華環(huán)國際煙草有限公司設(shè)備部門 陳 磊 胡發(fā)運(yùn) 張松林

西門子自動(dòng)化產(chǎn)品在中華挑選專線中的應(yīng)用

華環(huán)國際煙草有限公司設(shè)備部門 陳 磊 胡發(fā)運(yùn) 張松林

描述了在煙草打葉復(fù)烤行業(yè)采用西門子S7-300PLC和WINCC等自動(dòng)化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對中華挑選專線的自動(dòng)控制。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用集成ProfiBus功能的CPU315－2DP，變頻器及現(xiàn)場智能設(shè)備采用ProfiBus通訊。利用WinCC Flexible組態(tài)故障報(bào)警、工藝歷史趨勢圖及監(jiān)控畫面 。

西門子；WinCC Flexible；打葉復(fù)烤；中華挑選專線

引言

為滿足上海煙草（集團(tuán)）公司“中華”產(chǎn)品特色挑選工藝和配方打葉要求，做精、做強(qiáng)、做大“中華”品牌卷煙，增強(qiáng)名優(yōu)產(chǎn)品的科技含量，提高煙葉挑選水平和質(zhì)量，提升名優(yōu)品牌卷煙品質(zhì)，提高核心品牌的競爭力，華環(huán)國際煙草有限公司通過與上海煙草（集團(tuán)）公司專家及技術(shù)人員多次交流探討和實(shí)驗(yàn)論證后，新建一條生產(chǎn)能力為2×12000Kg/h的“中華”原料煙葉挑選專線。

1.工藝流程

生產(chǎn)線采用動(dòng)靜結(jié)合的新工藝模式挑選煙葉，即一次選把、鋪葉切斷解把、流量控制、潤葉松散、煙葉比例分配、在線選葉、自動(dòng)匯集、計(jì)量裝箱的工藝流程，改變了傳統(tǒng)的“地?cái)偸健睙熑~分級模式，形成獨(dú)特的煙葉原料挑選生產(chǎn)新工藝，大大提高了煙葉分級純凈度，有利于煙葉物理和化學(xué)指標(biāo)的均質(zhì)化，有利于煙葉加工過程中質(zhì)量的穩(wěn)定性，更好地實(shí)現(xiàn)煙葉原料資源的有效配置和利用。

圖1 工藝流程圖

2.控制系統(tǒng)構(gòu)成

項(xiàng)目中控制對象大多為數(shù)字量，在熱風(fēng)潤葉系統(tǒng)中需要采集熱風(fēng)溫度、增濕水流量（2路）、角執(zhí)行器開度和控制出口煙葉溫度及水份、出端補(bǔ)償蒸汽電氣定位器、進(jìn)熱交換器電氣定位器、進(jìn)端增濕水電氣定位器及出端增濕水電氣定位器模擬量信號，項(xiàng)目中使用的主要西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的型號、數(shù)量、類型見表1：

表1 項(xiàng)目中使用的主要Siemens產(chǎn)品型號及數(shù)量

圖2 系統(tǒng)硬件配置圖

3.應(yīng)用中的監(jiān)視畫面

本控制系統(tǒng)監(jiān)控監(jiān)控畫面主要有“流程界面”、“工藝選擇”、“電機(jī)手動(dòng)”、“頻率調(diào)節(jié)”、“報(bào)警信息”及“權(quán)限設(shè)置”界面。

（1） “流程界面” 該界面為開機(jī)顯示界面，顯示生產(chǎn)線當(dāng)前狀況。此界面下有“喂料機(jī)”、“潤葉機(jī)”、“電子秤”按鈕，點(diǎn)擊按鈕，查看相應(yīng)設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)信息，按下“消聲報(bào)警”按鈕消除報(bào)警聲音，與柜門上消音按鈕功能一致。電機(jī)狀態(tài)，灰色表示未啟動(dòng)，綠色表示已啟動(dòng)，紅色表示保護(hù)開關(guān)過流跳閘，黃色表示保護(hù)開關(guān)未合上。如圖5所示。

（2）在“喂料機(jī)”子界面，當(dāng)生產(chǎn)線“自動(dòng)控制”時(shí)，可以通過“啟動(dòng)出料”、 “停止出料”按鈕手動(dòng)啟動(dòng)或停止喂料機(jī)出料。當(dāng)喂料機(jī)鋪料行車行至限位開關(guān)后，電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)在“工藝選擇”界面中選擇“手動(dòng)控制”＞－“本地手動(dòng)”，并使用本地開關(guān)啟動(dòng)電機(jī)（此時(shí)電機(jī)處于暫停狀態(tài)），按 “前倉超限限位”、“后倉超限限位”復(fù)位按鈕使行車行至正常工作區(qū)域。如圖6所示。

圖5 流程界面

圖6 喂料機(jī)子界面

在“潤葉筒”子界面，可查看潤葉筒所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。界面下“煙葉溫度控制PID”、“筒內(nèi)控制PID”、“進(jìn)端增濕控制PID”、“出端增濕控制PID”、“煙葉水分曲線”、“角執(zhí)行器控制”等可以進(jìn)行相應(yīng)的PID控制調(diào)節(jié)或狀態(tài)查詢。生產(chǎn)線停車后需要清洗潤葉筒時(shí)選擇“清洗閥操作”按鈕進(jìn)入“清洗閥操作”界面。清洗前應(yīng)將二段選擇為“手動(dòng)控制”。 如圖7所示。

圖7 潤葉筒子界面

（3）“工藝選擇” 進(jìn)行生產(chǎn)線工藝選擇并使設(shè)備按照選定的工藝運(yùn)行。選擇生產(chǎn)線電機(jī)控制方式。選擇“自動(dòng)控制”后按下柜門上線啟動(dòng)按鈕，生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行。選擇“手動(dòng)控制”＞－“觸屏手動(dòng)”或”本地手動(dòng)”，分別使用觸摸屏按鈕和本地開關(guān)單獨(dú)啟動(dòng)電機(jī)。按下“閉鎖”取消所有已選擇控制方式。在啟動(dòng)生產(chǎn)線之前應(yīng)仔細(xì)查看選擇的工藝路徑是否正確，選擇后，生產(chǎn)線按相應(yīng)的工藝流程運(yùn)行。如圖8所示。

圖8 工藝選擇界面

圖9 電機(jī)手動(dòng)界面

（4） “電機(jī)手動(dòng)” 查看詳細(xì)分段，并從該界面進(jìn)入觸摸屏手動(dòng)啟停電機(jī)的界面。在“電機(jī)手動(dòng)”界面中可查看電機(jī)編號分段，若已選擇“觸屏手動(dòng)”則可選擇“一段（進(jìn)料）”或者“二段（出料）”進(jìn)入相應(yīng)的電機(jī)啟停界面使用觸摸屏按鈕啟停電機(jī)。如圖9所示。

（5） “頻率調(diào)節(jié)” 設(shè)置、查看變頻電機(jī)的頻率，查看變頻電機(jī)電流以及變頻電機(jī)實(shí)時(shí)電流曲線。

（6） “報(bào)警信息” 查看詳細(xì)報(bào)警信息。

（7） “權(quán)限設(shè)置” 此界面由管理員操作，其他用戶不得使用。

4.控制系統(tǒng)完成的功能

4.1 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

本系統(tǒng)針對于華環(huán)國際煙草有限公司2×12000 kg/h挑選線（東線10B、西線10A），具有按工藝要求自動(dòng)順序啟動(dòng)和停止、自動(dòng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)、故障診斷和聲光報(bào)警、聯(lián)鎖啟動(dòng)和停止、工藝流程狀況和工藝參數(shù)顯示等功能、對電機(jī)提供過熱、過流、缺相保護(hù)等保護(hù)功能?？刂葡到y(tǒng)以自動(dòng)控制為主，并備有本地手動(dòng)和觸摸屏控制功能。

本控制系統(tǒng)在工藝上以喂料機(jī)進(jìn)、出料為分界線，可分為進(jìn)料段（D11）與出料段（D12）兩段，具有三條工藝路徑可供選擇：

（1）普通流程：煙料經(jīng)過喂料機(jī)和潤葉筒；

（2）直通：煙料不經(jīng)過喂料機(jī)和潤葉筒。

（3）煙料經(jīng)過喂料機(jī)但不經(jīng)過潤葉筒。

對生產(chǎn)線的控制采用手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制在設(shè)備檢修及調(diào)試時(shí)使用，設(shè)備單獨(dú)起停；自動(dòng)控制用于正常的生產(chǎn)，使工藝需要的設(shè)備進(jìn)行連續(xù)順序起停。電控柜內(nèi)安裝柜組電源開關(guān)、配電保護(hù)開關(guān)、電機(jī)保護(hù)開關(guān)、可編程序控制器（PLC）、變頻器、交流接觸器以及聲光報(bào)警裝置等。

4.2 項(xiàng)目中的難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目中煙葉的松散度及流量穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以對潤葉筒、電子秤的控制至關(guān)重要。煙草潤葉機(jī)是煙草行業(yè)打葉復(fù)烤生產(chǎn)線上的重要設(shè)備，它的主要用途是對打葉前的煙葉片進(jìn)行增溫增濕處理，使煙葉片的濕度、溫度值達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo)。

潤葉機(jī)內(nèi)部的工作機(jī)理是十分復(fù)雜的，由于沒有能直接檢測其內(nèi)部工作狀態(tài)的儀表，到目前為止，還沒有一個(gè)用數(shù)字表達(dá)式精確描述其內(nèi)部特征的數(shù)字模型，可供實(shí)際生產(chǎn)過程控制。近幾年來，國外采用的潤葉機(jī)的控制策略主要是根據(jù)反饋原理設(shè)計(jì)的定值控制，如PID控制、前饋控制等。這種控制方法，對于隨機(jī)干擾因素眾多的潤葉機(jī)，系統(tǒng)超調(diào)量大，且對調(diào)節(jié)變量的動(dòng)作頻繁。造成蒸氣電動(dòng)閥門的經(jīng)常性頻繁動(dòng)作、潤透率不高等結(jié)果。因此傳統(tǒng)的控制策略無法實(shí)現(xiàn)對潤葉機(jī)的有效控制。

針對潤葉機(jī)控制有隨機(jī)干擾因素多、時(shí)變性強(qiáng)，時(shí)滯性強(qiáng)、具有大慣性和非線性的特點(diǎn)，采用模糊控制思路進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，克服這些問題。模糊規(guī)則的建立就是把影響潤葉機(jī)的主要因素收集起來，并把在線的數(shù)據(jù)與潤葉機(jī)的工作機(jī)理、操作者的經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)過程的特征、專家知識等結(jié)合起來，把這些知識總結(jié)成一定的規(guī)律和表達(dá)方式，再加上傳統(tǒng)控制理論和現(xiàn)代控制理論、信息學(xué)、邏輯學(xué)、潤葉工藝等的知識綜合，編成計(jì)算機(jī)程序，存放在控制主機(jī)內(nèi)，構(gòu)成控制系統(tǒng)的知識庫和自動(dòng)控制系統(tǒng)，使控制主機(jī)能對外界(煙葉性質(zhì)、流量、水份、溫度、蒸氣壓力、轉(zhuǎn)速等)信號做出判斷。并根據(jù)要求選擇出相應(yīng)合理的補(bǔ)加水量和蒸氣流量，賦予控制主機(jī)的“知識庫”，包括描述潤葉機(jī)外部特性的一組規(guī)則，如：

規(guī)則l：如果流量增大而目水分偏低，那么蒸汽閥門多開—些；規(guī)則2：如果流量增大而且水分正好，那么蒸汽閥門少開一些；規(guī)則3：如果流量減小而且水分偏高，那么蒸汽閥門多關(guān)一些；………

規(guī)則n：如果流量不變而且水分偏低，那么蒸汽閥門少開一些。

控制器將這些規(guī)則以符號的形式總結(jié)出來，并采用數(shù)學(xué)理論、模糊推理和模糊決策，計(jì)算出執(zhí)行器的動(dòng)作量，通過輸出接口實(shí)現(xiàn)水分的控制。本系統(tǒng)潤葉機(jī)控制就是基于這種策略。

（1）水分控制回路。影響出口水分的因素有：進(jìn)入潤葉機(jī)的煙葉等級、煙葉流量及其含水率，潤葉筒的筒內(nèi)溫度，補(bǔ)加蒸汽的壓力及加入量。因此，采用紅外水分儀檢測潤葉機(jī)入口、出口處煙葉水分。采用全懸浮式電子皮帶秤檢測進(jìn)入潤葉機(jī)煙葉流量，采用氣動(dòng)薄膜控制進(jìn)入潤葉機(jī)前后的蒸汽流量?？刂破鞲鶕?jù)各參數(shù)對出口水分的影響程度形成模糊前饋塊和模糊規(guī)則塊，兩者組合形成針對水分回路的前饋一反饋模糊控制器，該模糊控制器根據(jù)進(jìn)入潤葉機(jī)煙葉流量、水分、煙葉溫度、煙葉等級等變量，查詢對應(yīng)規(guī)則，使?jié)櫲~機(jī)在各種干擾條件下，能自動(dòng)尋優(yōu)，按最佳作業(yè)參數(shù)組合運(yùn)行，使煙葉水分及潤透率控制在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。其控制框圖如圖12所示。

圖中f1 、f2 、f3 分別指對出口水分有影響的干擾量：煙葉流量及水分乘積的變化量、煙葉等級、出口煙葉溫度。其中E 、?是檢測水分與設(shè)定水分的偏差及偏差變化，這兩個(gè)參數(shù)作為模糊控制器的主要輸入?yún)?shù)，確保系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使水分盡量在被控范圍內(nèi)。但如果僅將E 、?作為控制器的輸入，而不考慮各干擾因素的影響，必然會導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)延緩、振蕩劇烈。因此引入模糊前饋控制塊，將影響出口水分的主要因素f1 和出口設(shè)定水分作為其輸入，得出一前饋控制量uf，同時(shí)將該控制量直接作用在后補(bǔ)加蒸汽的氣動(dòng)薄膜閥上，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)性。因此，該回路是一個(gè)前饋+反饋模糊控制回路。

圖12 水分控制回路框圖

（2）溫度控制回路。溫度控制回路通過紅外溫度儀檢測出口的煙葉溫度，用熱電偶檢測進(jìn)入潤葉機(jī)的循環(huán)熱風(fēng)的溫度，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的變頻速度和熱風(fēng)閥的開度來調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)循環(huán)速度。控制框圖如圖13所示。

圖13 溫度控制回路框圖

選擇出口的煙葉溫度作為主被控對象，熱風(fēng)溫度為副被控對象。將影響出口溫度的因素(循環(huán)熱風(fēng)溫度和補(bǔ)加蒸汽總量)作用在熱風(fēng)溫度這個(gè)對象上，這樣熱風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)速度就會加快，可以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。主調(diào)節(jié)模糊控制塊根據(jù)出口煙葉溫度的偏差及偏差變化，形成控制規(guī)則，得出輸出量“，通過計(jì)算得出熱風(fēng)溫度值Tu，該值作為副調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值。該設(shè)定值Tu和熱電偶檢測到的熱風(fēng)溫度值，形成偏差，作為副調(diào)節(jié)模糊控制塊的輸入變量，形成控制規(guī)則，得出一輸出變量“，該輸出變量為熱風(fēng)氣動(dòng)薄膜閥的新增開度。同時(shí)，副調(diào)節(jié)模糊控制塊還將進(jìn)入筒內(nèi)的蒸汽量(由閥的開度間接反應(yīng))作為其輸入，該輸入量不參與控制規(guī)則的形成，只是對輸出變量u進(jìn)行比例修正。

5.項(xiàng)目運(yùn)行

本項(xiàng)目2008年8月份投入運(yùn)行使用至今，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定、可靠，使用部門及操作人員反映良好，產(chǎn)品質(zhì)量得到上海煙草（集團(tuán)）公司高度認(rèn)可。

[1]WinCC flexible 2008 手冊．

[2]西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)．深入淺出西門子WinCC V6(第二版)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005．

[3]北京長征高科技公司．YD34．D華環(huán)國際煙草有限公司2×1200kg/h挑選線設(shè)備電控系統(tǒng)使用說明書[M]．2008．

[4]王磊,張壽明,汪芬．潤葉機(jī)控制及整線流量控制系統(tǒng)[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2007(10)．