠I/O映像區(qū)的單元來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，不同的數(shù)據(jù)所儲(chǔ)存的單元不同。PLC技術(shù)對自動(dòng)控制系統(tǒng)的過程為控制器參數(shù)設(shè)定，控制器通過設(shè)定的參數(shù)對執(zhí)行設(shè)備下達(dá)命令，執(zhí)行設(shè)備控制對象進(jìn)行動(dòng)作運(yùn)行，在此過程當(dāng)中，需要針對這一過程進(jìn)行反復(fù)測量。

2 烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理以及功能

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

烘絲機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由四大部分組成分別為管路系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)。其中傳動(dòng)系統(tǒng)由主驅(qū)動(dòng)干燥機(jī)M、熱風(fēng)機(jī)電機(jī)M2、旋轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)電機(jī)M3以及水泵電機(jī)M4組成。M1和M2馬達(dá)均安裝了變頻調(diào)速器，可以設(shè)置轉(zhuǎn)速。而這其中的熱風(fēng)系統(tǒng)是為了提高烘干效率而安裝的熱風(fēng)裝置，主要有管道、風(fēng)機(jī)以及散熱器等構(gòu)成。管路系統(tǒng)則由壓縮空氣管道以及蒸汽管道所構(gòu)成[1]。蒸汽管道直接會(huì)烘供熱桶上面的供熱辦并傳給散熱器，而另一頭會(huì)供給進(jìn)入前室的噴吹飽和蒸汽裝置，以提高在料頭、料尾時(shí)的烘筒內(nèi)的空氣濕度，減少干頭干尾的煙絲，如圖1所示。

圖1 烘絲機(jī)控制系統(tǒng)

2.2 工作原理

從儲(chǔ)放柜取出的煙葉都含有一定的水率，切絲機(jī)切割成煙絲以后在通過電子傳輸帶進(jìn)行稱重，其次由回潮機(jī)對煙絲增溫或者增濕，在進(jìn)入薄板式滾筒烘干機(jī)，再送至導(dǎo)熱板，再使煙絲充分受熱，同時(shí)熱風(fēng)會(huì)朝著順流方向，使煙絲干燥的速度加快，在烘干桶中隨著溫度和熱風(fēng)程度不變的情況下，隨著蒸汽逐漸加強(qiáng)煙絲里面的水分會(huì)逐漸蒸發(fā)掉，所蒸發(fā)出的濕熱空氣以及粉塵全部由排潮管道排出[2]。

2.3 烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能

烘絲機(jī)在整體運(yùn)行的過程中，煙絲會(huì)從烘絲機(jī)的進(jìn)料口進(jìn)入。烘干筒的在運(yùn)作的過程當(dāng)中，煙絲會(huì)在里面不斷翻滾，然后完成后會(huì)從烘絲機(jī)的后方出料口落出。在此過程中，蒸汽壓力會(huì)隨著管道進(jìn)入到烘桶當(dāng)中，對煙絲進(jìn)行加熱處理。除此之外，自動(dòng)控制系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)識(shí)別煙絲來進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送以及檢測。將煙絲放入進(jìn)料口中以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別并且自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并檢測煙絲在進(jìn)料口的斷料時(shí)間，自動(dòng)選擇出最優(yōu)工作狀態(tài)，來確保煙絲徹底烘干以后，使煙絲烘干的效率得到提升。此外，烘干機(jī)還具備以下功能。

2.3.1 檢測功能

烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)檢測煙絲在入料口的全部數(shù)值，并根據(jù)煙絲的水分、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)征求壓力以及閥門開度值，為此來得到更好的控制以及效率。

2.3.2 顯示功能

烘絲機(jī)在運(yùn)作過程當(dāng)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以為設(shè)備的整體運(yùn)作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，所檢測的各項(xiàng)參數(shù)有參數(shù)記錄、運(yùn)行參數(shù)以及整個(gè)運(yùn)作得流程等。

2.3.3 控制功能

烘絲機(jī)在運(yùn)作的過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)對整體設(shè)備有效控制。整個(gè)控制過程具有明顯的多輸出、多輸入、滯后的特點(diǎn)，因此有必要對設(shè)備的硬件配置和軟件編程進(jìn)行控制。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行當(dāng)中，生產(chǎn)工藝條件也有著很明確的標(biāo)準(zhǔn)，如蒸汽壓力以及煙絲流量時(shí)間等都著著很高的要求[3]。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制，可以清楚的看到烘絲機(jī)在運(yùn)作過程中的各項(xiàng)參數(shù)，以此來控制煙絲烘干工作的整體進(jìn)程，保證煙絲在出貨的時(shí)候始終控制在最高標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.4 診斷功能

診斷作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中最核心、重要的功能，不僅可以監(jiān)控設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)作過程中出現(xiàn)的問題并發(fā)出警報(bào)并采取處理措施，防止影響更嚴(yán)重。

3 烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC硬件配置

3.1 系統(tǒng)硬件配置

烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)作過程中所使用的PCL硬件首先要以控制對象以及設(shè)計(jì)為第一考慮點(diǎn)。PLC硬件的應(yīng)用還需考慮到烘絲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)要求以及運(yùn)行狀態(tài)，首先設(shè)備整體結(jié)構(gòu)要采用完全封閉式，運(yùn)作過程依靠濾塵網(wǎng)的風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，可以有效的提高防護(hù)等級。由于整體結(jié)構(gòu)是封閉式而且較為完整，可以有效的提升控制、以及信息輸出和出入的效率。PLC硬件配置需要率先考慮烘絲機(jī)的運(yùn)行、結(jié)構(gòu)以及具體的系統(tǒng)操作要求。首要，結(jié)構(gòu)上要采用封閉式，在實(shí)際工作過程當(dāng)中需利用濾塵網(wǎng)中的風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，將防護(hù)等級提高。出于對提高信息控制、輸出以及輸入效率的焦慮，應(yīng)保持烘絲機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。其次，在針對PLC系統(tǒng)中硬件的設(shè)置中，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)工作得到了高度重視。人機(jī)交互的操作與控制界面十分簡約，整個(gè)運(yùn)行過程都可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的觸摸操作，便于工作人員對參數(shù)實(shí)時(shí)查詢。此外，PLC控制系統(tǒng)在運(yùn)行中可以利用異步交流電機(jī)，有效控制和調(diào)節(jié)烘絲滾筒的轉(zhuǎn)速。

3.2 控制通道主回路

烘干機(jī)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中控制通道主回路是最為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，其作用就是控制蒸汽壓力。通常，烘絲機(jī)在運(yùn)作過程中煙絲進(jìn)入烘桶的轉(zhuǎn)速以及溫度基本都處于穩(wěn)定的狀態(tài)，而蒸汽壓力和入口煙絲水分會(huì)把出口的煙絲水分影響到，為此PLC的應(yīng)用主要是蒸汽壓力的控制，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測出來的數(shù)據(jù)，以最為合適的方法來控制蒸汽壓力，確保最后生產(chǎn)出是最高標(biāo)準(zhǔn)的煙絲。

3.3 人機(jī)交互畫面設(shè)計(jì)

在PLC的應(yīng)用中，人機(jī)交互屏的設(shè)計(jì)對其應(yīng)用的方便性有較嚴(yán)重的影響。人機(jī)交互畫面的設(shè)計(jì)效果直接決定PLC的系統(tǒng)是否可以正常使用。現(xiàn)如今的交互以及顯示都是在Windows95 環(huán)境下，使用 ProTool軟件以填入式的方式來構(gòu)建，最后把整個(gè)應(yīng)用過程中需要用到的模塊編輯到界面上，進(jìn)行鏈接并設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，讓設(shè)備在運(yùn)行當(dāng)中可以對整體的狀態(tài)以及工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與現(xiàn)實(shí)[4]。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的最為核心的關(guān)鍵就是PLC技術(shù)，PLC技術(shù)作為梯形圖結(jié)構(gòu)的主要核心控制程序，操作終端需要將出口處煙絲中所含的水分轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)，PLC技術(shù)會(huì)把所在的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱兞?，后通過對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行命令。主要操作步驟如下：煙絲會(huì)在烘絲機(jī)的入口進(jìn)行稱重，然后進(jìn)入烘絲機(jī)內(nèi)部，利用終端控制蒸汽壓力、烘桶轉(zhuǎn)速以及溫度等，實(shí)現(xiàn)OID閉環(huán)控制。

4 烘絲機(jī)的主要控制變量以及控制方案

4.1 蒸汽壓力對水分的影響

蒸汽壓力會(huì)死者弧形以及輻射型熱交換板期間使煙絲充分受熱，煙絲的水封會(huì)隨之蒸發(fā)變得干燥。在烘干筒整體溫度不變的情況下，蒸汽壓力逐漸提升，烘絲機(jī)的出口水分會(huì)隨之降低，相反，蒸汽壓力降低那么水分也會(huì)隨之增高。

4.2 熱風(fēng)溫度對水分的影響

熱風(fēng)溫度產(chǎn)生的機(jī)器為熱風(fēng)風(fēng)機(jī)，其溫度是通過角行程執(zhí)行器來使冷熱空氣進(jìn)行改變。當(dāng)轉(zhuǎn)速以及溫度達(dá)到一定時(shí)，煙絲的水分蒸發(fā)取決于風(fēng)的溫度。因此，隨著空氣溫度的升高，烘干機(jī)的出口水分減少，反之亦然。

4.3 烘筒轉(zhuǎn)速對水分的影響

烘筒轉(zhuǎn)速?zèng)Q定煙絲在烘筒內(nèi)滯留時(shí)間，時(shí)間越長，水分蒸發(fā)越多。由于在烘烤過程中，伴隨著一定的化學(xué)反應(yīng)，以提高煙絲的內(nèi)在品質(zhì)，其過程需要一定時(shí)間，不宜過短，也不宜過長。

4.4 排潮風(fēng)門對水分的影響

排潮風(fēng)門的大小直接影響著熱風(fēng)流速，風(fēng)門越大隨著流速就會(huì)越大，煙絲水分蒸發(fā)就會(huì)越快。排潮風(fēng)門如果處于關(guān)注的狀態(tài)，則煙絲無法進(jìn)行烘干[5][6]。系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)特定的控制方式來對物理量進(jìn)行調(diào)整，來使出口處的煙絲達(dá)到規(guī)定的要求，從上述幾個(gè)可以得出，烘干筒的轉(zhuǎn)速主要有變頻器來控制，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)主要分為三個(gè)檔位，預(yù)熱狀態(tài)的轉(zhuǎn)速為6r/min，煙絲如果徹底進(jìn)入烘絲機(jī)以后會(huì)朱建生省委11r/min，當(dāng)煙絲的轉(zhuǎn)速到達(dá)最后的到料狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)提升為16r/min，來把烘絲機(jī)中的最后剩余煙絲進(jìn)行導(dǎo)出，防止煙絲太過于干燥[7]。排潮風(fēng)門的設(shè)計(jì)也是有工藝段來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，烘絲機(jī)在正常的運(yùn)作過程中，排潮風(fēng)門的開啟狀態(tài)會(huì)一直報(bào)紙。系統(tǒng)的主要控制變量和方案如圖2所示。

圖2 主要控制變量以及控制方案

5 結(jié)語

煙草企業(yè)在生產(chǎn)過程中運(yùn)用計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)象已經(jīng)逐漸普遍，計(jì)算機(jī)技術(shù)使煙草生產(chǎn)的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提升，使煙草企業(yè)的發(fā)展更進(jìn)一步。而在此生產(chǎn)過程中，烘絲機(jī)占著很重要的位置，烘絲機(jī)的整體效率直接影響著煙草的質(zhì)量。烘絲機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用，提高了烘絲機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化水平，還有效的提高了烘絲機(jī)的運(yùn)作效率以及烘干煙絲的質(zhì)量。