12000kg/h混絲加香機PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

劉義龍，熊富海，童建星，崔文波，索文博

（紅塔煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司 昭通卷煙廠，云南 昭通 657000）

2013年，昭通卷煙廠進(jìn)行了制絲生產(chǎn)線技改，新安裝了昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的12 000kg/h 加香機，用來對混合煙絲進(jìn)行加香處理。在制絲加工工藝中，加香機主要用于將煙用香精均勻地添加到煙絲中，達(dá)到提調(diào)香味、充實香氣和改善卷煙的吸味，并使之保持卷煙風(fēng)格穩(wěn)定持久的目的。

1 加香機的工藝任務(wù)

加香機的工藝任務(wù)主要是按照產(chǎn)品設(shè)計要求，對混合后的煙絲按照一定加香比例進(jìn)行加香，確保香精準(zhǔn)確、均勻地施加到煙絲上。加香后的成品煙絲供卷包車間進(jìn)行卷接和包裝，其工藝流程圖如下圖1，控制的設(shè)備平面圖如圖2。

加香過程中須確保煙絲流量均勻穩(wěn)定，電子皮帶秤和加香計量泵、流量計計量準(zhǔn)確，計量精度0.5%，加香精度1.0%。管路清潔干凈，無堵塞，噴射角度準(zhǔn)確。采用壓縮空氣噴射香精，工作壓力符合工藝設(shè)計要求，噴嘴暢通，香精霧化適度。

圖1 加香工藝流程圖

圖2 加香機控制設(shè)備平面圖

2 加香機的構(gòu)成

加香機主要由加香機主機和加香裝置兩部分構(gòu)成，加香機主機由滾筒、傳動系統(tǒng)、手動頂起裝置、管路系統(tǒng)、排潮系統(tǒng)等構(gòu)成,如圖3所示。滾筒是煙絲的承載體，滾筒內(nèi)壁裝有導(dǎo)料板和抄板，滾筒軸心線與水平面成3°的下傾角，使?jié)L筒內(nèi)的煙絲能夠不斷地翻動、摻合、均勻、松散地向出料口方向流動，同時進(jìn)行加香處理。

圖3 加香機結(jié)構(gòu)簡圖

加香裝置由管路系統(tǒng)、噴嘴、加香泵、氣動閥、香料罐、質(zhì)量流量計及電控系統(tǒng)組成(如圖4）。管路系統(tǒng)包括料液管路、壓縮空氣管路、清洗水管路。雙介質(zhì)噴嘴以壓縮空氣為動力，將料液霧化后噴射在煙絲上。配置2 個100 升/罐的平頂貯料罐。加香流量精度要求較高，因此一般選用三聯(lián)柱塞泵，確保料液噴射壓力符合工藝要求。氣動閥通過閥島控制，實現(xiàn)管路在預(yù)填、生產(chǎn)、回收、清洗清吹四個狀態(tài)切換。質(zhì)量流量計用來檢測料液瞬時流量及累積量，并將檢測信號反饋實現(xiàn)PID控制。

3 加香機控制要求

香精經(jīng)預(yù)填管道預(yù)填到噴嘴處后，由中控組合啟動，線控開始按逆物料方向順序啟動設(shè)備，加香機滾筒由變頻器和傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)，當(dāng)經(jīng)過電子皮帶秤的煙絲進(jìn)入滾筒時，由壓縮空氣將香精霧化后均勻噴射在煙絲上，加香裝置通過加香系統(tǒng)對配置好的香精溶液按產(chǎn)品配方規(guī)定準(zhǔn)確、均勻地施加到煙絲上。滾筒內(nèi)的煙絲由于滾筒的軸向傾斜及滾筒內(nèi)抄板的疏導(dǎo)作用，使得混合煙絲能夠松散、均勻地自動向出料口方向流動。

圖4 加香裝置工藝管路圖

加香料液量多少由加香機PLC 控制，電子秤把來料瞬時流量和累計重量信號送到加香系統(tǒng)進(jìn)行處理，將所得設(shè)定加香量與質(zhì)量流量計檢測到的加香量進(jìn)行比較、處理后，控制變頻器輸出頻率以改變電機轉(zhuǎn)速，使泵輸出香料的流量隨電子秤測得煙絲流量的多少而改變，從而達(dá)到按比例定量加香料的自動控制。

3.1 加香裝置設(shè)備配置

1）在加香泵的出口設(shè)置了壓力檢測傳感器，用于加香管路堵塞的故障報警；

2）所有氣動閥門都加裝閥門反饋裝置；

3）混絲加香系統(tǒng)設(shè)備清洗用自來水（冷水）清洗；

4）現(xiàn)場貯存罐的配置及功能；

5）罐底部設(shè)置稱重傳感器，用于罐內(nèi)料液重量檢測，具備最小儲量和超量程報警功能；

6）罐頂部設(shè)置攪拌器，減速機定速攪拌。

3.2 控制模式要求

3.2.1 自動控制模式

控制系統(tǒng)在自動方式下，實現(xiàn)對各設(shè)備的自動控制，包括電機啟/停、故障處理（聲光報警等）、執(zhí)行機構(gòu)的動作以及必要的自動狀態(tài)下的手動操作功能；同時，根據(jù)與線控PLC 通訊采集物料和相關(guān)設(shè)備的壓力、流量等過程工藝參數(shù)，按一定算法調(diào)節(jié)回路的控制變量，最終滿足各工藝參數(shù)的要求。各設(shè)備在啟動時，應(yīng)按照煙絲流動的反方向順序啟動，每相鄰設(shè)備之間的起動間隔一定時間，減少設(shè)備起動對電網(wǎng)的沖擊，帶有測控元件的設(shè)備，其動作次序按照生產(chǎn)工藝確定,以防堵料。

3.2.2 單機控制模式

控制系統(tǒng)提供單機操作功能，實現(xiàn)人工對加香機每臺電機進(jìn)行啟動/停止操作以及對單機閥門測試功能等操作，方便設(shè)備的維修。

3.2.3 閉鎖控制模式

在閉鎖控制模式下，系統(tǒng)進(jìn)入禁止控制模式，所有電機、電磁閥和其它控制器件無論通過現(xiàn)場或操作屏上的“啟動”都不能啟動。

4 加香機系統(tǒng)控制設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及功能

線控提供加香機前電子秤的全部數(shù)據(jù)及信息交互后，加香機控制系統(tǒng)采用西門子PLC 完成加香精度控制、主機驅(qū)動控制以及工藝報警等功能。并提供與加香機有關(guān)的工藝配方參數(shù)、料桶調(diào)度、設(shè)備狀態(tài)信息、過程數(shù)據(jù)及設(shè)備控制參數(shù)等數(shù)據(jù)信息接口。

電柜內(nèi)的子站采用ET200S 系列模塊和器件對設(shè)備上的控制元器件進(jìn)行信號采集和控制。對普通電機的驅(qū)動控制采用ET200S 系列的普通電機起動器，與主控器之間通過Profinet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊；對有調(diào)速要求的采用變頻器控制，變頻器采用丹佛斯公司的FC302 系列產(chǎn)品，安裝于主機設(shè)備上，與主控器之間通過Profinet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

4.2 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

加香機PLC 主控制器采用西門子公司S7 315-2 PN/DP，設(shè)置一個控制柜，控制柜內(nèi)安裝PLC主控器、I/O 子站、電源等，系統(tǒng)配置以太網(wǎng)、Profibus_DP接口，往上可以同車間集中監(jiān)控層進(jìn)行通訊與數(shù)據(jù)交換，向下可以同設(shè)備儀表聯(lián)網(wǎng)，采集加香所需的信號并實現(xiàn)相關(guān)控制。控制系統(tǒng)預(yù)留以太網(wǎng)RJ45接口，硬件組態(tài)如圖5，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖6。

圖5 加香機PLC 硬件組態(tài)圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)圖

4.3 加香機主機設(shè)備的狀態(tài)設(shè)計

根據(jù)加香機主機所處工作階段不同，設(shè)計分別進(jìn)入和退出以下4 種狀態(tài)：“基本、準(zhǔn)備、生產(chǎn)、尾料”。

4.3.1 基本狀態(tài)

當(dāng)加香機不處于其它3 種狀態(tài)中的任何一種時，它就處在“基本”狀態(tài)。

4.3.2 準(zhǔn)備狀態(tài)

加香機預(yù)填管道完成并組合啟動后，且入口電子秤無流量，即進(jìn)入“準(zhǔn)備”狀態(tài)，等待物料到來，進(jìn)行生產(chǎn)。

4.3.3 生產(chǎn)狀態(tài)

每批煙絲生產(chǎn)開始時，當(dāng)“電子皮帶秤有料”且“電子皮帶秤→加香機入口延時時間”到，加香機即進(jìn)入“生產(chǎn)”狀態(tài)；如果是故障停機后帶料起動，加香機直接從“基本狀態(tài)”，立即進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)，在生產(chǎn)狀態(tài)下，系統(tǒng)程序自動啟動加香控制回路。

4.3.4 尾料狀態(tài)

在生產(chǎn)過程中，當(dāng)電子皮帶秤無料時，且延時一定時間，加香機即進(jìn)入“尾料”狀態(tài)。在尾料過程中，若電子皮帶秤又來料了，加香機又自動轉(zhuǎn)入“生產(chǎn)”狀態(tài)。進(jìn)入尾料狀態(tài)后，控制系統(tǒng)自動進(jìn)入尾料處理程序，結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)設(shè)定的各種尾料處理參數(shù)對煙絲進(jìn)行加香。

4.4 加香裝置料桶的狀態(tài)設(shè)計

料桶指的是單個獨立料桶，各個料桶都根據(jù)其所處工作階段不同，可依次進(jìn)入和退出以下5狀態(tài)：“空閑、清洗、備料、待用、占用”。

4.4.1 空閑狀態(tài)

當(dāng)某個料桶不處于“清洗、備料、待用、占用”任何一種狀態(tài)時，該料桶即處于“空閑”狀態(tài)。只要某料桶處于“空閑”狀態(tài)，即可對該料桶的閥和電機進(jìn)行單機操作,“空閑”狀態(tài)相當(dāng)于該料桶的單機狀態(tài)。

4.4.2 清洗狀態(tài)

當(dāng)某個料桶處于“空閑”狀態(tài)，且該料桶沒有被選中時，按下加香機該料桶“清洗”按鈕，該料桶即進(jìn)入“清洗”狀態(tài)。系統(tǒng)自動控制打開料桶頂部的清洗水閥，當(dāng)料桶內(nèi)的水加到一定重量時，系統(tǒng)自動啟動攪拌電機進(jìn)行攪拌。當(dāng)料桶內(nèi)水的重量達(dá)到一定重量時，系統(tǒng)自動關(guān)閉清洗進(jìn)水閥，同時打開該料桶底部的排污閥，當(dāng)料桶內(nèi)的水重量低于一定重量時，自動關(guān)閉攪拌電機。當(dāng)料桶內(nèi)的水排空時，系統(tǒng)自動結(jié)束“清洗”狀態(tài)，并轉(zhuǎn)入“空閑”狀態(tài)。

此外，當(dāng)加香機進(jìn)入管路“清洗狀態(tài)”時，所選中的目標(biāo)桶也同時進(jìn)入料桶“清洗狀態(tài)”，執(zhí)行以上料桶清洗功能。

4.4.3 備料狀態(tài)

當(dāng)料桶清洗干凈后，根據(jù)生產(chǎn)需要與否，即可進(jìn)行備料，當(dāng)某一料桶備料確認(rèn)數(shù)據(jù)后備料操作完畢。

當(dāng)組合停止且加香機無煙草信號出現(xiàn)時，若確有必要，可按下“釋放”鍵，料桶就又回到“備料”狀態(tài)。可再按下“釋放”，料桶就又回到“空閑”狀態(tài)。設(shè)置此操作功能的目的是方便現(xiàn)場的返料和清洗操作，但操作應(yīng)小心謹(jǐn)慎，必須是生產(chǎn)完畢時，確有必要才能操作。

4.4.4 待用狀態(tài)

當(dāng)某一料桶在備料狀態(tài)時，按下“備料完畢”，該料桶即進(jìn)入“待用狀態(tài)”，當(dāng)料桶處于“待用狀態(tài)”時，若確有必要，可按“備料”，使該料桶返回“備料狀態(tài)”。“待用狀態(tài)” 不能直接釋放到“空閑狀態(tài)”。因為在“空閑”狀態(tài)下，料桶的“單機”操作有效，若有不慎可能會把不該打開的閥門打開，造成生產(chǎn)事故。

4.4.5 占用狀態(tài)

當(dāng)某一料桶處于“待用狀態(tài)”被系統(tǒng)選中時，系統(tǒng)組合起動后，該料桶即進(jìn)入“占用狀態(tài)”，一旦某一料桶進(jìn)入“占用狀態(tài)”，該料桶的現(xiàn)場操作功能即被系統(tǒng)自動封鎖，不能進(jìn)行操作。

4.5 操作界面控制設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，采用西門子WINCC Flexible 設(shè)計控制畫面如下圖7、圖8、圖9。

圖7 加香機控制操作界面

圖8 吸料區(qū)操作界面

圖9 加香操作主界面

4.6 加香裝置的動作矩陣設(shè)計

4.6.1 備料操作

表1 備料過程閥門動作

4.6.2 加香裝置閥門及泵動作矩陣

表2 加香機閥門及泵動作矩陣圖

預(yù)填過程閥門動作見表2的閥門動作矩陣圖，完成后顯示“預(yù)填充已完成”，線控即可組合啟動加香線設(shè)備。

4.7、料桶及管路的具體控制

4.7.1 “清洗”狀態(tài)

當(dāng)HX1 料桶處于“無料”狀態(tài)，且該料桶沒有被選中時，按下該料桶的“清洗”按鈕，該料桶即進(jìn)入“清洗”狀態(tài)，系統(tǒng)自動控制打開該料桶頂部的清洗水閥Y03-HX1，當(dāng)料桶內(nèi)的水加到8kg 重量時，系統(tǒng)自動起動該料桶的攪拌電機進(jìn)行攪拌，當(dāng)料桶內(nèi)水的重量達(dá)到26Kg 時，系統(tǒng)自動關(guān)閉清洗進(jìn)水閥Y03-HX1，同時打開該料桶底部的排污閥Y06-HX1，當(dāng)料桶內(nèi)的水重量低于8Kg時，系統(tǒng)自動關(guān)閉攪拌電機，當(dāng)料桶內(nèi)的水排空時，系統(tǒng)自動結(jié)束“清洗”狀態(tài)。

4.7.2 “清洗”狀態(tài)“備料”狀態(tài)

當(dāng)料桶清洗干凈并排放完清洗水后，根據(jù)生產(chǎn)需要與否，即可進(jìn)行備料。對某個料桶進(jìn)行備料之前，現(xiàn)場操作工必須對該料桶的秤重量進(jìn)行“清零操作”。現(xiàn)場操作人員將香料推到現(xiàn)場并作好準(zhǔn)備后，在現(xiàn)場操作屏的主畫面上按下“吸料界面”鍵，進(jìn)入“吸料區(qū)”操作界面（如圖8吸料區(qū)操作界面）。首先進(jìn)行吸料罐選擇，按下HX1 或HX2 即可選擇HX1 罐或HX2 罐，如選擇HX1 后按下“啟動”按鈕即開始備料，Y01-HX、Y01-HX1、氣泵工作，備料完畢后確認(rèn)料液重量是否滿足符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，重量確認(rèn)后點擊“停止”按鈕停止備料。然后系統(tǒng)首先進(jìn)行備料管路清吹，Y82-HX、Y01-HX、Y01-HX1、氣泵、Y01-QB 工作，將管路里面的余料吹入料桶。接著對管路進(jìn)行清洗水清洗，Y92-HX、Y01-HX、氣泵、Y01-QB 工作，清洗時程序控制自動關(guān)閉Y01-HX1，防止清洗水進(jìn)入料桶。清洗水清洗完畢后再進(jìn)行管路清吹，Y82-HX、Y01-HX、氣泵、Y01-QB 工作，將管路里面的清洗水吹入地溝，還可以單獨進(jìn)行清吹啟動和停止。在換牌時需要對泵進(jìn)行清洗，此時點擊“洗泵 啟/停”即可進(jìn)行清洗。

備料過程結(jié)束后需要檢查牌號和重量是否正確。

4.7.3 “清洗”狀態(tài)管路預(yù)填

當(dāng)某一料桶被系統(tǒng)選中并備料完畢后，攪拌電機即開始攪拌，首先檢查配方參數(shù)是否正確，檢查無誤后即可開始預(yù)填。點機“加料啟動”即進(jìn)行管路預(yù)填，其閥門、加香泵等動作如表2。

4.7.4 “清洗”狀態(tài)加香過程

“預(yù)填充已完成”，線控啟動加香線設(shè)備后，首先啟動出料振槽，再啟動加香滾筒、排潮風(fēng)機和啟動進(jìn)料振槽，待入口電子秤煙絲經(jīng)延時到達(dá)加香滾筒內(nèi)后即打開加香噴嘴和引射空壓。加香開始后，Y19-HX 閥打開，將回料管內(nèi)的香料吹回該加香桶。加香泵運行頻率按照電子秤瞬時流量延時信號和加香比例通過PID 進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。這里需要做兩個延時堆棧，電子皮帶秤瞬時流量和電子皮帶秤累計量，堆棧的過程為每秒鐘接收一個電子皮帶秤流量，壓入堆棧中，并按照先入先出的原則進(jìn)行，堆棧時間的長短需要通過實際測試，即整線設(shè)備起動后電子秤上有煙絲到煙絲進(jìn)入滾筒內(nèi)口的時間。出棧時進(jìn)行平滑處理，平滑值等于依次采集的5 個瞬時流量的平均值，出棧的平滑值×加香比例為當(dāng)前應(yīng)該加香的流量，加香累計量用來修正加香精度，當(dāng)加香精度達(dá)不到要求時，根據(jù)實際情況進(jìn)行偏差的修正。堆棧處理可以通過以下方式進(jìn)行處理，首先定義一個塊DB1，根據(jù)壓棧時間長短定義塊的結(jié)構(gòu)，并留有一定余量。如壓棧時間為30 秒：

DB1：LL:ARRAY[0..200]OF REAL

//瞬時流量入棧處理

L DB1.DBD112

T DB1.DBD116

L DB1.DBD108

T DB1.DBD112

L DB1.DBD104

T DB1.DBD108

……

L DB1.DBD0

T DB1.DBD4

L MD100 //電子皮帶秤當(dāng)前瞬時流量入棧數(shù)據(jù)

T DB1.DBD0

// 瞬時流量出棧平滑處理

L DB1.DBD116

L DB1.DBD112

+R

L DB1.DBD108

+R

L DB1.DBD104

+R

L DB1.DBD100

+R

L 5.0

/R

T MD104 //經(jīng)過30 秒延時并經(jīng)過平滑處理后出棧用于加香計算的瞬時流量

這個方法簡單易懂，但程序量大，調(diào)整不方便，還可以使用間接尋址方式進(jìn)行編程，這種方式更靈活，壓棧時間長短可隨意調(diào)整，通常使用這種方式。

加香的控制器是一個比例控制器：

應(yīng)加香料瞬時流量=電子皮帶秤煙絲瞬時流量出棧值×設(shè)定加香比例

實際加香料瞬時流量=應(yīng)加香香料瞬時流量+累計加香精度偏差量

實際加香料瞬時流量再經(jīng)過PID 控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖10所示：

圖10 PID 控制圖

PID 采用西門子PLC 提供的FB41 連續(xù)控制功能塊，設(shè)置一定的調(diào)節(jié)死區(qū)，避免調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生震蕩，P、I、D 調(diào)節(jié)參數(shù)按照先比例后積分最后再把微分加的過程進(jìn)行調(diào)試，最后確定P、I、D參數(shù)值。

需要注意的是加香過程中，加香泵頻率不能太低，太低了就容易導(dǎo)致不能正常加香的生產(chǎn)事故。

生產(chǎn)結(jié)束時，生產(chǎn)線電子秤流量堆棧延時均無流量后，加香結(jié)束，線控組合停止，停止進(jìn)出料振槽、加香滾筒以及排潮風(fēng)機，同時，可進(jìn)入管路清洗。

4.7.5 “清洗”狀態(tài)管路清洗

點擊“加香停止”后，如在自動條件下，可自動進(jìn)入管路清洗，先將管路的余料吹回料桶，然后再用水清洗管路，清洗水排入地溝，清洗一定時間后，再用壓空進(jìn)行管路清吹，清吹一定時間后即完成管路清洗。如需要多次清洗，還可以點擊“清吹啟動”再次進(jìn)行管路清洗。

4.8 與上位機及線控網(wǎng)絡(luò)通訊處理

上位機通過光纖環(huán)網(wǎng)與線控PLC 連接，線控PLC 與加香機通過以太網(wǎng)連接。根據(jù)預(yù)先定義好的通訊協(xié)議，加香機定義兩個數(shù)據(jù)塊，一個用來保存接收的數(shù)據(jù)，一個用來保存需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。要發(fā)送的數(shù)據(jù)由加香機PLC 寫入相應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，再由線控PLC 單邊編程通過SFB14（GET）讀取該數(shù)據(jù)塊（如圖11），包括加香流量、加香累計量、滾筒轉(zhuǎn)速、故障信號、運行連鎖信號等。加香機運行狀態(tài)顯示如電機運行狀態(tài)、閥門動作狀態(tài)等通過上位機直接連接相應(yīng)的點位實現(xiàn)。要接收的配方數(shù)據(jù)等為上位機將配方參數(shù)發(fā)送給線控PLC，由線控PLC 單邊編程通過SFB15（PUT）發(fā)送給加香機PLC 相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)塊（如圖12），實現(xiàn)配方參數(shù)和控制參數(shù)的傳遞。包括生產(chǎn)牌號、設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速、加香比例、電子皮帶秤瞬時流量、電子皮帶秤累計重量等以及組合啟動、組合停止、運行連鎖信號、數(shù)據(jù)總清零信號、單機/自動、故障復(fù)位等。

以下程序為線控PLC 中通過S7 連接、單邊編程方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖11 線控PLC 讀取加香機PLC 數(shù)據(jù)

圖12 線控PLC 發(fā)送給加香機PLC 數(shù)據(jù)

4.9 手動操作

加香機控制系統(tǒng)在手動條件下，可對各閥門、電機等進(jìn)行單機操作，在操作屏上即可進(jìn)行操作。還可通過測試按鈕對質(zhì)量流量計進(jìn)行測試，驗證流量計的準(zhǔn)確性。

4.10 報警處理

如在自動或手動條件下，閥門動作后，相應(yīng)的閥門沒有反饋信號，則會提示閥門動作不到位的報警，管路壓力太大、隔離開關(guān)關(guān)閉、網(wǎng)絡(luò)連接不上等也會提示報警，此時，可在報警界面查看報警的詳細(xì)信息，故障恢復(fù)后報警自動消除，報警過程中會有聲、光報警提示。

5 結(jié)束語

12 000 kg/h 加香機的控制系統(tǒng)設(shè)計，包括主機設(shè)備電機的運行控制和加香裝置的加香過程控制，在設(shè)計過程中，還需要考慮到滾筒電機變頻器參數(shù)設(shè)置需要有一個上升時間和一個下降時間，防止?jié)L筒因停止時間短而造成的機械損壞。加香泵因采用變頻器控制，變頻器頻率可能很低，不利于電機散熱，需要通過外接風(fēng)扇對電機散熱。程序控制的難點在于加香精度控制，需要經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)試以及時間測試，才能得到一個較好的控制參數(shù)。