基于PLC 的烟草加香系统的改造设计

汪 平，刘智平，何 禅，杨遵伟，姜黎明

（四川中烟工业有限责任公司什邡卷烟厂，四川什邡 618400）

0 引言

随着“中式卷烟香精香料核心技术研究”的成熟和推广[1]，以及2016 版《卷烟工艺规范》的执行，工厂对加香设备的性能、技术要点和质量要求提出更高要求，特别新增瞬时加香比例的变异系数不大于0.5%的要求[2]。当前加香系统存在缺陷，已不能满足生产要求，严重影响卷烟产品内在质量的提升。因而，加香系统的改造设计对提高卷烟产品的质量和市场竞争力具有重要意义[3]。

1 存在的问题

工厂的加香系统由2012 年投入使用，生产现场施加的香精由香料厨房根据生产牌号自动发送到现场加香点，当现场储存罐的液位检测开关检测到香精满罐后，自动停止送香；加香控制系统根据烟丝流量信号，自动跟踪施加香精；每批次烟生产结束以后，香料厨房自动回收香精、清洗以及喷吹清洁管路。随着使用的深入，暴露出加香系统的局限性，主要表现在：

（1）加香控制单元集成在车间香料厨房控制系统下，同现场其他加香、加料以及香料厨房配制控制单元共处同一控制系统中，当其中一个单元出现故障时，影响其他单元的正常生产[4]。

（2）加香现场使用的香精由香料厨房远程送香到现场罐，因管道长，香精附着管道损耗为1.5 kg/批次。

（3）香精施加PID 控制程序采用以设定加香比例与流量计和电子秤累计量的比值作比较的单闭环控制，造成瞬时加香比例的变异系数达到0.7%。

（4）储存罐只有液位检测，不能准确反映罐中香精重量。

综上所述，为了解决存在的问题，对加香系统进行改造设计。

2 方案设计

2.1 设计原则

（1）设计独立于香料厨房的加香系统，实现加香系统本地监控。

（2）采用三维软件进行管路系统仿真设计，并根据香精施加的流量要求，对管路、阀门、流量计、泵等参数进行科学计算和配置，减少香精损耗，保证加香系统控制精度。

（3）采用先进的控制方法，提高加香系统控制精度。

（4）设计储存罐计量功能，满足计量精度要求。

2.2 流程设计

通过对加香工序进行调查，总结出加香系统的生产流程：

（1）工作人员把香精移动罐接入现场加香系统的气动泵接口装置，将香精抽吸入现场罐。气动泵抽香完成后，把吸香管路和气动泵内残余的香精用压缩空气吹扫入现场罐内；接着气动泵抽吸水对吸料管路和自身清洗；最后，利用压缩空气把气动泵和管路中的水吹完[5]。

（2）生产前对香精施加管路完成预填充，当电子秤的烟丝流量信号到达加香控制系统，加香系统开始施加香精；当生产结束时，用压缩空气将加香管路中的余香回收至储存罐内，一定时间后对管路注入自来水，接着利用压缩空气把管路清吹干净。

（3）工作人员把余香从储香罐放料口放出，完成对储香罐内壁的清洁和排污。

按照加香系统的工作流程顺序以及设计原则，设计出工艺流程图。

3 方案实现

3.1 管路部分

为实现加香系统工艺任务，对储存罐、阀门、管路等进行合理配置和规范安装，减少香精损耗，保证加香精度和罐体计量精度。

3.1.1 储存罐

香精通过移动罐运送到生产现场，需要添加入储存罐。工厂生产一批次卷烟需要的香精为60 kg，为适应工艺参数变化，选择容积为120 L 的罐体。储存罐需具备的接口：带盖的罐、搅拌电机接口、清洗接口、回收接口、吸香接口、放香接口和称重装置接口。

3.1.2 球阀

加香管路中管路开闭控制通过气动球阀来执行。依据工艺参数，选择DN15 两通和三通球阀来满足管路控制需要。

3.1.3 管路

根据工艺参数，选择DN15 食品级不锈钢管实施加香系统管路的连接。采用“弯管”工艺，避免使用弯头，使管路一次成型，焊缝数量少，减少香精残留；为保证罐体称重精度，与罐体连接的管路采用软连接和水平安装[6]。

3.2 控制部分

加香控制单元由集中监控改变为本地监控，加香系统配置西门子CPU 1513-1 控制器，实现设备组态、网络搭建和控制程序设计。运用西门子TIA Portal V14 项目管理软件[8]，完成软件设计工作。

3.2.1 电气元件组态

把加香控制系统中HMI、变频器、阀岛、质量流量计和I/O子站箱等组态到控制系统网络中，系统采用PROFINET 和PROFIBUS-DP 两种网络形式。

3.2.2 程序设计

根据加香系统的工艺任务，程序主要分为3 个部分：生产准备、加香控制和回收香精及清洗管路。

（1）生产准备。实现把移动罐的香精抽吸入现场储存罐内，并对抽吸管路进行冲洗和清吹；实现罐体称重功能和搅拌功能。

（2）加香控制。对管路进行充分的预填充后，当烟丝流量信号到达加香控制系统时，系统开始对烟丝施加香精。其工作流程为：系统根据中控发送的施加比例，在接收到电子秤烟丝流量信号并经堆栈延时后，控制系统将设定加香量（设定量＝加香比例×烟丝流量）与采集到的实际香精流量（质量流量计检测）相比较，通过PID 调节变频电机频率实现齿轮泵输送流量的变化，实现香精的跟踪施加；同时系统进行二次PID 调节，将香精累计量与烟丝累计量的比值同加香设定比例进行比较，实现误差自动调节[5]（图1）。

（3）回收清洗。生产完成以后，利用压缩空气的推动将停留在管路中的香精回收入储存罐中，然后用自来水对管路进行清洗，再次使用压缩空气将水吹净。

图1 加香控制系统双闭环PID 调节示意

3.2.3 监控画面

根据操作流程和监控需求设计出监控操作界面（图2），满足加香系统操作和维护需要。

图2 加香控制系统监控主画面

4 改造效果

通过对加香系统的改造，实现了加香工序的本地加香，提高了加香系统的柔性生产能力；香精每批次损耗由1.5 kg 降低到0.2 kg；瞬时加香比例变异系数0.7%降低到0.2%；储存罐计量精度达到了0.4%。这些指标的实现，为提高和保持卷烟品牌的感观质量提供了保障。