基于PLC 的煙草定量加水系統改造設計

汪平，劉智平，姜黎明，楊遵偉，李明桃，付超達

（四川煙草工業有限責任公司什邡卷煙廠，四川 什邡 618400）

近年來，隨著工廠卷煙品牌風格特征的確定以及2016版《卷煙工藝規范》的實施，現有加水系統的控制精度已不能滿足生產發展的需要。作為卷煙加工關鍵環節之一的香料廚房工序，其定量加水在配制糖料過程中的摻配精度直接影響著所配料液的品質，而料液的品質對卷煙風格特征的穩定性有重要影響，所以定量加水系統的改造設計對提高工廠卷煙產品質量、降低生產和管理成本具有重要意義。

1 改造前狀況

工廠的香料廚房系統為國內煙機公司2004 年設計制造，其定量加水系統主要由水源、電磁流量計、加水管路元件和控制程序這四部分組成，改進前管路示意圖如圖1 所示。

圖1 改進前定量加水系統管路示意圖

其工作過程為：當設定好加水量后，啟動系統往調制罐7 內定量加水，流量計前閥4 開啟對管路進行預填充，延時一定時間后，調制罐補水球閥6 開啟，同時電磁流量計開始計量，當電磁流量計的累積量與設定加水量一致時，球閥4 和6 關閉，定量加水過程完成。在設備使用的過程中，發現定量加水系統存在以下問題：

（1）定量加水控制精度低。定量加水系統的水源為自來水經過軟化處理器后的軟化水，在生產現場用水高峰期時，自來水水壓波動造成軟化水水壓波動，從而降低了電磁流量計的計量精度；另外，定量加水系統在預填充時管路處于密閉狀態，管路中的氣泡無法排除，造成水在管路中預填不充分，當開始往調制罐內加水時，導致經過電磁流量計計量的水未完全流入到調制罐中。經測試，定量加水系統實際控制精度為2.13%，不能滿足卷煙工藝規范對加水控制精度≤0.5%的要求。

（2）生產效率低。經過軟化處理器的軟化水流量小，導致配制過程中定量加水時間延長。經測試，定量加水100kg 時，需要用時667s。

綜上所述，原有的香料廚房定量加水系統已不能滿足工廠卷煙生產的要求。為此，對香料廚房定量加水系統進行改造設計。

2 改造方案

2.1 設計思路

（1）增加儲水罐，為定量加水系統提供穩定的水源；同時，儲水罐需要具有計量功能。（2）提高加水系統中水流流量檢測元件的計量精度；定量加水系統滿足控制精度≤0.5%的要求。（3）縮短配制過程中定量加水時間；實現水在管路中的預填充和管路余水回收。

2.2 方案設計

根據設計思路，對定量加水系統的管路進行了改造設計，改造后管路示意圖如圖2 所示。

圖2 定量加水系統改造后管路示意圖

其管路主要由三部分組成，其功能分別為：

（1）儲水罐進水管路。通過補水閥3 和壓力變送器6完成儲水罐水位控制。

（2）定量加水管路。首先，通過出水閥9、多級離心泵10、流量計前閥12 和回水閥4 完成水在管路中的預填充；然后，通過補水閥4 完成對調制罐的定量加水；最后，通過回收閥17 和單向閥16 完成對水管中余水的回收。

（3）儲水罐排污管路。通過排污閥8 完成儲水罐中余水的排放。

2.3 機械元件選型

（1）儲水罐。儲水罐須具備盛裝配制兩批次料液需要加水量的容積,選擇儲水罐容積為500L 的罐體。為滿足加水系統的功能，其需要具有以下接口：帶蓋的罐口、進水口、回水口、排水口和壓力傳感器安裝接口。向罐體生產廠家提出技術要求進行定制購買。

（2）多級離心泵。為提高定量加水時水在管路中的水壓，采用泵對水進行輸送。因多級離心泵具有高效節能、性能范圍廣、運行安全平穩、低噪音、長壽命、安裝維修方便等優點，結合設計思路，選擇格蘭富CHI2-60 型多級離心泵，其額定能力為2500kg/h。

（3）其余管路元件。管路中使用氣動球閥都選擇費斯托CRQH-ER-3/4-B-SA 型兩通球閥；管路都采用DN32 的不銹鋼管進行連接；其余元件根據實際需要選擇。

2.4 電氣元件選型

（1）質量流量計。科式力質量流量計因其測量準確度高、重復性好，可在較大量程比范圍內，對流體質量流量實現高準確度直接測量的優點，廣泛應用于計量精度要求高的食品和醫藥行業。為提高加水流量的計量精度以及滿足控制要求，選用恩德斯豪斯PROMASS83F-DN15 型高精度的質量流量計，其質量流量測量準確度為0.2 級。

（2）變頻器。為配合多級離心泵更好的對水壓的調節，選擇丹佛斯VLT2800 型通用變頻器來調節多級離心泵電機的轉速。

（3）其余電氣元件。在儲水罐底部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號點需要西門子ET200S 中數字輸入/出模塊各2 塊，模擬信號輸入模塊1 塊。

2.5 軟件改造

運用西門子SIMATIC Manager 項目管理軟件，完成以下軟件改造設計工作。

（1）電氣元件組態。把增加的質量流量計和變頻器添加到香料廚房S7-400 PLC 控制系統的PROFIBUS 網中，其網絡組態如圖3 所示，圖中PROFIBUS-DP 地址88 和89 為硬件系統增加的質量流量計和變頻器。

圖3 電氣元件網絡組態圖

（2）程序設計。儲水罐水量控制的工作過程為：當壓力變送器檢測到儲水罐的水量低于450kg 時，補水閥3 開啟為儲水罐補水；當水量達到490kg 時，補水閥3 關閉；生產配制過程中，循環以上控制過程。儲水罐水量控制的程序如圖4 所示。

定量加水系統的工作過程為：當設定好加水量后，啟動系統，多級離心泵10、回流閥4、出水閥9 和流量計前閥12開啟對管路進行預填充；延時30s 預填充完成后，回流閥4關閉，調制罐補水閥14 開啟，同時質量流量計13 開始計量；當質量流量計的累積量與設定加水量一致時，出水閥9 和調制罐補水閥14 關閉；調制罐定量加水完成后，開啟回收閥17 和回流閥4 以及同未關閉流量計前閥12 一起，利用壓縮空氣對管道中水實現回收；延時30s 水回收完成后，關閉多級離心泵、球閥4、12 和17，定量加水過程完成。定量加水系統主要控制程序如圖5 所示。

圖4 儲水罐水量控制程序圖

圖5 定量加水系統主要控制程序圖

3 應用效果

定量加水系統設計改造完成后，經測試，定量加水100Kg 時，需要用時211s，生產效率顯著提高，改造后比改造前提高了68.4%；定量加水系統的控制精度提高顯著，定量加水系統的控制精度從改造前2.13% 提高到改造后0.07%。定量加水系統改造設計完成以后，有效的滿足了香料廚房配料的控制要求；同時，提高了系統的可靠性、精確性和經濟性。