西門子自動化產品在中華挑選專線中的應用

華環國際煙草有限公司設備部門 陳 磊 胡發運 張松林

西門子自動化產品在中華挑選專線中的應用

華環國際煙草有限公司設備部門 陳 磊 胡發運 張松林

描述了在煙草打葉復烤行業采用西門子S7-300PLC和WINCC等自動化產品實現對中華挑選專線的自動控制。在硬件設計時，采用集成ProfiBus功能的CPU315－2DP，變頻器及現場智能設備采用ProfiBus通訊。利用WinCC Flexible組態故障報警、工藝歷史趨勢圖及監控畫面 。

西門子；WinCC Flexible；打葉復烤；中華挑選專線

引言

為滿足上海煙草（集團）公司“中華”產品特色挑選工藝和配方打葉要求，做精、做強、做大“中華”品牌卷煙，增強名優產品的科技含量，提高煙葉挑選水平和質量，提升名優品牌卷煙品質，提高核心品牌的競爭力，華環國際煙草有限公司通過與上海煙草（集團）公司專家及技術人員多次交流探討和實驗論證后，新建一條生產能力為2×12000Kg/h的“中華”原料煙葉挑選專線。

1.工藝流程

生產線采用動靜結合的新工藝模式挑選煙葉，即一次選把、鋪葉切斷解把、流量控制、潤葉松散、煙葉比例分配、在線選葉、自動匯集、計量裝箱的工藝流程，改變了傳統的“地攤式”煙葉分級模式，形成獨特的煙葉原料挑選生產新工藝，大大提高了煙葉分級純凈度，有利于煙葉物理和化學指標的均質化，有利于煙葉加工過程中質量的穩定性，更好地實現煙葉原料資源的有效配置和利用。

圖1 工藝流程圖

2.控制系統構成

項目中控制對象大多為數字量，在熱風潤葉系統中需要采集熱風溫度、增濕水流量（2路）、角執行器開度和控制出口煙葉溫度及水份、出端補償蒸汽電氣定位器、進熱交換器電氣定位器、進端增濕水電氣定位器及出端增濕水電氣定位器模擬量信號，項目中使用的主要西門子自動化產品的型號、數量、類型見表1：

表1 項目中使用的主要Siemens產品型號及數量

圖2 系統硬件配置圖

3.應用中的監視畫面

本控制系統監控監控畫面主要有“流程界面”、“工藝選擇”、“電機手動”、“頻率調節”、“報警信息”及“權限設置”界面。

（1） “流程界面” 該界面為開機顯示界面，顯示生產線當前狀況。此界面下有“喂料機”、“潤葉機”、“電子秤”按鈕，點擊按鈕，查看相應設備的詳細狀態信息，按下“消聲報警”按鈕消除報警聲音，與柜門上消音按鈕功能一致。電機狀態，灰色表示未啟動，綠色表示已啟動，紅色表示保護開關過流跳閘，黃色表示保護開關未合上。如圖5所示。

（2）在“喂料機”子界面，當生產線“自動控制”時，可以通過“啟動出料”、 “停止出料”按鈕手動啟動或停止喂料機出料。當喂料機鋪料行車行至限位開關后，電機停止運行，此時應在“工藝選擇”界面中選擇“手動控制”＞－“本地手動”，并使用本地開關啟動電機（此時電機處于暫停狀態），按 “前倉超限限位”、“后倉超限限位”復位按鈕使行車行至正常工作區域。如圖6所示。

圖5 流程界面

圖6 喂料機子界面

在“潤葉筒”子界面，可查看潤葉筒所有設備的當前狀態。界面下“煙葉溫度控制PID”、“筒內控制PID”、“進端增濕控制PID”、“出端增濕控制PID”、“煙葉水分曲線”、“角執行器控制”等可以進行相應的PID控制調節或狀態查詢。生產線停車后需要清洗潤葉筒時選擇“清洗閥操作”按鈕進入“清洗閥操作”界面。清洗前應將二段選擇為“手動控制”。 如圖7所示。

圖7 潤葉筒子界面

（3）“工藝選擇” 進行生產線工藝選擇并使設備按照選定的工藝運行。選擇生產線電機控制方式。選擇“自動控制”后按下柜門上線啟動按鈕，生產線自動運行。選擇“手動控制”＞－“觸屏手動”或”本地手動”，分別使用觸摸屏按鈕和本地開關單獨啟動電機。按下“閉鎖”取消所有已選擇控制方式。在啟動生產線之前應仔細查看選擇的工藝路徑是否正確，選擇后，生產線按相應的工藝流程運行。如圖8所示。

圖8 工藝選擇界面

圖9 電機手動界面

（4） “電機手動” 查看詳細分段，并從該界面進入觸摸屏手動啟停電機的界面。在“電機手動”界面中可查看電機編號分段，若已選擇“觸屏手動”則可選擇“一段（進料）”或者“二段（出料）”進入相應的電機啟停界面使用觸摸屏按鈕啟停電機。如圖9所示。

（5） “頻率調節” 設置、查看變頻電機的頻率，查看變頻電機電流以及變頻電機實時電流曲線。

（6） “報警信息” 查看詳細報警信息。

（7） “權限設置” 此界面由管理員操作，其他用戶不得使用。

4.控制系統完成的功能

4.1 控制系統實現的功能

本系統針對于華環國際煙草有限公司2×12000 kg/h挑選線（東線10B、西線10A），具有按工藝要求自動順序啟動和停止、自動調節工藝參數、故障診斷和聲光報警、聯鎖啟動和停止、工藝流程狀況和工藝參數顯示等功能、對電機提供過熱、過流、缺相保護等保護功能。控制系統以自動控制為主，并備有本地手動和觸摸屏控制功能。

本控制系統在工藝上以喂料機進、出料為分界線，可分為進料段（D11）與出料段（D12）兩段，具有三條工藝路徑可供選擇：

（1）普通流程：煙料經過喂料機和潤葉筒；

（2）直通：煙料不經過喂料機和潤葉筒。

（3）煙料經過喂料機但不經過潤葉筒。

對生產線的控制采用手動控制和自動控制。手動控制在設備檢修及調試時使用，設備單獨起停；自動控制用于正常的生產，使工藝需要的設備進行連續順序起停。電控柜內安裝柜組電源開關、配電保護開關、電機保護開關、可編程序控制器（PLC）、變頻器、交流接觸器以及聲光報警裝置等。

4.2 項目中的難點分析

本項目中煙葉的松散度及流量穩定性直接影響產品質量，所以對潤葉筒、電子秤的控制至關重要。煙草潤葉機是煙草行業打葉復烤生產線上的重要設備，它的主要用途是對打葉前的煙葉片進行增溫增濕處理，使煙葉片的濕度、溫度值達到規定的工藝技術指標。

潤葉機內部的工作機理是十分復雜的，由于沒有能直接檢測其內部工作狀態的儀表，到目前為止，還沒有一個用數字表達式精確描述其內部特征的數字模型，可供實際生產過程控制。近幾年來，國外采用的潤葉機的控制策略主要是根據反饋原理設計的定值控制，如PID控制、前饋控制等。這種控制方法，對于隨機干擾因素眾多的潤葉機，系統超調量大，且對調節變量的動作頻繁。造成蒸氣電動閥門的經常性頻繁動作、潤透率不高等結果。因此傳統的控制策略無法實現對潤葉機的有效控制。

針對潤葉機控制有隨機干擾因素多、時變性強，時滯性強、具有大慣性和非線性的特點，采用模糊控制思路進行方案設計，克服這些問題。模糊規則的建立就是把影響潤葉機的主要因素收集起來，并把在線的數據與潤葉機的工作機理、操作者的經驗、生產過程的特征、專家知識等結合起來，把這些知識總結成一定的規律和表達方式，再加上傳統控制理論和現代控制理論、信息學、邏輯學、潤葉工藝等的知識綜合，編成計算機程序，存放在控制主機內，構成控制系統的知識庫和自動控制系統，使控制主機能對外界(煙葉性質、流量、水份、溫度、蒸氣壓力、轉速等)信號做出判斷。并根據要求選擇出相應合理的補加水量和蒸氣流量，賦予控制主機的“知識庫”，包括描述潤葉機外部特性的一組規則，如：

規則l：如果流量增大而目水分偏低，那么蒸汽閥門多開—些；規則2：如果流量增大而且水分正好，那么蒸汽閥門少開一些；規則3：如果流量減小而且水分偏高，那么蒸汽閥門多關一些；………

規則n：如果流量不變而且水分偏低，那么蒸汽閥門少開一些。

控制器將這些規則以符號的形式總結出來，并采用數學理論、模糊推理和模糊決策，計算出執行器的動作量，通過輸出接口實現水分的控制。本系統潤葉機控制就是基于這種策略。

（1）水分控制回路。影響出口水分的因素有：進入潤葉機的煙葉等級、煙葉流量及其含水率，潤葉筒的筒內溫度，補加蒸汽的壓力及加入量。因此，采用紅外水分儀檢測潤葉機入口、出口處煙葉水分。采用全懸浮式電子皮帶秤檢測進入潤葉機煙葉流量，采用氣動薄膜控制進入潤葉機前后的蒸汽流量。控制器根據各參數對出口水分的影響程度形成模糊前饋塊和模糊規則塊，兩者組合形成針對水分回路的前饋一反饋模糊控制器，該模糊控制器根據進入潤葉機煙葉流量、水分、煙葉溫度、煙葉等級等變量，查詢對應規則，使潤葉機在各種干擾條件下，能自動尋優，按最佳作業參數組合運行，使煙葉水分及潤透率控制在控制目標范圍內。其控制框圖如圖12所示。

圖中f1 、f2 、f3 分別指對出口水分有影響的干擾量：煙葉流量及水分乘積的變化量、煙葉等級、出口煙葉溫度。其中E 、?是檢測水分與設定水分的偏差及偏差變化，這兩個參數作為模糊控制器的主要輸入參數，確保系統是一個閉環反饋控制系統，使水分盡量在被控范圍內。但如果僅將E 、?作為控制器的輸入，而不考慮各干擾因素的影響，必然會導致系統反應延緩、振蕩劇烈。因此引入模糊前饋控制塊，將影響出口水分的主要因素f1 和出口設定水分作為其輸入，得出一前饋控制量uf，同時將該控制量直接作用在后補加蒸汽的氣動薄膜閥上，提高系統的快速反應性。因此，該回路是一個前饋+反饋模糊控制回路。

圖12 水分控制回路框圖

（2）溫度控制回路。溫度控制回路通過紅外溫度儀檢測出口的煙葉溫度，用熱電偶檢測進入潤葉機的循環熱風的溫度，通過調節風機的變頻速度和熱風閥的開度來調節熱風溫度和熱風循環速度。控制框圖如圖13所示。

圖13 溫度控制回路框圖

選擇出口的煙葉溫度作為主被控對象，熱風溫度為副被控對象。將影響出口溫度的因素(循環熱風溫度和補加蒸汽總量)作用在熱風溫度這個對象上，這樣熱風溫度的調節速度就會加快，可以提高系統的快速響應性。主調節模糊控制塊根據出口煙葉溫度的偏差及偏差變化，形成控制規則，得出輸出量“，通過計算得出熱風溫度值Tu，該值作為副調節回路的設定值。該設定值Tu和熱電偶檢測到的熱風溫度值，形成偏差，作為副調節模糊控制塊的輸入變量，形成控制規則，得出一輸出變量“，該輸出變量為熱風氣動薄膜閥的新增開度。同時，副調節模糊控制塊還將進入筒內的蒸汽量(由閥的開度間接反應)作為其輸入，該輸入量不參與控制規則的形成，只是對輸出變量u進行比例修正。

5.項目運行

本項目2008年8月份投入運行使用至今，系統運行狀況良好，性能穩定、可靠，使用部門及操作人員反映良好，產品質量得到上海煙草（集團）公司高度認可。

[1]WinCC flexible 2008 手冊．

[2]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團．深入淺出西門子WinCC V6(第二版)[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2005．

[3]北京長征高科技公司．YD34．D華環國際煙草有限公司2×1200kg/h挑選線設備電控系統使用說明書[M]．2008．

[4]王磊,張壽明,汪芬．潤葉機控制及整線流量控制系統[J]．自動化技術與應用,2007(10)．