基于PLC 的煙草加香系統的改造設計

汪 平，劉智平，何 禪，楊遵偉，姜黎明

（四川中煙工業有限責任公司什邡卷煙廠，四川什邡 618400）

0 引言

隨著“中式卷煙香精香料核心技術研究”的成熟和推廣[1]，以及2016 版《卷煙工藝規范》的執行，工廠對加香設備的性能、技術要點和質量要求提出更高要求，特別新增瞬時加香比例的變異系數不大于0.5%的要求[2]。當前加香系統存在缺陷，已不能滿足生產要求，嚴重影響卷煙產品內在質量的提升。因而，加香系統的改造設計對提高卷煙產品的質量和市場競爭力具有重要意義[3]。

1 存在的問題

工廠的加香系統由2012 年投入使用，生產現場施加的香精由香料廚房根據生產牌號自動發送到現場加香點，當現場儲存罐的液位檢測開關檢測到香精滿罐后，自動停止送香；加香控制系統根據煙絲流量信號，自動跟蹤施加香精；每批次煙生產結束以后，香料廚房自動回收香精、清洗以及噴吹清潔管路。隨著使用的深入，暴露出加香系統的局限性，主要表現在：

（1）加香控制單元集成在車間香料廚房控制系統下，同現場其他加香、加料以及香料廚房配制控制單元共處同一控制系統中，當其中一個單元出現故障時，影響其他單元的正常生產[4]。

（2）加香現場使用的香精由香料廚房遠程送香到現場罐，因管道長，香精附著管道損耗為1.5 kg/批次。

（3）香精施加PID 控制程序采用以設定加香比例與流量計和電子秤累計量的比值作比較的單閉環控制，造成瞬時加香比例的變異系數達到0.7%。

（4）儲存罐只有液位檢測，不能準確反映罐中香精重量。

綜上所述，為了解決存在的問題，對加香系統進行改造設計。

2 方案設計

2.1 設計原則

（1）設計獨立于香料廚房的加香系統，實現加香系統本地監控。

（2）采用三維軟件進行管路系統仿真設計，并根據香精施加的流量要求，對管路、閥門、流量計、泵等參數進行科學計算和配置，減少香精損耗，保證加香系統控制精度。

（3）采用先進的控制方法，提高加香系統控制精度。

（4）設計儲存罐計量功能，滿足計量精度要求。

2.2 流程設計

通過對加香工序進行調查，總結出加香系統的生產流程：

（1）工作人員把香精移動罐接入現場加香系統的氣動泵接口裝置，將香精抽吸入現場罐。氣動泵抽香完成后，把吸香管路和氣動泵內殘余的香精用壓縮空氣吹掃入現場罐內；接著氣動泵抽吸水對吸料管路和自身清洗；最后，利用壓縮空氣把氣動泵和管路中的水吹完[5]。

（2）生產前對香精施加管路完成預填充，當電子秤的煙絲流量信號到達加香控制系統，加香系統開始施加香精；當生產結束時，用壓縮空氣將加香管路中的余香回收至儲存罐內，一定時間后對管路注入自來水，接著利用壓縮空氣把管路清吹干凈。

（3）工作人員把余香從儲香罐放料口放出，完成對儲香罐內壁的清潔和排污。

按照加香系統的工作流程順序以及設計原則，設計出工藝流程圖。

3 方案實現

3.1 管路部分

為實現加香系統工藝任務，對儲存罐、閥門、管路等進行合理配置和規范安裝，減少香精損耗，保證加香精度和罐體計量精度。

3.1.1 儲存罐

香精通過移動罐運送到生產現場，需要添加入儲存罐。工廠生產一批次卷煙需要的香精為60 kg，為適應工藝參數變化，選擇容積為120 L 的罐體。儲存罐需具備的接口：帶蓋的罐、攪拌電機接口、清洗接口、回收接口、吸香接口、放香接口和稱重裝置接口。

3.1.2 球閥

加香管路中管路開閉控制通過氣動球閥來執行。依據工藝參數，選擇DN15 兩通和三通球閥來滿足管路控制需要。

3.1.3 管路

根據工藝參數，選擇DN15 食品級不銹鋼管實施加香系統管路的連接。采用“彎管”工藝，避免使用彎頭，使管路一次成型，焊縫數量少，減少香精殘留；為保證罐體稱重精度，與罐體連接的管路采用軟連接和水平安裝[6]。

3.2 控制部分

加香控制單元由集中監控改變為本地監控，加香系統配置西門子CPU 1513-1 控制器，實現設備組態、網絡搭建和控制程序設計。運用西門子TIA Portal V14 項目管理軟件[8]，完成軟件設計工作。

3.2.1 電氣元件組態

把加香控制系統中HMI、變頻器、閥島、質量流量計和I/O子站箱等組態到控制系統網絡中，系統采用PROFINET 和PROFIBUS-DP 兩種網絡形式。

3.2.2 程序設計

根據加香系統的工藝任務，程序主要分為3 個部分：生產準備、加香控制和回收香精及清洗管路。

（1）生產準備。實現把移動罐的香精抽吸入現場儲存罐內，并對抽吸管路進行沖洗和清吹；實現罐體稱重功能和攪拌功能。

（2）加香控制。對管路進行充分的預填充后，當煙絲流量信號到達加香控制系統時，系統開始對煙絲施加香精。其工作流程為：系統根據中控發送的施加比例，在接收到電子秤煙絲流量信號并經堆棧延時后，控制系統將設定加香量（設定量＝加香比例×煙絲流量）與采集到的實際香精流量（質量流量計檢測）相比較，通過PID 調節變頻電機頻率實現齒輪泵輸送流量的變化，實現香精的跟蹤施加；同時系統進行二次PID 調節，將香精累計量與煙絲累計量的比值同加香設定比例進行比較，實現誤差自動調節[5]（圖1）。

（3）回收清洗。生產完成以后，利用壓縮空氣的推動將停留在管路中的香精回收入儲存罐中，然后用自來水對管路進行清洗，再次使用壓縮空氣將水吹凈。

圖1 加香控制系統雙閉環PID 調節示意

3.2.3 監控畫面

根據操作流程和監控需求設計出監控操作界面（圖2），滿足加香系統操作和維護需要。

圖2 加香控制系統監控主畫面

4 改造效果

通過對加香系統的改造，實現了加香工序的本地加香，提高了加香系統的柔性生產能力；香精每批次損耗由1.5 kg 降低到0.2 kg；瞬時加香比例變異系數0.7%降低到0.2%；儲存罐計量精度達到了0.4%。這些指標的實現，為提高和保持卷煙品牌的感觀質量提供了保障。