PLC控制在烟草制丝新工艺中的应用隋昕北京达特烟草成套设备技术开发有限责任公司 摘要:传统烟草制丝线是以品牌配方的模式组织生产,为适应分组加工新工艺在制丝线中的应用,要求在品牌配方的基础上,引入模块的概念,因此传统制丝线的控制程序已不能满足分组加工工艺的要求讨论在传统制丝线控制系统的基础上,通过对其PLC控制系统的优化,达到了分组加工工艺的要求,提高了设备运行效率和控制精度关键词:烟草制丝线 PLC 控制系统Application of PLC Control in New Technology Tobacco Primary Processing LineSui XinAbstract :The originally tobacco primary processing line is working as the model of brand formulation. Toadapt the new technology in the processing line ,on the basis of brand formulation ,the concept of module wasintroduced. And the control program of the originally processing line can not satisfy the new technology.Basedon the originally processing line ,through it′s system′s optimization ,the new technology was realized. And therunning efficiency and control precision is enhanced.Keywords :tobacco primary processing line PLC control system1 引言传统烟草制丝线的工艺流程是先将复烤厂加工后的烟叶及烟梗分别进行回潮、 加料、 切丝、 烘丝,然后将烟丝按照工艺要求进行掺配、 加香,最终形成卷烟品牌配方成品烟丝。
近年来,以降焦减害、 提高吸烟安全性、 提高卷烟产品品质等目的 “中式卷烟” 快速兴起,分组加工工艺作为实现 “中式卷烟” 的一种重要手段,正受到越来越多的关注分组加工工艺是在传统工艺的基础上,将多条制丝线上的品牌配方分成若干横向子模块或纵向子模块,对子模块按不同的工艺进行加工,再将子模块组装成品牌配方,进行掺配、 加香,最终形成品牌配方成品烟丝2 工艺流程概述为适应分组加工新工艺的要求,对原有制丝线的工艺布局重新规划,调整后的制丝线工艺流程如图1所示图1 调整后的制丝线工艺流程65 电气传动 2007年 第37卷 第12期PLC控制在烟草制丝新工艺中的应用 调整后的制丝线具有以下生产线路1)传统工艺线路:①8000 kg/ h制丝线 →HDT烘丝机 → 掺配加香 → 成品烟丝;②8000 kg/ h制丝线 →KL K烘丝机 → 掺配加香 → 成品烟丝;③3 000kg/ h制丝线 →HDT烘丝机 → 掺配加香 → 成品烟丝;④3000 kg/ h制丝线 →KL K烘丝机 → 掺配加香→ 成品烟丝2)分组加工工艺线路:①8 000 kg/ h制丝线子模块 →HDT烘丝机 →叶丝暂存柜;②8000kg/ h制丝线子模块 →KL K烘丝机 →叶丝暂存柜;③3 000 kg/ h制丝线子模块 →HDT烘丝机 →叶丝暂存柜;④3 000 kg/ h制丝线子模块 →KL K烘丝机 → 叶丝暂存柜;⑤ 叶丝暂存柜(模块组装成品牌配方)→ 掺配加香 → 成品烟丝。
3 控制系统的组成及其配置根据调整后工艺要求,控制系统划分为6个工艺段,由6组PLC分别控制:8 000 kg/ h叶片处理段Z1 ,叶丝处理段Z2 , HDT烘丝及掺配处理段Z3 ,3000 kg/ h叶片处理段Z7 , KL K烘丝机处理段Z10和叶丝暂存柜处理段Z11其中Z1 ,Z2 ,Z3 ,Z7为原有控制系统,根据分组加工工艺要求修改其PLC及监控机任务处理程序;Z10 ,Z11为新增控制段改造后的控制系统网络结构见图2 ,分为数据管理层、 集中监控层、 过程控制层和设备控制层图2 控制系统网络结构3. 1 数据管理层数据管理层包括一台管理计算机、 交换机及网络打印机管理计算机上安装微软SQLServer 2000数 据 库、Visual Basic开 发 软 件、RSView32和RSSql软件RSSql是RockwellRSBizWare系列软件在制造企业应用的产品模块之一;在控制端, RSSql可以连接RSLinx和RSView32 ;在数据库端,RSSql可以通过OL EDB连接Microsoft SQL Server 2000数据库本层是厂级网与控制系统的接口,向上与厂管理系统及MES系统进行数据通信,向厂领导和各职能部门发布生产数据,为厂里的决策提供依据;向下对监控计算机下发生产批次、 任务信息。
在管理计算机上安装两块网卡,一块以太网卡通过交换机与厂级网MES系统连接;另一块西门子S71613以太网卡通过OSM交换机与控制系统连接在管理计算机上还可以进行报表的统计、 保存、 查询、 打印,贮柜储存物料的信息查询等操作3. 2 集中监控层集中监控层包括4台监控计算机、1台工程师站和2台带光纤口的西门子OSM ITP6275 PLC控制在烟草制丝新工艺中的应用电气传动 2007年 第37卷 第12期 工业以太网交换机选用的OSM集成基于Web管理功能,可通过IE浏览器观察网络上各个交换机的状态,根据登录权限还可对之进行相应操作,这样便于远程监控控制系统通信状态每台监控计算机上安装西门子S71613以太网卡及RSView32组态软件,通过OSM交换机与PLC及管理计算机进行数据交换;工程师站上安装RS Logix5000软件并通过OSM交换机联入光纤环网,可以在中央控制室内对各控制段PLC程序查看及修改3. 3 过程控制层过程控制层包括PLC控制柜、 现场操作终端及其带光纤口的西门子OSM ITP62工业以太网交换机,共计6套,控制6个工艺段各PLC系统之间以及PLC与监控机之间通过抗电磁干扰能力强的100M光纤环网连接。
PLC控制柜内的机架上安装Rockwell Con2trolLogix 5563 CPU ,并配有以太网卡(1756ENBT)和DeviceNet网卡(1756DNB)以太网卡用于将控制段PLC通过OSM联入光纤环网,DeviceNet网卡用于联接控制段内的现场总线设备,包括I/ O子站、 变频器、 皮带秤、 水分仪等设备现场操作终端安装在PLC控制柜的柜门上,现场操作终端选用PANEL VIEW 1000触摸屏,集成了以太网卡,通过OSM交换机与PLC数据通讯3. 4 设备控制层包括I/ O子站、 变频器、 软启动器、 皮带秤、水分仪、 流量计以及传感器检测机构和现场执行机构等设备 I/ O子站的内部布局如图3所示包括Turck BL20接口模块(BL20GWDNET)、 电图3 I/ O子站内部布局图源模块、 数字量输入DI、 数字量输出DO、 模拟量输入AI、 模拟量输出AO和Turck负载馈电器,BL20接口模块的功能是将子站联入DeviceNet网;4 kW以下电机除采用变频器外用负载馈电器直接启动变频器、 水分仪、 皮带秤、 流量计均选用带有DeviceNet网卡的产品,作为子站直接联入Devi2ceNet网。
4 控制系统功能及其特点4. 1 批次任务管理功能管理计算机从MES系统接收生产批次任务,并把生产批次任务分解下发至相应的控制段监控机监控计算机有3种控制选择模式,分别为MES控制/远程控制/本地控制正常生产时,选择MES控制模式,控制系统执行由管理计算机分解后的MES系统下发的批次任务;当MES系统出现故障时,选择远程控制模式,控制系统执行在监控机上手工录入的批次任务;当需要在现场调试、 检修设备时,选择本地控制模式,可以通过现场的启动、 停止按钮对电机进行本地控制4. 2 集中监控功能监控计算机通过图形化界面对生产线进行实时监控控制功能包括生产线的控制模式选择,工艺参数和设备参数的设定,生产线启动、 停止操作等监视功能采用图形界面,并完全按照生产线工艺流程布置,具有生产线设备单机、 分段或全局工艺流程运行状态显示以及工艺参数和设备参数的实时显示功能监控机上还具有安全权限管理设置功能,操作人员或系统管理人员进入监控系统必须先登录,通过不同用户身份的安全级别进行权限控制,从而保证系统的安全、 正常运行4. 3 生产报表、 统计功能每一批任务完成自动形成生产报表,包括任务批次号、 使用的配方参数、 开始和结束时间,重要工艺指标的最大、 最小、 平均值及标准偏差等统计参数,便于质检部门评价产品质量。
4. 4 设备控制功能控制系统具有手动和自动两种工作方式,维修设备时,采用单机手动方式;正常生产时,采用自动方式在手动方式下,操作员可以在现场通过本地开关盒上的按钮完成电机的启停,通过现85 电气传动 2007年 第37卷 第12期PLC控制在烟草制丝新工艺中的应用 场操作终端画面上的按钮实现单个电磁阀的通断在自动方式下,操作员可通过工艺段监控计算机操作画面上的启动/停止功能键实现对生产线 的 自 动 控 制,最 终 满 足 工 艺 参 数 的要求4. 5 电机保护和紧急断电功能控制系统对每台电机都提供保护功能,同时提供紧急断电功能,在各工艺段关键位置设置明显的紧急按钮,以备在紧急情况下能迅速切断整个工艺段的动力电源和控制电源4. 6 回路控制功能对需要调节的润叶筒温度、 增温增湿机压力、加香流量等进行PID回路控制,回路控制画面如图4所示PID参数在监控机上设置,有手动和自动两种控制模式在手动控制模式时,各回路控制器输出由操作员直接输入数据调节;在自动控制模式时,各回路控制器输出由PID软件自动调节图4 回路控制画面4. 7 诊断功能控制系统可以诊断工艺段或主机设备启动条件是否满足,并提示尚未满足的条件,为操作人员的操作提供指导。
控制系统的运行非常依赖于网络,一旦出现网络故障,会导致工艺段甚至整个生产线停产,通过网络诊断可以对工业以太网和现场总线故障显示、定位,为维修人 员 快 速排 除 网 络 故 障 提 供帮助4. 8 报警功能各工艺段均有完善的故障声光报警及消除声光报警功能,可在监控机上对报警进行确认和复位,并通过不同颜色区分报警的状态,是故障已消失,还是仍处于故障状态4. 9 变频控制功能喂料机上的提升带及贮柜底带等需调节转速的电机均采用变频器进行控制,并选装Devi2ceNet接口网卡,使各段变频器均以现场总线方式与PLC通讯,实现数字化信息交换5 分组加工工艺的特殊功能采用分组加工工艺时,传统方式中的一个品牌配方被分成若干子模块,这些子模块分别经KL K薄板式烘丝机和HDT气流式烘丝机加工,再进到叶丝暂存柜中贮存,待整个配方的所有子模块加工完毕后,才允许出料至掺配、 加香,制成成品烟丝5. 1 叶片处理采用分组加工工艺时,子模块生产批次最大投料量为24 000 kg ,而贮叶柜的最大贮存能力只有8 000 kg ,因此贮叶柜控制系统增加了不停机情况下的自动换柜功能,可以保证连续生产,提高了设备使用效率。
5. 2 叶丝暂存柜进料由于KL K薄板式烘丝机和HDT气流式烘丝机可以并行生产,因此与普通贮柜不同,叶丝暂存柜可以同时接受两条生产线的进料任务,叶丝暂存柜控制系统任务管理程序在设计中充分考虑95 PLC控制在烟草制丝新工艺中的应用电气传动 2007年 第37卷 第12期 了这个特点,满足了工艺要求在多个模块先后进入多个暂存柜的情况,控制系统首先判断模块是否属于同一个配方,如果不同,则不允许进料同时提示操作人员;当暂存柜内只有一个配方,且只有部分子模块时,由于柜内所贮存的烟丝并非一个完整的品牌配方,因此控制系统将贮柜出料设定为锁定状态,不允许出料同时提示操作人员;待该品牌的全部模块均已进柜完毕,将多个模块组装成为品牌配方后,控制系统才允许暂存柜出料5. 3 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,控制原理如图5所示 。
经图5 暂存柜底带同步控制原理图实测,同步出料时的相对误差小于 ±0. 5 % ,满足工艺要求6 结束语传统的制丝线采用的是以品牌配方来组织生产,只有单一线路, HDT烘丝机和KL K烘丝机只能采用二选一的方式工作,设备利用效率低,无法满足分组加工工艺的要求;通过对原有制丝线设备及控制程序的改造,可以两条制丝线并行生产,同时处理不同的品牌配方或者子模块,提高设备利用效率和控制精度,并且能够满足分组加工工艺的要求经过生产证明:整套控制系统工作可靠,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 罗克韦尔自动化. ControlLogix系统用户手册. 20042 罗克韦尔自动化.罗克韦尔自动化设备网(DeviceNet)产品概貌. 20043 西门子(中国)有限公司自动化系统部.西门子工业通讯网络. 20054 TURCK Co. , Ltd. TURCK BL20ΟDeviceNet Hard2ware and Engineering. 2003收稿日期:2006 12 25修改稿日期:2007 07 02(上接第21页)4 李耀华,刘卫国.一种提高矩阵变换器电压传输比的有效途径[J ].电气自动化,2006 , 28(5) : 32 - 355 黄科元,贺益康,卞松江.矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究[J ].中国电机工程学报,2002 , 22(11) : 100 - 1056 Christian K, Peter N , Ion Bet al. A New MatrixConverter Motor (MCM) for Industry Applications[J ]. IEEE Trans. on Industrial Electronics , 2002 , 49(2) : 325 - 3357 郭前岗,李耀华,刘卫国等.矩阵式变换器电机系统及其关键技术研究[J ].微特电机, 2005 , 33(8) : 5 - 78 杨喜军.基于开关函数的矩阵式电力变换的研究及高频合成电力变换统一理论的探索[博士学位论文].上海:上海大学,20029 Huber L ,Borojevic D. Space Vector Modulated ThreePhase to Three Phase Matrix Converter with InputPower Factor Correction [J ]. IEEE Trans. on Indus2try Applications , 1995 , 31(6) : 1234 - 124610葛红娟,穆新华,张绍等.基于矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制模型及仿真分析[J ].中国矿业大学学报, 2005 , 34(3) : 333 - 33711 Domenico C , Giovanni S , Angelo T. The Use of Ma2trix Converters in Direct Torque Control of InductionMachines [J ]. IEEE Trans. on Industrial Electron2ics , 2001 , 48(6) : 1057 - 106412Chen DerΟFa , Liu TianΟHua. Optimal Controller De2signer for a Matrix Converter Based Surface MountedPMSM Drive System [J ]. IEEE Trans. on Power E2lectronics , 2003 , 18(4) : 1034 - 1046收稿日期:2006 10 31修改稿日期:2007 06 1906 电气传动 2007年 第37卷 第12期PLC控制在烟草制丝新工艺中的应用 。