汪平，劉智平，姜黎明，楊遵偉，李明桃，付超達(dá)

（四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司什邡卷煙廠，四川 什邡 618400）

近年來(lái)，隨著工廠卷煙品牌風(fēng)格特征的確定以及2016版《卷煙工藝規(guī)范》的實(shí)施，現(xiàn)有加水系統(tǒng)的控制精度已不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。作為卷煙加工關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一的香料廚房工序，其定量加水在配制糖料過(guò)程中的摻配精度直接影響著所配料液的品質(zhì)，而料液的品質(zhì)對(duì)卷煙風(fēng)格特征的穩(wěn)定性有重要影響，所以定量加水系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)對(duì)提高工廠卷煙產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)和管理成本具有重要意義。

1 改造前狀況

工廠的香料廚房系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)煙機(jī)公司2004 年設(shè)計(jì)制造，其定量加水系統(tǒng)主要由水源、電磁流量計(jì)、加水管路元件和控制程序這四部分組成，改進(jìn)前管路示意圖如圖1 所示。

圖1 改進(jìn)前定量加水系統(tǒng)管路示意圖

其工作過(guò)程為：當(dāng)設(shè)定好加水量后，啟動(dòng)系統(tǒng)往調(diào)制罐7 內(nèi)定量加水，流量計(jì)前閥4 開啟對(duì)管路進(jìn)行預(yù)填充，延時(shí)一定時(shí)間后，調(diào)制罐補(bǔ)水球閥6 開啟，同時(shí)電磁流量計(jì)開始計(jì)量，當(dāng)電磁流量計(jì)的累積量與設(shè)定加水量一致時(shí)，球閥4 和6 關(guān)閉，定量加水過(guò)程完成。在設(shè)備使用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)定量加水系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

（1）定量加水控制精度低。定量加水系統(tǒng)的水源為自來(lái)水經(jīng)過(guò)軟化處理器后的軟化水，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用水高峰期時(shí)，自來(lái)水水壓波動(dòng)造成軟化水水壓波動(dòng)，從而降低了電磁流量計(jì)的計(jì)量精度；另外，定量加水系統(tǒng)在預(yù)填充時(shí)管路處于密閉狀態(tài)，管路中的氣泡無(wú)法排除，造成水在管路中預(yù)填不充分，當(dāng)開始往調(diào)制罐內(nèi)加水時(shí)，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)電磁流量計(jì)計(jì)量的水未完全流入到調(diào)制罐中。經(jīng)測(cè)試，定量加水系統(tǒng)實(shí)際控制精度為2.13%，不能滿足卷煙工藝規(guī)范對(duì)加水控制精度≤0.5%的要求。

（2）生產(chǎn)效率低。經(jīng)過(guò)軟化處理器的軟化水流量小，導(dǎo)致配制過(guò)程中定量加水時(shí)間延長(zhǎng)。經(jīng)測(cè)試，定量加水100kg 時(shí)，需要用時(shí)667s。

綜上所述，原有的香料廚房定量加水系統(tǒng)已不能滿足工廠卷煙生產(chǎn)的要求。為此，對(duì)香料廚房定量加水系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

2 改造方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

（1）增加儲(chǔ)水罐，為定量加水系統(tǒng)提供穩(wěn)定的水源；同時(shí)，儲(chǔ)水罐需要具有計(jì)量功能。（2）提高加水系統(tǒng)中水流流量檢測(cè)元件的計(jì)量精度；定量加水系統(tǒng)滿足控制精度≤0.5%的要求。（3）縮短配制過(guò)程中定量加水時(shí)間；實(shí)現(xiàn)水在管路中的預(yù)填充和管路余水回收。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，對(duì)定量加水系統(tǒng)的管路進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，改造后管路示意圖如圖2 所示。

圖2 定量加水系統(tǒng)改造后管路示意圖

其管路主要由三部分組成，其功能分別為：

（1）儲(chǔ)水罐進(jìn)水管路。通過(guò)補(bǔ)水閥3 和壓力變送器6完成儲(chǔ)水罐水位控制。

（2）定量加水管路。首先，通過(guò)出水閥9、多級(jí)離心泵10、流量計(jì)前閥12 和回水閥4 完成水在管路中的預(yù)填充；然后，通過(guò)補(bǔ)水閥4 完成對(duì)調(diào)制罐的定量加水；最后，通過(guò)回收閥17 和單向閥16 完成對(duì)水管中余水的回收。

（3）儲(chǔ)水罐排污管路。通過(guò)排污閥8 完成儲(chǔ)水罐中余水的排放。

2.3 機(jī)械元件選型

（1）儲(chǔ)水罐。儲(chǔ)水罐須具備盛裝配制兩批次料液需要加水量的容積,選擇儲(chǔ)水罐容積為500L 的罐體。為滿足加水系統(tǒng)的功能，其需要具有以下接口：帶蓋的罐口、進(jìn)水口、回水口、排水口和壓力傳感器安裝接口。向罐體生產(chǎn)廠家提出技術(shù)要求進(jìn)行定制購(gòu)買。

（2）多級(jí)離心泵。為提高定量加水時(shí)水在管路中的水壓，采用泵對(duì)水進(jìn)行輸送。因多級(jí)離心泵具有高效節(jié)能、性能范圍廣、運(yùn)行安全平穩(wěn)、低噪音、長(zhǎng)壽命、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)思路，選擇格蘭富CHI2-60 型多級(jí)離心泵，其額定能力為2500kg/h。

（3）其余管路元件。管路中使用氣動(dòng)球閥都選擇費(fèi)斯托CRQH-ER-3/4-B-SA 型兩通球閥；管路都采用DN32 的不銹鋼管進(jìn)行連接；其余元件根據(jù)實(shí)際需要選擇。

2.4 電氣元件選型

（1）質(zhì)量流量計(jì)。科式力質(zhì)量流量計(jì)因其測(cè)量準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，可在較大量程比范圍內(nèi)，對(duì)流體質(zhì)量流量實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)量精度要求高的食品和醫(yī)藥行業(yè)。為提高加水流量的計(jì)量精度以及滿足控制要求，選用恩德斯豪斯PROMASS83F-DN15 型高精度的質(zhì)量流量計(jì)，其質(zhì)量流量測(cè)量準(zhǔn)確度為0.2 級(jí)。

（2）變頻器。為配合多級(jí)離心泵更好的對(duì)水壓的調(diào)節(jié)，選擇丹佛斯VLT2800 型通用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)多級(jí)離心泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（3）其余電氣元件。在儲(chǔ)水罐底部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號(hào)點(diǎn)需要西門子ET200S 中數(shù)字輸入/出模塊各2 塊，模擬信號(hào)輸入模塊1 塊。

2.5 軟件改造

運(yùn)用西門子SIMATIC Manager 項(xiàng)目管理軟件，完成以下軟件改造設(shè)計(jì)工作。

（1）電氣元件組態(tài)。把增加的質(zhì)量流量計(jì)和變頻器添加到香料廚房S7-400 PLC 控制系統(tǒng)的PROFIBUS 網(wǎng)中，其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3 所示，圖中PROFIBUS-DP 地址88 和89 為硬件系統(tǒng)增加的質(zhì)量流量計(jì)和變頻器。

圖3 電氣元件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

（2）程序設(shè)計(jì)。儲(chǔ)水罐水量控制的工作過(guò)程為：當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到儲(chǔ)水罐的水量低于450kg 時(shí)，補(bǔ)水閥3 開啟為儲(chǔ)水罐補(bǔ)水；當(dāng)水量達(dá)到490kg 時(shí)，補(bǔ)水閥3 關(guān)閉；生產(chǎn)配制過(guò)程中，循環(huán)以上控制過(guò)程。儲(chǔ)水罐水量控制的程序如圖4 所示。

定量加水系統(tǒng)的工作過(guò)程為：當(dāng)設(shè)定好加水量后，啟動(dòng)系統(tǒng)，多級(jí)離心泵10、回流閥4、出水閥9 和流量計(jì)前閥12開啟對(duì)管路進(jìn)行預(yù)填充；延時(shí)30s 預(yù)填充完成后，回流閥4關(guān)閉，調(diào)制罐補(bǔ)水閥14 開啟，同時(shí)質(zhì)量流量計(jì)13 開始計(jì)量；當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)的累積量與設(shè)定加水量一致時(shí)，出水閥9 和調(diào)制罐補(bǔ)水閥14 關(guān)閉；調(diào)制罐定量加水完成后，開啟回收閥17 和回流閥4 以及同未關(guān)閉流量計(jì)前閥12 一起，利用壓縮空氣對(duì)管道中水實(shí)現(xiàn)回收；延時(shí)30s 水回收完成后，關(guān)閉多級(jí)離心泵、球閥4、12 和17，定量加水過(guò)程完成。定量加水系統(tǒng)主要控制程序如圖5 所示。

圖4 儲(chǔ)水罐水量控制程序圖

圖5 定量加水系統(tǒng)主要控制程序圖

3 應(yīng)用效果

定量加水系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造完成后，經(jīng)測(cè)試，定量加水100Kg 時(shí)，需要用時(shí)211s，生產(chǎn)效率顯著提高，改造后比改造前提高了68.4%；定量加水系統(tǒng)的控制精度提高顯著，定量加水系統(tǒng)的控制精度從改造前2.13% 提高到改造后0.07%。定量加水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)完成以后，有效的滿足了香料廚房配料的控制要求；同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性、精確性和經(jīng)濟(jì)性。