| 标题 | PLC控制在烟草制丝线分组加工新工艺中的应用 |
| 范文 | 张东岳 摘要：在传统的烟草制丝线生产过程中，原有工艺是基于品牌配方进行规模生产，在烟草生产工艺不断进步且分工明确的背景下，分组加工技术在烟草制丝线中开始使用。分组加工技术是在传统生产工艺基础上引入模块的概念，在此基础上，传统意义上的烟草生产工艺已经不能满足新工艺的发展需求。本文在对传统烟草制丝线控制系统相关研究的基础上，通过优化PLC控制程序以适应分组加工发展需求，促进效率和质量提升，也为控制精度的提高奠定基础。 关键词：品牌配方；模块；分组加工；PLC控制系统 原有的烟草生产过程是将烟叶以及烟梗原料进行复烤加工后，利用传统工艺手法，将复烤后的烟叶和烟梗进行切片、回潮，再经过加料、切丝、烘干，最后将烟丝按照特定的配方作进一步的掺配、加香，在此基础上形成了最终的卷烟成品。 随着生活方式的改变，人民的健康观念不断更新，越来越多的不良生活习俗慢慢被改变，逐渐消失。虽然吸烟一直以来是中国乃至整个人类公认的有害健康的行为，但很多人群依旧难以根除。因此通过降低烟内的焦油量来降低吸烟的危害，提高烟制品安全品质的中式卷烟制品迅速发展。“中式卷烟”的快速发展得益于分组加工工艺的普及，其生产原理是基于传统工艺的前提下，根据不同的品牌配方，在横向或纵向上划分不同的子模块，按照特定的工艺加工制作，最后将不同模块的产品进行最终的组装，掺配、加香，从而形成最终的产品烟丝。 一、工艺流程概述 基于传统的工艺手法，通过对烟草生产工艺进行重新的规划和优化设计，适应烟草行业的发展，对烟草制丝线工艺流程进行如下调整，如下图。 调整后的制丝线具有以下线路： （一）传统工艺线路 1）A路制丝线>HDT气流烘丝>掺配加香>成品烟丝； 2）A路制丝线>KLK薄板烘丝>掺配加香>成品烟丝； 3）B路制丝线>HDT气流烘丝>掺配加香>成品烟丝； 4）B路制丝线>KLK薄板烘丝>掺配加香>成品烟丝； （二）分组加工工艺线路 1）A路制丝线>HDT气流烘丝>叶丝暂存柜； 2）A路制丝线>KLK薄板烘丝>叶丝暂存柜； 3）B路制丝线>HDT气流烘丝>叶丝暂存柜； 4）B路制丝线>KLK薄板烘丝>叶丝暂存柜； 5）叶丝暂存柜>掺配加香>成品烟丝； 二、分组加工新工艺的特殊功能 在传统配方的基础上，通过引入分组加工工艺手法，将每个品牌配方划分为若干横向或纵向子模块，这些子模块分别经过KLK和HDT等不同的烘丝工艺加工后，进入到叶丝暂存柜中进行存储，等不同配方的子模块加工完并形成半成品后，最后再进行掺配、加香，从而形成最终的烟丝产品。 （一）叶片处理 在分组加工工艺中，生产子模块投入量与贮叶柜的容量之间存在不等，一个批次的子模块的投料量最高为24吨，而贮叶柜仅为8吨，因此在本次的PLC控制系统中增设了生产不停机情况下的贮叶柜自动换柜功能，进而保证生产的连贯性，提高生产效率。 （二）叶丝暂存柜进料 叶丝暂存柜也需要在烟丝制造新工艺的基础上进行相应的优化设计，以满足KLK薄板式和HDT气流式两种不同的烘丝工艺生产需求。传统的烟草生产工艺使普通的贮叶柜仅仅能满足单种品牌配方的存储的要求，而分组加工新工艺设计增添了叶丝暂存柜这一有效存储单元，通过程序设计可以在同一时间接受来自两种不同生产线的任务，满足新工艺的特殊要求。 暂存柜内的操控系统具有一定的人工智能化，可以在一定程度上对进料信息进行预判，对于来自多个不同的模块进料进行先行判定，是否属于同一个配方，如果是多个不同配方的进料，HMI监控系统会禁止进料并警示操作人员。在暂存柜只有一种配方的情况且仅有部分子模块，同时柜内存贮的烟丝不是完整的品牌配方，此时控制系统自动设定为锁定模式，出料被禁止并提醒操作人员；只有在一种品牌配方且模块完整备齐后，方可出料，控制系统会自动调整模式，放料出柜。 （三）叶丝暂存柜出料 多个暂存柜内的品牌配方组装完毕后，为保证品牌的均匀一致性，要求多个暂存柜同步出料，并且出柜的相对误差小于±0.5。为保证出柜精度，在暂存柜底带安装了轴编码器，用于精确检测暂存柜底带运行的距离。由于需要保证的是相对误差，因此任选一个暂存柜作为基准柜，另外一个暂存柜作为比较柜；运行时，将两个编码器的反馈计数比较，误差大于设定值时，调节比较柜的底带变频器速度，从而保证暂存柜的出料同步。经实测，同步出料时的相对误差小于±0.5%，满足工艺要求。 三、控制系统的组成及其配置 烟草制丝线分组加工新工艺的控制系统为三层体系架构，系统层次分为设备控制层（控制系统）、集中监控层（集中监控系统）、生产管理层（制丝生产执行管理系统）。 （一）设备控制层 現场设备控制层由多种元件构成，包括PLC电控柜、分布式I/O站，还配有现场操作终端供人工操控使用。变频器、软启动器、电子皮带秤均为重要的构成部件。还有温度传感器、水分仪、流量计等不同功能的部件组成。 设备控制层由特定PLC程序控制完成，集合了各种功能的编程，可以实现分组加工新工艺的自动功能，实现对电机开启和关闭，生产调度的调控。同时可以对相应的参数进行控制，如水分、温度和压力等。在每个生产控制段中可以根据生产工艺的特定需求对相应的参数进行调整，使其满足生产要求。通过对不同生产工艺段的调度，使其满足整条生产线的开关调控，或分段开工，实现生产过程中的高度灵活。不仅节省了能耗，也实现了按需生产的目的，是柔性加工生产的具体体现。 该层由SIEMENS公司的S71500 系列PLC、ET200S系列分布式I/O站、现场触摸屏人机操作界面及测控器件组成。 （二）集中监控层 集中监控层是由两套（4台）SCADA数采I/O服务器、2台监控客户计算机（双屏设置）、一台工程师维护站（双屏设置）、实时历史数据库服务器、WEB发布服务器、网络通讯设备以及计算机操作系统软件、监控组态软件、网络通讯软件等组成。 该层为控制系统的人机交互接口，以I/O服务器为核心，采用客户端/服务器（C/S）方式，完成整线集中控制操作、监视、设备及生产工艺数据采集和存储、配方管理、报警显示、记录等功能。 接收由制丝生产执行管理系统下达的批次生产控制指令与加工参数，并按照生产要求进行设备段的控制，并反馈相关的批次加工信息。 集中监控层将采集的数据通过生产管理以太网存储到实时历史数据库服务器中；同时通过Web发布服务器将生产线的关键实时监控信息发布到厂级管理部门，便于整个烟厂相关部门都能够方便快捷的实时获取制丝线的生产信息，了解生产进度和协调生产过程。 （三）生产管理层 生产管理层由生产调度管理机、SPC质量分析计算机、报警综合信息计算机、管理数据库服务器、管理应用服务器、SPC服务器、接口服务器、交换机等组成。 制丝生产执行管理系统采用先进成熟的客户端/服务器（C/S）方式，基于MicroSoft 公司的.NET 框架，并具备与厂级计算机网络连接功能。生产管理层内设备通过以太网交换信息。 在车间层面建立质量分析系统，对各个生产环节、现场关键设备及工艺点进行重点监视和管理，对实时性质量数据进行计算统计，实现执行层质量方面的管理功能；建立双向数据传输途径，既能执行MES生产任务进行生产组织，对生产过程作调度，又能对MES系统下达的生产任务进行必要的维护工作；并将实时质量、生产任务响应反馈和完成数据信息通过管理数据服务器上传给MES/ERP系统，为企业及时了解生产过程、制定战略决策提供重要依据。 四、控制系统功能及其特点 （一）生产任务管理功能 生产任务单以批次号为主线，包括牌号、模块号、工艺路线、配方号、水分、温度和流量等各配方参数设定值字段，随批号自动下发，参与过程控制。制丝线生产任务是按批次进行管理。当 “配方”选择开关设置在“远程”模式时，制丝线的生产任务单（含配方参数）由生产执行管理系统从MES 获得并下发至监控和PLC系统，生产执行管理系统来管理每一批次生产任务的开始和结束。 在“远程”模式，监控系统生产任务单参数禁止输入和修改，只能显示生产任务和随任务下达的配方工艺参数；监控和PLC系统按生产任务单执行，并实时采集任务单实际执行情况，反馈到生产执行管理系统。 （二）集中监控功能 集中监控系统属于中枢桥梁的作用，是实现生产管理系统与PLC控制系统之间的连接纽带，可以将生产管理的命令传达至生产线，将生产任务、配方等信息输送到生产中去，按照制定的任务和要求进行生产。并进行有效的监控。对生产线生产的过程参数进行有效的监控，发现问题及时报警处理；使得生产工艺的参数在制定范围内，对生产工艺参数进行采集，并按照规定的模式生成趋势图和报表，供监控和管理部门查看，对生产信息进行及时有效的反馈。同时通过设定不同用户的角色及相应的权限，提升了系统整体安全效果，整个认证和操作日志均是在实名制基础上进行。 在线工艺参数、在线质量数据、在线设备状态数据、在线物料数据等均可在现场监视终端设备中进行有效的显示。例如对生产线中的料液流量及累计信息进行有效的反馈，同时也可以对储柜的生产批号及运行状态等信息进行有效的监控。 （三）生产报表统计功能 当每批次生产结束后，自动产生该批次报告，批次报告包含当前批次的生产任务单参数，实际运行参数（例如实际进柜号等）以及本段关键工艺参数的平均值、标准偏差、最大值、最小值及累积量。 （四）设备控制功能 所有的控制反馈操控集中在同一画面进行操控，提高了控制和操作的水准，同时也提升了安全效果。主要功能见下图： 组合启动和停止：按启动组划分，启动和停止相关设备。 单机设备的启停：主要单机设备如回潮机、加料机、烘丝机需单独预热、预填充启动、停止等。 控制方式设置：对某个启动组、对单个储柜设置手动/自动、进出料禁止/允许控制方式。 批次生产操作：包括生产暂停、换批次、复位总量等操作。 切丝机选择：切丝机选择可随任务单下发，也可在监控系统选择。 修改批次任务参数：授权帐户登录，可以修改未生产的批次任务参数。 以上控制功能的操作需用户具有足够的权限，且重要操作如“复位总量”等须经二次确认后方能生效，以确保操作的安全性和确定性。 （五）历史趋势查询功能 对于生产过程中的关键工艺参数和设备运行状态，基于趋势图和报表形式进行控制，评估相关的质量和状态信息，实现一定程度上的智能化调控。 PID控制回路显示流量、水份、温度等控制参数的实时变化趋势。历史曲线窗口提供重要过程数据长时段（可定义60天，90天等）的存档分析，可查询任一天的任何数据。 （六）回路控制功能 显示TB松散回潮机、HT增温增湿机等重要单机设备的控制器的所有详细数据并可对控制器进行操作，分别以数字、直方图、实时趋势图形式显示，回路设定值、过程值和输出值采用不同颜色标识。授权人员可以在线修改回路控制的P、I、D參数和手/自动状态及手动时的输出值设定。 （七）在线诊断功能 系统提供生产操作帮助及完整的使用说明信息。提供分类和详细的各项帮助信息，便于操作人员简便的使用本系统，并对各项操作给出相应的提示，减少人为失误。 如启动诊断，提供有关启动条件的信息。只有条件满足（启动释放），相应组才能启动。 （八）报警功能 实时报警管理建立在实时数据采集的基础上，系统根据标签点的定义，定义指定工艺或质量点的报警限，报警限包括：高限、高高限、低限、低低限、偏差报警、变化率报警。实时报警能设立优先级，定义报警区和类别。 系统能够对实时报警进行操作和记录，包括报警过滤、报警排序、报警确认、报警取消等。用户能够对报警显示内容的格式进行定制。系统同时提供对系统本身的诊断报警功能，如通讯故障或启动故障等均以报警信息的形式提供。系统还能提供报警信息的在线帮助内容。 （九）设备参數设置功能 工艺参数包括与牌号相关的配方参数和其它非配方工艺参数。配方参数由生产执行管理系统统一管理，由专职人员负责维护配方库，配方参数随生产任务单自动下发到监控系统，在每批次生产过程中配方参数不允许修改。监控系统单独以列表等形式实时显示当前批次配方参数和下一批次配方参数。系统在“远程”模式下，自动接收制丝生产执行管理系统下发的任务参数；系统在“本地”模式下，授权人员可以通过集中监控系统的生产任务管理界面输入或修改任务参数，以满足系统的最大灵活度。 非配方工艺参数实时显示当前批设定参数值，系统在“参数允许修改”模式下，由授权人员对设定参数值调节维护，根据实际生产情况修改，修改记录存储到关系型数据库，便于质量追踪。 五、结论 传统的制丝线采用的是以品牌配方来组织生产，生产线路单一，缺乏灵活性。在烘丝工艺中，HDT和KLK两种模式只能选择单线进行，生产效率低下，不能实现分组加工工艺的目的；本文在传统烟草工艺的基础上，对制丝线设备及控制程序进行优化设计，实现两条制丝线并行生产，对于不同品牌配方和子模块系统进行同步处理，提高了工作效率，满足了分组加工工艺的要求。 经过生产证明：整套控制系统安全可靠，运行状态良好，有完善的生产管理功能，并能满足分组加工工艺的特点，得到用户的好评。 参考文献： [1]冯纯伯.自动化技术.南京：江苏科学技术出版社，1993. [2]宋德玉.可编程序控制器原理及应用系统设计技术[J].冶金工业，2009.3. |
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