西门子自动化产品在中华挑选专线中的应用

时间：2024-09-03

华环国际烟草有限公司设备部门陈磊胡发运张松林

西门子自动化产品在中华挑选专线中的应用

华环国际烟草有限公司设备部门陈磊胡发运张松林

描述了在烟草打叶复烤行业采用西门子S7-300PLC和WINCC等自动化产品实现对中华挑选专线的自动控制。在硬件设计时，采用集成ProfiBus功能的CPU315－2DP，变频器及现场智能设备采用ProfiBus通讯。利用WinCC Flexible组态故障报警、工艺历史趋势图及监控画面。

西门子；WinCC Flexible；打叶复烤；中华挑选专线

引言

为满足上海烟草（集团）公司“中华”产品特色挑选工艺和配方打叶要求，做精、做强、做大“中华”品牌卷烟，增强名优产品的科技含量，提高烟叶挑选水平和质量，提升名优品牌卷烟品质，提高核心品牌的竞争力，华环国际烟草有限公司通过与上海烟草（集团）公司专家及技术人员多次交流探讨和实验论证后，新建一条生产能力为2×12000Kg/h的“中华”原料烟叶挑选专线。

1.工艺流程

生产线采用动静结合的新工艺模式挑选烟叶，即一次选把、铺叶切断解把、流量控制、润叶松散、烟叶比例分配、在线选叶、自动汇集、计量装箱的工艺流程，改变了传统的“地摊式”烟叶分级模式，形成独特的烟叶原料挑选生产新工艺，大大提高了烟叶分级纯净度，有利于烟叶物理和化学指标的均质化，有利于烟叶加工过程中质量的稳定性，更好地实现烟叶原料资源的有效配置和利用。

图1 工艺流程图

2.控制系统构成

项目中控制对象大多为数字量，在热风润叶系统中需要采集热风温度、增湿水流量（2路）、角执行器开度和控制出口烟叶温度及水份、出端补偿蒸汽电气定位器、进热交换器电气定位器、进端增湿水电气定位器及出端增湿水电气定位器模拟量信号，项目中使用的主要西门子自动化产品的型号、数量、类型见表1：

表1 项目中使用的主要Siemens产品型号及数量

图2 系统硬件配置图

3.应用中的监视画面

本控制系统监控监控画面主要有“流程界面”、“工艺选择”、“电机手动”、“频率调节”、“报警信息”及“权限设置”界面。

（1） “流程界面” 该界面为开机显示界面，显示生产线当前状况。此界面下有“喂料机”、“润叶机”、“电子秤”按钮，点击按钮，查看相应设备的详细状态信息，按下“消声报警”按钮消除报警声音，与柜门上消音按钮功能一致。电机状态，灰色表示未启动，绿色表示已启动，红色表示保护开关过流跳闸，黄色表示保护开关未合上。如图5所示。

（2）在“喂料机”子界面，当生产线“自动控制”时，可以通过“启动出料”、 “停止出料”按钮手动启动或停止喂料机出料。当喂料机铺料行车行至限位开关后，电机停止运行，此时应在“工艺选择”界面中选择“手动控制”＞－“本地手动”，并使用本地开关启动电机（此时电机处于暂停状态），按 “前仓超限限位”、“后仓超限限位”复位按钮使行车行至正常工作区域。如图6所示。

图5 流程界面

图6 喂料机子界面

在“润叶筒”子界面，可查看润叶筒所有设备的当前状态。界面下“烟叶温度控制PID”、“筒内控制PID”、“进端增湿控制PID”、“出端增湿控制PID”、“烟叶水分曲线”、“角执行器控制”等可以进行相应的PID控制调节或状态查询。生产线停车后需要清洗润叶筒时选择“清洗阀操作”按钮进入“清洗阀操作”界面。清洗前应将二段选择为“手动控制”。如图7所示。

图7 润叶筒子界面

（3）“工艺选择” 进行生产线工艺选择并使设备按照选定的工艺运行。选择生产线电机控制方式。选择“自动控制”后按下柜门上线启动按钮，生产线自动运行。选择“手动控制”＞－“触屏手动”或”本地手动”，分别使用触摸屏按钮和本地开关单独启动电机。按下“闭锁”取消所有已选择控制方式。在启动生产线之前应仔细查看选择的工艺路径是否正确，选择后，生产线按相应的工艺流程运行。如图8所示。

图8 工艺选择界面

图9 电机手动界面

（4） “电机手动” 查看详细分段，并从该界面进入触摸屏手动启停电机的界面。在“电机手动”界面中可查看电机编号分段，若已选择“触屏手动”则可选择“一段（进料）”或者“二段（出料）”进入相应的电机启停界面使用触摸屏按钮启停电机。如图9所示。

（5） “频率调节” 设置、查看变频电机的频率，查看变频电机电流以及变频电机实时电流曲线。

（6） “报警信息” 查看详细报警信息。

（7） “权限设置” 此界面由管理员操作，其他用户不得使用。

4.控制系统完成的功能

4.1 控制系统实现的功能

本系统针对于华环国际烟草有限公司2×12000 kg/h挑选线（东线10B、西线10A），具有按工艺要求自动顺序启动和停止、自动调节工艺参数、故障诊断和声光报警、联锁启动和停止、工艺流程状况和工艺参数显示等功能、对电机提供过热、过流、缺相保护等保护功能。控制系统以自动控制为主，并备有本地手动和触摸屏控制功能。

本控制系统在工艺上以喂料机进、出料为分界线，可分为进料段（D11）与出料段（D12）两段，具有三条工艺路径可供选择：

（1）普通流程：烟料经过喂料机和润叶筒；

（2）直通：烟料不经过喂料机和润叶筒。

（3）烟料经过喂料机但不经过润叶筒。

对生产线的控制采用手动控制和自动控制。手动控制在设备检修及调试时使用，设备单独起停；自动控制用于正常的生产，使工艺需要的设备进行连续顺序起停。电控柜内安装柜组电源开关、配电保护开关、电机保护开关、可编程序控制器（PLC）、变频器、交流接触器以及声光报警装置等。

4.2 项目中的难点分析

本项目中烟叶的松散度及流量稳定性直接影响产品质量，所以对润叶筒、电子秤的控制至关重要。烟草润叶机是烟草行业打叶复烤生产线上的重要设备，它的主要用途是对打叶前的烟叶片进行增温增湿处理，使烟叶片的湿度、温度值达到规定的工艺技术指标。

润叶机内部的工作机理是十分复杂的，由于没有能直接检测其内部工作状态的仪表，到目前为止，还没有一个用数字表达式精确描述其内部特征的数字模型，可供实际生产过程控制。近几年来，国外采用的润叶机的控制策略主要是根据反馈原理设计的定值控制，如PID控制、前馈控制等。这种控制方法，对于随机干扰因素众多的润叶机，系统超调量大，且对调节变量的动作频繁。造成蒸气电动阀门的经常性频繁动作、润透率不高等结果。因此传统的控制策略无法实现对润叶机的有效控制。

针对润叶机控制有随机干扰因素多、时变性强，时滞性强、具有大惯性和非线性的特点，采用模糊控制思路进行方案设计，克服这些问题。模糊规则的建立就是把影响润叶机的主要因素收集起来，并把在线的数据与润叶机的工作机理、操作者的经验、生产过程的特征、专家知识等结合起来，把这些知识总结成一定的规律和表达方式，再加上传统控制理论和现代控制理论、信息学、逻辑学、润叶工艺等的知识综合，编成计算机程序，存放在控制主机内，构成控制系统的知识库和自动控制系统，使控制主机能对外界(烟叶性质、流量、水份、温度、蒸气压力、转速等)信号做出判断。并根据要求选择出相应合理的补加水量和蒸气流量，赋予控制主机的“知识库”，包括描述润叶机外部特性的一组规则，如：

规则l：如果流量增大而目水分偏低，那么蒸汽阀门多开—些；规则2：如果流量增大而且水分正好，那么蒸汽阀门少开一些；规则3：如果流量减小而且水分偏高，那么蒸汽阀门多关一些；………

规则n：如果流量不变而且水分偏低，那么蒸汽阀门少开一些。

控制器将这些规则以符号的形式总结出来，并采用数学理论、模糊推理和模糊决策，计算出执行器的动作量，通过输出接口实现水分的控制。本系统润叶机控制就是基于这种策略。

（1）水分控制回路。影响出口水分的因素有：进入润叶机的烟叶等级、烟叶流量及其含水率，润叶筒的筒内温度，补加蒸汽的压力及加入量。因此，采用红外水分仪检测润叶机入口、出口处烟叶水分。采用全悬浮式电子皮带秤检测进入润叶机烟叶流量，采用气动薄膜控制进入润叶机前后的蒸汽流量。控制器根据各参数对出口水分的影响程度形成模糊前馈块和模糊规则块，两者组合形成针对水分回路的前馈一反馈模糊控制器，该模糊控制器根据进入润叶机烟叶流量、水分、烟叶温度、烟叶等级等变量，查询对应规则，使润叶机在各种干扰条件下，能自动寻优，按最佳作业参数组合运行，使烟叶水分及润透率控制在控制目标范围内。其控制框图如图12所示。

图中f1 、f2 、f3 分别指对出口水分有影响的干扰量：烟叶流量及水分乘积的变化量、烟叶等级、出口烟叶温度。其中E 、Ë是检测水分与设定水分的偏差及偏差变化，这两个参数作为模糊控制器的主要输入参数，确保系统是一个闭环反馈控制系统，使水分尽量在被控范围内。但如果仅将E 、Ë作为控制器的输入，而不考虑各干扰因素的影响，必然会导致系统反应延缓、振荡剧烈。因此引入模糊前馈控制块，将影响出口水分的主要因素f1 和出口设定水分作为其输入，得出一前馈控制量uf，同时将该控制量直接作用在后补加蒸汽的气动薄膜阀上，提高系统的快速反应性。因此，该回路是一个前馈+反馈模糊控制回路。

图12 水分控制回路框图

（2）温度控制回路。温度控制回路通过红外温度仪检测出口的烟叶温度，用热电偶检测进入润叶机的循环热风的温度，通过调节风机的变频速度和热风阀的开度来调节热风温度和热风循环速度。控制框图如图13所示。

图13 温度控制回路框图

选择出口的烟叶温度作为主被控对象，热风温度为副被控对象。将影响出口温度的因素(循环热风温度和补加蒸汽总量)作用在热风温度这个对象上，这样热风温度的调节速度就会加快，可以提高系统的快速响应性。主调节模糊控制块根据出口烟叶温度的偏差及偏差变化，形成控制规则，得出输出量“，通过计算得出热风温度值Tu，该值作为副调节回路的设定值。该设定值Tu和热电偶检测到的热风温度值，形成偏差，作为副调节模糊控制块的输入变量，形成控制规则，得出一输出变量“，该输出变量为热风气动薄膜阀的新增开度。同时，副调节模糊控制块还将进入筒内的蒸汽量(由阀的开度间接反应)作为其输入，该输入量不参与控制规则的形成，只是对输出变量u进行比例修正。