水槽式煙梗回潮機水溫控制的改進與應(yīng)用

陳 烜 車本佳 鐘宴雄

（廣東中煙工業(yè)有限責任公司梅州卷煙廠，廣東 梅州 514011）

0 引言

水槽式煙梗回潮機主要由波紋板水槽、過渡水槽、刮板、刮板驅(qū)動電機、水箱、循環(huán)水泵、濾水網(wǎng)帶輸送機、水箱進水管路系統(tǒng)、水箱水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)、溫度傳感器、音叉液位開關(guān)等組成[1]，水箱進水和水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)所需的閥門器件等集中置于管控柜內(nèi)。

水槽式煙梗回潮機是利用恒溫循環(huán)水通過洗梗加浸梗模式完成煙梗的清洗和增溫增濕處理，以期提高煙梗純凈度、溫度、含水率和耐加工性，為后續(xù)煙梗二次回潮、切梗絲等工序提供符合工藝要求的煙梗物料。其工作原理為：煙梗通過上游振動輸送機輸送進入水槽式煙梗回潮機后，在循環(huán)水泵抽取水箱熱水形成輸出水流的帶動下進入波紋板水槽，循環(huán)水在波紋板水槽作用下形成湍流，沖擊煙梗翻滾向前運動，使煙梗能夠得到充分清洗，煙梗中的灰塵和果膠等溶于水中，煙梗夾雜的砂石和金屬物等沉入水槽底部，清洗后的煙梗在水流帶動下經(jīng)過渡水槽進入刮板輸送裝置，煙梗在刮板帶動下在工藝要求范圍內(nèi)的熱水中浸泡并輸送至濾水網(wǎng)帶輸送機，瀝除表面水分后進入下一個工藝處理工序[2]。

設(shè)備由煙梗預(yù)處理工藝段S7-416 PLC進行控制。設(shè)備運行分為三種狀態(tài)，即預(yù)熱、生產(chǎn)、清洗。預(yù)熱：在自動模式下設(shè)備補水電磁氣動角閥打開，水箱開始進水，當水箱低位音叉液位開關(guān)被水浸沒后，循環(huán)水泵開始運行，水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)的電磁氣動角閥打開對水箱內(nèi)的自來水進行加熱，當水箱高位音叉液位開關(guān)被水浸沒后，進水閥門關(guān)閉，當水溫達到預(yù)熱設(shè)定溫度值60 ℃后，蒸汽閥門關(guān)閉，預(yù)熱完成，設(shè)備具備生產(chǎn)條件；生產(chǎn)：當上游電子皮帶秤瞬時流量大于設(shè)定值后，PLC控制系統(tǒng)自動判定設(shè)備進入生產(chǎn)狀態(tài)，煙梗經(jīng)電子皮帶秤和振動輸送機進入設(shè)備進行清洗和浸泡，水位低時系統(tǒng)自動進行補水，水溫低時系統(tǒng)自動進行加熱。

1 存在問題及原因分析

1.1 水箱水溫波動大

在實際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)一批次煙梗的水箱水溫介于53.9℃至61.3℃之間，水溫平均值為57.3 ℃，水溫標準偏差為1.5 ℃，水溫不能穩(wěn)定在工藝指標要求的（60±3）℃范圍內(nèi)，水溫波動導(dǎo)致生產(chǎn)一批次煙梗的溫度均勻性、含水率和耐加工性等均存在差異，從而影響了煙梗后續(xù)工序的加工質(zhì)量。設(shè)備改進前水溫波動情況如表1所示。

1.2 原因分析

因清洗煙梗導(dǎo)致循環(huán)水含雜質(zhì)較多、顏色變黑、濁度偏高時，操作工需視情手動打開水箱排水閘閥進行適當排水，從而造成水位降低，同時煙梗受熱吸收水分亦會造成水位降低。當水箱水位降至低位后，補充水電磁氣動角閥自動打開對水箱進行補水，當水箱水位補充至高位后閥門關(guān)閉，補充水為自來水且單次補水量較大，水箱水溫受補水擾動就會降低。同時，目前水箱水溫采用上下限自動控制，控制模式簡單，低于下限設(shè)定值58.5 ℃時蒸汽加熱系統(tǒng)對循環(huán)水進行加熱，高于上限設(shè)定值61.5 ℃系統(tǒng)停止加熱，因水溫控制具有慣性大、滯后性大和非線性等特點，該控制模式造成生產(chǎn)過程中循環(huán)水水溫波動較大。為此，確定單次補水量大和水溫自動控制模式不合理是造成水溫波動較大的主要原因。

2 改進措施

2.1 新增中位音叉液位開關(guān)

為減少生產(chǎn)過程中水箱補水對水溫的擾動，采取減少單次補水量和增加補水頻次的方法，來降低因單次補水量多造成循環(huán)水水溫下降幅度大的問題，具體改進措施為在現(xiàn)有高位和低位音叉液位開關(guān)之間增加中位音叉液位開關(guān)（圖1）。經(jīng)分析論證，決定中位音叉液位開關(guān)的安裝位置位于高、低位音叉液位開關(guān)中心距偏上位置，以期達到盡可能減少單次補水量和增加補水頻次的目的。選取水槽式煙梗回潮機附近的I/O箱子站內(nèi)DI模塊中的空余開關(guān)量輸入點作為此中位音叉液位開關(guān)信號輸入點，并完成控制線路接線。

圖1 中位音叉液位開關(guān)安裝位置設(shè)計圖

2.2 補水控制程序改進

針對人工排水單次排水量大造成水箱水位下降幅度大的情況，PLC控制程序改進思路：當水箱水位低于中位音叉液位開關(guān)時，補充水電磁氣動角閥打開對水箱進行補水，當水箱高、中、低位音叉液位開關(guān)被水浸沒并延時后停止補水。

針對煙梗吸收水分造成水箱水位小幅下降的情況，PLC控制程序改進思路：當水箱水位低于高位音叉液位開關(guān)一定時間后，補充水電磁氣動角閥打開對水箱進行補水，當水箱高、中、低位音叉液位開關(guān)被水浸沒并延時后停止補水。

具體控制程序流程圖設(shè)計如圖2所示。

圖2 補水控制程序流程圖

2.3 新增氣動薄膜調(diào)節(jié)閥

目前使用的水溫蒸汽加熱管路系統(tǒng)的蒸汽電磁氣動角閥只具備全開和全關(guān)兩種狀態(tài)，無法根據(jù)水溫變化自動實時調(diào)整蒸汽施加量，具體改進措施：采用帶閥門定位器的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥替代電磁氣動角閥，根據(jù)新的水溫控制算法實時調(diào)整閥門開度，實現(xiàn)閥門開度可調(diào)可控。

經(jīng)分析論證，決定氣動薄膜調(diào)節(jié)閥安裝位置（圖3）為原蒸汽電磁氣動角閥位置，閥門機械安裝及配套管道改造后，完成此閥門PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線控制線路接線、PROFIBUS-PA硬件組態(tài)及地址設(shè)置。

圖3 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥安裝位置設(shè)計圖

2.4 水溫梯度控制程序改進

水溫手動控制模式：在該控制模式下，操作人員根據(jù)水溫波動變化手動調(diào)整氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開度，使調(diào)節(jié)閥按手動開度設(shè)定值開啟。

水溫自動控制模式：水溫控制采用梯度控制模式替代水溫上下限控制模式，具體為將現(xiàn)有水溫控制下限設(shè)定值58.5 ℃和上限設(shè)定值61.5 ℃重新劃分為8個溫度梯度區(qū)間，每個溫度梯度區(qū)間跨度值均為0.5 ℃，每個溫度梯度區(qū)間根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定相應(yīng)的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開度值，系統(tǒng)根據(jù)水溫設(shè)定值與實際測量反饋值的差值自動判斷差值位于哪個溫度梯度區(qū)間，然后自動按設(shè)定值控制氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開度。

為防止氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開度瞬間過大引起蒸汽流量瞬間增大進而產(chǎn)生水錘對蒸汽管道的沖擊，采用閥門開度設(shè)定值遞增方式予以控制，具體為：當閥門開度設(shè)定值輸出由小變大時，采用每秒鐘開1%的梯度遞增方式控制閥門實際開度并使其達到設(shè)定值。

具體控制程序流程圖設(shè)計如圖4所示。

圖4 水溫控制程序流程圖

在煙梗預(yù)處理段PLC項目程序中新建一個“水溫梯度控制”標準塊，根據(jù)前述功能設(shè)計，采用STL語言編寫水溫梯度控制標準塊程序，該程序具備水溫手/自動控制功能，手動狀態(tài)下將薄膜閥手動開度設(shè)定值直接賦給閥門，實現(xiàn)手動控制閥門開度，自動狀態(tài)下PLC根據(jù)水溫設(shè)定值與測量值的差值自動判斷差值位于哪個溫度梯度區(qū)間，然后將該溫度區(qū)間對應(yīng)的閥門開度設(shè)定值賦給閥門。同時完成編寫每秒鐘開1%梯度遞增方式控制閥門實際開度、手/自動狀態(tài)下閥門開度賦值、閥門開度反饋值讀取及觸摸屏顯示等程序。

2.5 觸摸屏操作畫面改進

在水槽式煙梗回潮機監(jiān)控畫面中添加中位音叉液位開關(guān)狀態(tài)顯示、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥開度設(shè)定值、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥實際開度反饋值、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥手/自動按鈕等。

3 改進效果

水槽式煙梗回潮機改進后，新增控制器件和控制程序等不影響水槽式煙梗回潮機現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和功能，音叉液位開關(guān)和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥未出現(xiàn)故障或損壞等情況，亦未發(fā)生因水箱補水和水溫控制程序存在漏洞而影響設(shè)備運行等情況，設(shè)備整體運行穩(wěn)定。跟蹤2022年8月—10月期間若干批次煙梗生產(chǎn)質(zhì)量記錄（表2），生產(chǎn)一批次煙梗的水箱水溫介于58.7 ℃至61.1 ℃之間，水溫平均值為59.5 ℃，水溫穩(wěn)定在工藝指標要求的（60±3）℃范圍內(nèi)，水溫標準偏差由改進前的1.5 ℃降為0.5 ℃，水溫波動明顯降低（圖5），有效保證了煙梗的溫度均勻性、含水率和耐加工性。

圖5 改進后水溫趨勢圖

表2 水槽式煙梗回潮機改進后生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)跟蹤表單位：℃

4 結(jié)束語

本文主要介紹了水槽式煙梗回潮機水溫控制的改進工作，通過新增中位音叉液位開關(guān)和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥等控制器件、修改水箱補水控制程序和水溫梯度控制程序，達到了降低水溫波動的目的，有效提高了水溫控制的穩(wěn)定性和準確性。