基于PLC 的烟草定量加水系统改造设计

汪平，刘智平，姜黎明，杨遵伟，李明桃，付超达

（四川烟草工业有限责任公司什邡卷烟厂，四川 什邡 618400）

近年来，随着工厂卷烟品牌风格特征的确定以及2016版《卷烟工艺规范》的实施，现有加水系统的控制精度已不能满足生产发展的需要。作为卷烟加工关键环节之一的香料厨房工序，其定量加水在配制糖料过程中的掺配精度直接影响着所配料液的品质，而料液的品质对卷烟风格特征的稳定性有重要影响，所以定量加水系统的改造设计对提高工厂卷烟产品质量、降低生产和管理成本具有重要意义。

1 改造前状况

工厂的香料厨房系统为国内烟机公司2004 年设计制造，其定量加水系统主要由水源、电磁流量计、加水管路元件和控制程序这四部分组成，改进前管路示意图如图1 所示。

图1 改进前定量加水系统管路示意图

其工作过程为：当设定好加水量后，启动系统往调制罐7 内定量加水，流量计前阀4 开启对管路进行预填充，延时一定时间后，调制罐补水球阀6 开启，同时电磁流量计开始计量，当电磁流量计的累积量与设定加水量一致时，球阀4 和6 关闭，定量加水过程完成。在设备使用的过程中，发现定量加水系统存在以下问题：

（1）定量加水控制精度低。定量加水系统的水源为自来水经过软化处理器后的软化水，在生产现场用水高峰期时，自来水水压波动造成软化水水压波动，从而降低了电磁流量计的计量精度；另外，定量加水系统在预填充时管路处于密闭状态，管路中的气泡无法排除，造成水在管路中预填不充分，当开始往调制罐内加水时，导致经过电磁流量计计量的水未完全流入到调制罐中。经测试，定量加水系统实际控制精度为2.13%，不能满足卷烟工艺规范对加水控制精度≤0.5%的要求。

（2）生产效率低。经过软化处理器的软化水流量小，导致配制过程中定量加水时间延长。经测试，定量加水100kg 时，需要用时667s。

综上所述，原有的香料厨房定量加水系统已不能满足工厂卷烟生产的要求。为此，对香料厨房定量加水系统进行改造设计。

2 改造方案

2.1 设计思路

（1）增加储水罐，为定量加水系统提供稳定的水源；同时，储水罐需要具有计量功能。（2）提高加水系统中水流流量检测元件的计量精度；定量加水系统满足控制精度≤0.5%的要求。（3）缩短配制过程中定量加水时间；实现水在管路中的预填充和管路余水回收。

2.2 方案设计

根据设计思路，对定量加水系统的管路进行了改造设计，改造后管路示意图如图2 所示。

图2 定量加水系统改造后管路示意图

其管路主要由三部分组成，其功能分别为：

（1）储水罐进水管路。通过补水阀3 和压力变送器6完成储水罐水位控制。

（2）定量加水管路。首先，通过出水阀9、多级离心泵10、流量计前阀12 和回水阀4 完成水在管路中的预填充；然后，通过补水阀4 完成对调制罐的定量加水；最后，通过回收阀17 和单向阀16 完成对水管中余水的回收。

（3）储水罐排污管路。通过排污阀8 完成储水罐中余水的排放。

2.3 机械元件选型

（1）储水罐。储水罐须具备盛装配制两批次料液需要加水量的容积,选择储水罐容积为500L 的罐体。为满足加水系统的功能，其需要具有以下接口：带盖的罐口、进水口、回水口、排水口和压力传感器安装接口。向罐体生产厂家提出技术要求进行定制购买。

（2）多级离心泵。为提高定量加水时水在管路中的水压，采用泵对水进行输送。因多级离心泵具有高效节能、性能范围广、运行安全平稳、低噪音、长寿命、安装维修方便等优点，结合设计思路，选择格兰富CHI2-60 型多级离心泵，其额定能力为2500kg/h。

（3）其余管路元件。管路中使用气动球阀都选择费斯托CRQH-ER-3/4-B-SA 型两通球阀；管路都采用DN32 的不锈钢管进行连接；其余元件根据实际需要选择。

2.4 电气元件选型

（1）质量流量计。科式力质量流量计因其测量准确度高、重复性好，可在较大量程比范围内，对流体质量流量实现高准确度直接测量的优点，广泛应用于计量精度要求高的食品和医药行业。为提高加水流量的计量精度以及满足控制要求，选用恩德斯豪斯PROMASS83F-DN15 型高精度的质量流量计，其质量流量测量准确度为0.2 级。

（2）变频器。为配合多级离心泵更好的对水压的调节，选择丹佛斯VLT2800 型通用变频器来调节多级离心泵电机的转速。

（3）其余电气元件。在储水罐底部选择安装横河EJA210A 型压力变送器；增加的信号点需要西门子ET200S 中数字输入/出模块各2 块，模拟信号输入模块1 块。

2.5 软件改造

运用西门子SIMATIC Manager 项目管理软件，完成以下软件改造设计工作。

（1）电气元件组态。把增加的质量流量计和变频器添加到香料厨房S7-400 PLC 控制系统的PROFIBUS 网中，其网络组态如图3 所示，图中PROFIBUS-DP 地址88 和89 为硬件系统增加的质量流量计和变频器。

图3 电气元件网络组态图

（2）程序设计。储水罐水量控制的工作过程为：当压力变送器检测到储水罐的水量低于450kg 时，补水阀3 开启为储水罐补水；当水量达到490kg 时，补水阀3 关闭；生产配制过程中，循环以上控制过程。储水罐水量控制的程序如图4 所示。

定量加水系统的工作过程为：当设定好加水量后，启动系统，多级离心泵10、回流阀4、出水阀9 和流量计前阀12开启对管路进行预填充；延时30s 预填充完成后，回流阀4关闭，调制罐补水阀14 开启，同时质量流量计13 开始计量；当质量流量计的累积量与设定加水量一致时，出水阀9 和调制罐补水阀14 关闭；调制罐定量加水完成后，开启回收阀17 和回流阀4 以及同未关闭流量计前阀12 一起，利用压缩空气对管道中水实现回收；延时30s 水回收完成后，关闭多级离心泵、球阀4、12 和17，定量加水过程完成。定量加水系统主要控制程序如图5 所示。

图4 储水罐水量控制程序图

图5 定量加水系统主要控制程序图

3 应用效果

定量加水系统设计改造完成后，经测试，定量加水100Kg 时，需要用时211s，生产效率显著提高，改造后比改造前提高了68.4%；定量加水系统的控制精度提高显著，定量加水系统的控制精度从改造前2.13% 提高到改造后0.07%。定量加水系统改造设计完成以后，有效的满足了香料厨房配料的控制要求；同时，提高了系统的可靠性、精确性和经济性。