基于自動(dòng)控制系統(tǒng)的煙草制絲香料添加裝置

吳鐫峰

（陜西中煙工業(yè)有限公司漢中卷煙廠，漢中 723102）

基于自動(dòng)控制系統(tǒng)的煙草制絲香料添加裝置

吳鐫峰

（陜西中煙工業(yè)有限公司漢中卷煙廠，漢中 723102）

為解決卷煙制絲生產(chǎn)線葉片加料工序不同料液引射霧化介質(zhì)切換過程存在誤操作的問題，運(yùn)用PLC可編程控制程序，對管道控制閥門的動(dòng)作通過閥島進(jìn)行重新定義，并結(jié)合生產(chǎn)牌號的工藝要求，將各牌號所要求的引射霧化介質(zhì)與生產(chǎn)工單信息進(jìn)行了綁定，實(shí)現(xiàn)了不同牌號所需不同料液霧化介質(zhì)的自動(dòng)切換。結(jié)果表明：杜絕了操作人員出差錯(cuò)的概率，加料霧化介質(zhì)切換同步性提高到100%，壓縮空氣霧化閥和加料閥打開的間隔時(shí)間為0；壓縮空氣的消耗也從1.2m3/次降低到單次為0，節(jié)約了能源消耗，達(dá)到了精益生產(chǎn)改善的目的。

卷煙；加料工序；霧化；PLC；自動(dòng)控制

0 引言

加料和加香是煙草行業(yè)制絲生產(chǎn)過程的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)[1,2]。由于不同的料液引射介質(zhì)對于葉片和煙絲的溫度和含水率不盡相同[3]，所以在工藝改進(jìn)方面某些不同的品牌嘗試使用不同于蒸汽的壓縮空氣作為料液引射介質(zhì)，已達(dá)到不同的工藝革新要求。陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司漢中卷煙廠制絲線使用的SJ1524型加料機(jī)設(shè)計(jì)之初只考慮傳統(tǒng)的蒸汽霧化料液模式，未考慮壓縮空氣作為霧化料液的引射介質(zhì)。由于制絲生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)幾個(gè)不同牌號的產(chǎn)品，根據(jù)各牌號的工藝特色以及對加料后葉片溫度的不同要求，需要使用不同的料液引射霧化介質(zhì)，在換牌時(shí)加料霧化介質(zhì)需要在壓縮空氣和蒸汽之間頻繁切換。目前在加料加香方面研究如何優(yōu)化控制性能，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和提高料液添加精度方面研究的較多[4]，不同料液霧化引射介質(zhì)方面的研究還沒有可以借鑒的先例。為此車間技術(shù)人員對加料霧化管路進(jìn)行改造，參考不同料液的多元加料系統(tǒng)研究思路[5]，在原自動(dòng)控制蒸汽霧化系統(tǒng)上增設(shè)壓縮空氣手動(dòng)控制霧化功能，以滿足不同料液引射介質(zhì)的需要。并通過對切換過程進(jìn)行自動(dòng)控制，開發(fā)出加料霧化介質(zhì)自動(dòng)切換裝置，實(shí)現(xiàn)不同料液霧化引射介質(zhì)的自動(dòng)切換，解決手動(dòng)切換系統(tǒng)存在的不足，同時(shí)符合近年來煙草行業(yè)以消除各種浪費(fèi)、優(yōu)化資源配置、提升效率和效益的精益改善思想理念[6]。

1 問題分析

1.1 料液霧化介質(zhì)切換流程

當(dāng)煙葉被輸送到加料滾筒內(nèi)，到達(dá)加料噴嘴霧化噴灑料液的覆蓋范圍時(shí)，加料滾筒前后端的加料控制閥和霧化控制閥同時(shí)打開[7]，料液霧化介質(zhì)蒸汽或壓縮空氣在控制系統(tǒng)的作用下，到達(dá)雙元霧化噴嘴前腔體；同時(shí)，葉片所需添加的料液經(jīng)動(dòng)力泵，經(jīng)過流量計(jì)檢測流量，由比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)控制，達(dá)到所需流量后到達(dá)雙元霧化噴嘴后腔體[8,9]，在噴嘴前端與前腔體引射介質(zhì)混合，并在引射介質(zhì)的作用下，將料液引射霧化，均勻噴灑在葉片表面，達(dá)到均勻加料的目的[10]。生產(chǎn)過程的料液引射霧化介質(zhì)根據(jù)牌號的工藝要求進(jìn)行相互切換，圖1顯示了不同介質(zhì)的切換過程。

圖1 加料霧化介質(zhì)手動(dòng)切換流程圖

1.2 存在問題

手動(dòng)控制霧化介質(zhì)切換系統(tǒng)管道示意圖如圖2所示。

圖2 加料霧化介質(zhì)手動(dòng)切換系統(tǒng)管道示意圖

在切換料液霧化引射介質(zhì)的工作流程中，根據(jù)工藝要求，料液在霧化介質(zhì)的作用下準(zhǔn)確均勻地噴灑在煙葉煙片上[10]當(dāng)需要壓縮空氣作為料液引射霧化介質(zhì)時(shí)，需要人工關(guān)閉蒸汽手動(dòng)閥閥并打開壓縮空氣手動(dòng)閥；同樣當(dāng)需要蒸汽作為料液引射霧化介質(zhì)時(shí)，需要人工關(guān)閉壓縮空氣手動(dòng)閥并打開蒸汽手動(dòng)閥。整個(gè)過程存在以下問題：1）需要手動(dòng)操作閥門。當(dāng)不同的牌號生產(chǎn)過程需要不同的料液引射霧化價(jià)值時(shí)，操作工必須將相應(yīng)管路上的手動(dòng)法進(jìn)行關(guān)閉或開啟，完全靠操作工人為手動(dòng)操作，存在可能出現(xiàn)的誤操作風(fēng)險(xiǎn)。 2）各閥門的手動(dòng)開關(guān)過程同步性不強(qiáng)。人為的手動(dòng)操作動(dòng)作很難和料液的噴出動(dòng)作保持完全一致，當(dāng)人為手動(dòng)操作動(dòng)作落后于料液噴出動(dòng)作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生部分料液沒有引射霧化介質(zhì)而出現(xiàn)流淌出來，造成水漬煙葉，所以一般要求操作工過早地對各閥門的手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行操作，這樣就造成了不必要的能源浪費(fèi)。3）不能和生產(chǎn)的牌號工單進(jìn)行綁定，容易出現(xiàn)誤操作。當(dāng)牌號更換并需要切換料液內(nèi)設(shè)霧化介質(zhì)時(shí)，存在人為忘記操作手動(dòng)閥門或個(gè)別閥門操作不到位的情況，導(dǎo)致料液引射霧化介質(zhì)使用錯(cuò)誤的情況。

2 設(shè)計(jì)方法

在料液的添加過程中，對料液的噴灑霧化使用的介質(zhì)可以是壓縮空氣和蒸汽，兩種介質(zhì)在霧化過程中的控制原理完全相同。如果能夠?qū)⑹謩?dòng)控制閥設(shè)計(jì)成自動(dòng)控制閥，在需要壓縮空氣作為料液霧化介質(zhì)時(shí)控制壓縮空氣接通的閥門自動(dòng)打開且控制蒸汽接通的閥門自動(dòng)關(guān)閉；相同道理，在需要蒸汽作為料液霧化介質(zhì)時(shí)控制蒸汽接通的閥門自動(dòng)打開且控制壓縮空氣接通的閥門自動(dòng)關(guān)閉。為實(shí)現(xiàn)此功能，將原系統(tǒng)蒸汽霧化介質(zhì)管道上的膜片閥通斷的壓縮空氣進(jìn)行分流控制：如圖三所示，將閥島上原來打開蒸汽霧化介質(zhì)膜片閥的壓縮空氣管接入到一個(gè)DN15手動(dòng)三通球閥上，通過程序控制，在需要壓縮空氣作為霧化介質(zhì)時(shí)將通過三通球閥的壓縮空氣氣源導(dǎo)流到壓縮空氣霧化介質(zhì)的閥門上，壓縮空氣霧化介質(zhì)接通，蒸汽霧化介質(zhì)關(guān)閉；在需要蒸汽作為霧化介質(zhì)時(shí)將通過三通球閥的壓縮空氣氣源導(dǎo)流到蒸汽霧化介質(zhì)的閥門上，蒸汽霧化介質(zhì)接通，壓縮空氣霧化介質(zhì)關(guān)閉。

如此就能夠?qū)崿F(xiàn)料液添加過程料液引射介質(zhì)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求的自動(dòng)切換，避免手動(dòng)切換料液引射介質(zhì)帶來的一系列問題。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)管路器件示意圖如圖3所示，和未改進(jìn)前的管路圖比較可以看到，改進(jìn)后的管路系統(tǒng)中，蒸汽管路上去掉了兩個(gè)蒸汽手動(dòng)閥，壓縮空氣管路上由壓縮空氣控制閥取代了壓縮空氣手動(dòng)閥；控制氣路上增加了兩個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行器。

圖3 加料霧化介質(zhì)自動(dòng)切換系統(tǒng)管道示意圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成原理如圖4所示。按照工藝要求，生產(chǎn)過程要求使用蒸汽介質(zhì)對料液進(jìn)行引射霧化時(shí)，當(dāng)煙葉被輸送到加料滾筒內(nèi)，到達(dá)加料噴嘴霧化噴灑料液的覆蓋范圍時(shí)，通過PLC控制程序輸出信號，控制三通球閥動(dòng)作的壓縮空氣從閥島4發(fā)出，三通球閥3動(dòng)作，流經(jīng)三通球閥3的壓縮空氣被導(dǎo)流到蒸汽霧化介質(zhì)控制膜片閥8上，蒸汽霧化介質(zhì)接通到達(dá)雙元噴嘴6，同時(shí)料液控制閥5打開，料液被蒸汽引射霧化，通過雙元噴嘴均勻的噴灑在物料上；相同原理，當(dāng)生產(chǎn)過程要求使用壓縮空氣介質(zhì)對料液進(jìn)行引射霧化時(shí)，通過PLC控制程序輸出信號，控制三通球閥動(dòng)作的壓縮空氣從閥島4發(fā)出，三通球閥3動(dòng)作，流經(jīng)三通球閥3的壓縮空氣被導(dǎo)流到壓縮空氣霧化介質(zhì)控制膜片閥1上，壓縮空氣霧化介質(zhì)接通到達(dá)雙元噴嘴6，同時(shí)料液控制閥5打開，料液被蒸汽引射霧化。以上只介紹加料筒前端加料控制過程，雙壁兩點(diǎn)噴射法[7]加料過程時(shí)三通球閥3有兩個(gè)，動(dòng)作完全一樣，同時(shí)控制壓縮空氣霧化介質(zhì)控制膜片閥1和蒸汽霧化介質(zhì)控制膜片閥8，實(shí)現(xiàn)前后端兩點(diǎn)噴射加料過程。

圖4 加料霧化介質(zhì)自動(dòng)切換原理圖

2.2 硬件組成

根據(jù)霧化介質(zhì)的特性和閥體的性能參數(shù)，閥體與壓縮空氣和蒸汽接觸，應(yīng)同時(shí)適應(yīng)兩種介質(zhì)，且適用溫度≥143.5℃[11]；氣體密封試驗(yàn)壓力：0.6MPa±0.1MPa，驅(qū)動(dòng)氣源壓力≥0.4MPa[12]。

所以，選用PF61G-1NC氣動(dòng)角閥，此閥適應(yīng)壓縮空氣和蒸汽，溫度和氣源壓力符合要求，進(jìn)行替換原手動(dòng)截止閥。

用兩套L型單作用氣動(dòng)三通球閥組合成換向裝置。選取兩臺(tái)公稱直徑為DN15、流向?yàn)長型、氣動(dòng)執(zhí)行器為單作用、型號為Q615F-16F的氣動(dòng)三通球閥。當(dāng)三通球閥靜止時(shí)，進(jìn)氣口P和出氣口1接通，氣源流向蒸汽霧化閥上，當(dāng)三通球閥動(dòng)作時(shí)，進(jìn)氣口P和出氣口2接通，氣源分流到壓縮空氣霧化閥上。實(shí)物和原理示意圖如圖5所示。

圖5 L型單作用氣動(dòng)三通球閥

2.3 控制程序的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)氣源信號與工單綁定。制絲生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用集中控制、分布采集和執(zhí)行的結(jié)構(gòu)，主控可編程控制器（Programmable Logic Controller，plc）與現(xiàn)場操作站進(jìn)行控制通訊[13]，生產(chǎn)牌號工單下達(dá)后，程序識(shí)別加料霧化介質(zhì)代碼，當(dāng)YT602段SJ148加料機(jī)YSKQYSLY. F_CV=1時(shí)，閥島新接氣源接通，氣源驅(qū)動(dòng)換向裝置換向，程序執(zhí)行壓縮空氣霧化料液；當(dāng)YT602段SJ148加料機(jī)YSKQYSLY.F_CV=0時(shí)，閥島新接氣源斷開，換向裝置流向不變，程序執(zhí)行蒸汽霧化料液[14]。霧化介質(zhì)選擇程序代碼如圖6所示。

圖6 霧化介質(zhì)選擇程序代碼截圖

在閥島接口上接氣源信號，將氣源的通斷信號與工單信息綁定，當(dāng)該牌號工單信息需要壓縮空氣霧化時(shí)，閥島氣源接通，氣源驅(qū)動(dòng)換向裝置換向分流，進(jìn)行壓縮空氣霧化料液；當(dāng)該牌號工單信息需要蒸汽霧化時(shí)，閥島氣源斷開，換向裝置流向不變，進(jìn)行蒸汽霧化料液。新自動(dòng)切換系統(tǒng)料液霧化介質(zhì)切換流程如圖7所示。

圖7 加料霧化介質(zhì)手動(dòng)切換流程圖

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，在設(shè)備控制程序中使用SIEMENS-S7-SIMATIC400編寫程序[15]，實(shí)現(xiàn)邏輯動(dòng)作

【】【】的自動(dòng)控制。霧化介質(zhì)選擇閥島輸出程序如圖8所示。

圖8 霧化介質(zhì)選擇程序截圖

2.4 改進(jìn)效果

使用料液霧化介質(zhì)自動(dòng)切換裝置，在料液添加過程加料霧化介質(zhì)切換同步性提高到100%，杜絕了操作人員出差錯(cuò)的概率，壓縮空氣霧化閥和加料閥打開的間隔時(shí)間為0，壓縮空氣的消耗也從1.2m3/次降低到單次為0。消除了潛在的質(zhì)量隱患，達(dá)到了精益質(zhì)量改善的目的。

3 結(jié)論

采用霧化介質(zhì)自動(dòng)切換裝置后，實(shí)現(xiàn)了加料霧化介質(zhì)的自動(dòng)切換，同時(shí)，SJ1524型加料機(jī)在國內(nèi)普遍使用，多介質(zhì)霧化料液的瓶頸問題在各制絲線廣泛存在。加料霧化介質(zhì)自動(dòng)切換系統(tǒng)的研制成功，對行業(yè)內(nèi)其他兄弟廠家的技術(shù)改進(jìn)有著較高借鑒和推廣價(jià)值。該成果已經(jīng)獲得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)專利證書（專利號：ZL 2015 2 0292284.6）。

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Tobacco silk perfume adding device based on automatic control system

WU Juan-feng

TH29

B

1009-0134(2017)04-0027-04

2016-12-29

吳鐫峰（1979 -），男，陜西周至人，工程師，本科，主要從事煙草制絲線電氣控制系統(tǒng)維修工作。