水槽式煙梗回潮機(jī)水溫控制的改進(jìn)與應(yīng)用

陳 烜 車(chē)本佳 鐘宴雄

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司梅州卷煙廠，廣東 梅州 514011）

0 引言

水槽式煙梗回潮機(jī)主要由波紋板水槽、過(guò)渡水槽、刮板、刮板驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水箱、循環(huán)水泵、濾水網(wǎng)帶輸送機(jī)、水箱進(jìn)水管路系統(tǒng)、水箱水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)、溫度傳感器、音叉液位開(kāi)關(guān)等組成[1]，水箱進(jìn)水和水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)所需的閥門(mén)器件等集中置于管控柜內(nèi)。

水槽式煙梗回潮機(jī)是利用恒溫循環(huán)水通過(guò)洗梗加浸梗模式完成煙梗的清洗和增溫增濕處理，以期提高煙梗純凈度、溫度、含水率和耐加工性，為后續(xù)煙梗二次回潮、切梗絲等工序提供符合工藝要求的煙梗物料。其工作原理為：煙梗通過(guò)上游振動(dòng)輸送機(jī)輸送進(jìn)入水槽式煙梗回潮機(jī)后，在循環(huán)水泵抽取水箱熱水形成輸出水流的帶動(dòng)下進(jìn)入波紋板水槽，循環(huán)水在波紋板水槽作用下形成湍流，沖擊煙梗翻滾向前運(yùn)動(dòng)，使煙梗能夠得到充分清洗，煙梗中的灰塵和果膠等溶于水中，煙梗夾雜的砂石和金屬物等沉入水槽底部，清洗后的煙梗在水流帶動(dòng)下經(jīng)過(guò)渡水槽進(jìn)入刮板輸送裝置，煙梗在刮板帶動(dòng)下在工藝要求范圍內(nèi)的熱水中浸泡并輸送至濾水網(wǎng)帶輸送機(jī)，瀝除表面水分后進(jìn)入下一個(gè)工藝處理工序[2]。

設(shè)備由煙梗預(yù)處理工藝段S7-416 PLC進(jìn)行控制。設(shè)備運(yùn)行分為三種狀態(tài)，即預(yù)熱、生產(chǎn)、清洗。預(yù)熱：在自動(dòng)模式下設(shè)備補(bǔ)水電磁氣動(dòng)角閥打開(kāi)，水箱開(kāi)始進(jìn)水，當(dāng)水箱低位音叉液位開(kāi)關(guān)被水浸沒(méi)后，循環(huán)水泵開(kāi)始運(yùn)行，水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)的電磁氣動(dòng)角閥打開(kāi)對(duì)水箱內(nèi)的自來(lái)水進(jìn)行加熱，當(dāng)水箱高位音叉液位開(kāi)關(guān)被水浸沒(méi)后，進(jìn)水閥門(mén)關(guān)閉，當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)熱設(shè)定溫度值60 ℃后，蒸汽閥門(mén)關(guān)閉，預(yù)熱完成，設(shè)備具備生產(chǎn)條件；生產(chǎn)：當(dāng)上游電子皮帶秤瞬時(shí)流量大于設(shè)定值后，PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)判定設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)，煙梗經(jīng)電子皮帶秤和振動(dòng)輸送機(jī)進(jìn)入設(shè)備進(jìn)行清洗和浸泡，水位低時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水，水溫低時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行加熱。

1 存在問(wèn)題及原因分析

1.1 水箱水溫波動(dòng)大

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)一批次煙梗的水箱水溫介于53.9℃至61.3℃之間，水溫平均值為57.3 ℃，水溫標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5 ℃，水溫不能穩(wěn)定在工藝指標(biāo)要求的（60±3）℃范圍內(nèi)，水溫波動(dòng)導(dǎo)致生產(chǎn)一批次煙梗的溫度均勻性、含水率和耐加工性等均存在差異，從而影響了煙梗后續(xù)工序的加工質(zhì)量。設(shè)備改進(jìn)前水溫波動(dòng)情況如表1所示。

1.2 原因分析

因清洗煙梗導(dǎo)致循環(huán)水含雜質(zhì)較多、顏色變黑、濁度偏高時(shí)，操作工需視情手動(dòng)打開(kāi)水箱排水閘閥進(jìn)行適當(dāng)排水，從而造成水位降低，同時(shí)煙梗受熱吸收水分亦會(huì)造成水位降低。當(dāng)水箱水位降至低位后，補(bǔ)充水電磁氣動(dòng)角閥自動(dòng)打開(kāi)對(duì)水箱進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)水箱水位補(bǔ)充至高位后閥門(mén)關(guān)閉，補(bǔ)充水為自來(lái)水且單次補(bǔ)水量較大，水箱水溫受補(bǔ)水?dāng)_動(dòng)就會(huì)降低。同時(shí)，目前水箱水溫采用上下限自動(dòng)控制，控制模式簡(jiǎn)單，低于下限設(shè)定值58.5 ℃時(shí)蒸汽加熱系統(tǒng)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，高于上限設(shè)定值61.5 ℃系統(tǒng)停止加熱，因水溫控制具有慣性大、滯后性大和非線性等特點(diǎn)，該控制模式造成生產(chǎn)過(guò)程中循環(huán)水水溫波動(dòng)較大。為此，確定單次補(bǔ)水量大和水溫自動(dòng)控制模式不合理是造成水溫波動(dòng)較大的主要原因。

2 改進(jìn)措施

2.1 新增中位音叉液位開(kāi)關(guān)

為減少生產(chǎn)過(guò)程中水箱補(bǔ)水對(duì)水溫的擾動(dòng)，采取減少單次補(bǔ)水量和增加補(bǔ)水頻次的方法，來(lái)降低因單次補(bǔ)水量多造成循環(huán)水水溫下降幅度大的問(wèn)題，具體改進(jìn)措施為在現(xiàn)有高位和低位音叉液位開(kāi)關(guān)之間增加中位音叉液位開(kāi)關(guān)（圖1）。經(jīng)分析論證，決定中位音叉液位開(kāi)關(guān)的安裝位置位于高、低位音叉液位開(kāi)關(guān)中心距偏上位置，以期達(dá)到盡可能減少單次補(bǔ)水量和增加補(bǔ)水頻次的目的。選取水槽式煙梗回潮機(jī)附近的I/O箱子站內(nèi)DI模塊中的空余開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)作為此中位音叉液位開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入點(diǎn)，并完成控制線路接線。

圖1 中位音叉液位開(kāi)關(guān)安裝位置設(shè)計(jì)圖

2.2 補(bǔ)水控制程序改進(jìn)

針對(duì)人工排水單次排水量大造成水箱水位下降幅度大的情況，PLC控制程序改進(jìn)思路：當(dāng)水箱水位低于中位音叉液位開(kāi)關(guān)時(shí)，補(bǔ)充水電磁氣動(dòng)角閥打開(kāi)對(duì)水箱進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)水箱高、中、低位音叉液位開(kāi)關(guān)被水浸沒(méi)并延時(shí)后停止補(bǔ)水。

針對(duì)煙梗吸收水分造成水箱水位小幅下降的情況，PLC控制程序改進(jìn)思路：當(dāng)水箱水位低于高位音叉液位開(kāi)關(guān)一定時(shí)間后，補(bǔ)充水電磁氣動(dòng)角閥打開(kāi)對(duì)水箱進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)水箱高、中、低位音叉液位開(kāi)關(guān)被水浸沒(méi)并延時(shí)后停止補(bǔ)水。

具體控制程序流程圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 補(bǔ)水控制程序流程圖

2.3 新增氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥

目前使用的水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)的蒸汽電磁氣動(dòng)角閥只具備全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài)，無(wú)法根據(jù)水溫變化自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整蒸汽施加量，具體改進(jìn)措施：采用帶閥門(mén)定位器的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥替代電磁氣動(dòng)角閥，根據(jù)新的水溫控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度可調(diào)可控。

經(jīng)分析論證，決定氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥安裝位置（圖3）為原蒸汽電磁氣動(dòng)角閥位置，閥門(mén)機(jī)械安裝及配套管道改造后，完成此閥門(mén)PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線控制線路接線、PROFIBUS-PA硬件組態(tài)及地址設(shè)置。

圖3 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥安裝位置設(shè)計(jì)圖

2.4 水溫梯度控制程序改進(jìn)

水溫手動(dòng)控制模式：在該控制模式下，操作人員根據(jù)水溫波動(dòng)變化手動(dòng)調(diào)整氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使調(diào)節(jié)閥按手動(dòng)開(kāi)度設(shè)定值開(kāi)啟。

水溫自動(dòng)控制模式：水溫控制采用梯度控制模式替代水溫上下限控制模式，具體為將現(xiàn)有水溫控制下限設(shè)定值58.5 ℃和上限設(shè)定值61.5 ℃重新劃分為8個(gè)溫度梯度區(qū)間，每個(gè)溫度梯度區(qū)間跨度值均為0.5 ℃，每個(gè)溫度梯度區(qū)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定相應(yīng)的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開(kāi)度值，系統(tǒng)根據(jù)水溫設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量反饋值的差值自動(dòng)判斷差值位于哪個(gè)溫度梯度區(qū)間，然后自動(dòng)按設(shè)定值控制氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

為防止氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開(kāi)度瞬間過(guò)大引起蒸汽流量瞬間增大進(jìn)而產(chǎn)生水錘對(duì)蒸汽管道的沖擊，采用閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值遞增方式予以控制，具體為：當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值輸出由小變大時(shí)，采用每秒鐘開(kāi)1%的梯度遞增方式控制閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度并使其達(dá)到設(shè)定值。

具體控制程序流程圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 水溫控制程序流程圖

在煙梗預(yù)處理段PLC項(xiàng)目程序中新建一個(gè)“水溫梯度控制”標(biāo)準(zhǔn)塊，根據(jù)前述功能設(shè)計(jì)，采用STL語(yǔ)言編寫(xiě)水溫梯度控制標(biāo)準(zhǔn)塊程序，該程序具備水溫手/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)狀態(tài)下將薄膜閥手動(dòng)開(kāi)度設(shè)定值直接賦給閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)度，自動(dòng)狀態(tài)下PLC根據(jù)水溫設(shè)定值與測(cè)量值的差值自動(dòng)判斷差值位于哪個(gè)溫度梯度區(qū)間，然后將該溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值賦給閥門(mén)。同時(shí)完成編寫(xiě)每秒鐘開(kāi)1%梯度遞增方式控制閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度、手/自動(dòng)狀態(tài)下閥門(mén)開(kāi)度賦值、閥門(mén)開(kāi)度反饋值讀取及觸摸屏顯示等程序。

2.5 觸摸屏操作畫(huà)面改進(jìn)

在水槽式煙梗回潮機(jī)監(jiān)控畫(huà)面中添加中位音叉液位開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥開(kāi)度設(shè)定值、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥實(shí)際開(kāi)度反饋值、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥手/自動(dòng)按鈕等。

3 改進(jìn)效果

水槽式煙梗回潮機(jī)改進(jìn)后，新增控制器件和控制程序等不影響水槽式煙梗回潮機(jī)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和功能，音叉液位開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥未出現(xiàn)故障或損壞等情況，亦未發(fā)生因水箱補(bǔ)水和水溫控制程序存在漏洞而影響設(shè)備運(yùn)行等情況，設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定。跟蹤2022年8月—10月期間若干批次煙梗生產(chǎn)質(zhì)量記錄（表2），生產(chǎn)一批次煙梗的水箱水溫介于58.7 ℃至61.1 ℃之間，水溫平均值為59.5 ℃，水溫穩(wěn)定在工藝指標(biāo)要求的（60±3）℃范圍內(nèi)，水溫標(biāo)準(zhǔn)偏差由改進(jìn)前的1.5 ℃降為0.5 ℃，水溫波動(dòng)明顯降低（圖5），有效保證了煙梗的溫度均勻性、含水率和耐加工性。

圖5 改進(jìn)后水溫趨勢(shì)圖

表2 水槽式煙梗回潮機(jī)改進(jìn)后生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)跟蹤表單位：℃

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了水槽式煙梗回潮機(jī)水溫控制的改進(jìn)工作，通過(guò)新增中位音叉液位開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥等控制器件、修改水箱補(bǔ)水控制程序和水溫梯度控制程序，達(dá)到了降低水溫波動(dòng)的目的，有效提高了水溫控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。