采用新工艺新技术改造风力送丝系统

1 概述 围绕红塔集团“提质创新”的战略思想，结合本部门“保质保量，降耗增效”质量管理目标的工作思路。在充分发挥和挖掘现有设备能力的基础上，采用新工艺新技术，对设备加大技术改造和技术创新力度，维护国家和消费者利益，是我们设备维修部门和工程技术人员的重要课题。 1.1 存在的地缺陷和不足 红塔集团生产二部原来使用的风力送丝系统是上世纪九十年代初的技术，该系统存在的地缺陷和不足： a.实现方式简单，功能不完善，控制效果不理想； b.无风速监测和闭环控制，不能及时了解旁通阀风门的运行情况和故障报警； c.风速不稳定，烟丝供丝流量波动大，易结团阻塞，造碎率居高不下； d.烟丝温湿度不稳定，造成水分、香精香料等成分流失； e.产品质量无法保障，影响卷烟吸食口味等物理及化学工艺技术指标。 1.2 可行性分析 采用新工艺新技术，加大技术改造和技术创新力度，保障烟丝输送过程中各项工艺技术指标，主要从以下几个方面着手： a.加装旁通阀门和风速传感器； b.采用闭环控制技术； c.降低并稳定风速； d.全自动实时在线动态监控； e.减少烟丝造碎率、水分、香精香料等成分流失； f.保障产品质量，满足卷烟吸食口味等物理及化学工艺技术指标要求。 2 设计思路及方案 系统在设计思路上本着简单实用，稳定可靠、容易操作的原则，经过多次反复试验、论证、研究，确定了风力送丝风速控制系统的设计思路及方案，其主要技术指标如下： a.风管内风速流量为18m/s，最大风速允许偏差＜±2m/s； b.各风管稳定风速的控制过程＜1/2个吸丝周期； c.在每台卷烟机卸料器回风管上加装旁通阀门，由卸料器逻辑控制； d.卸料器处于吸丝过程时，旁通阀门处于全关状态； e. 卸料器烟丝吸满时，旁通阀门处于全开状态； f.采用闭环控制，实时在线动态调整风速波动，满足风速流量； g.增加PID（比率微积分）调节，使风机处于负荷基本平衡状态； h.采用西门子S7控制系统； i.采用MPI和PROFIBUS-DP现场总线控制技术； j.采用西门子WCC人-机界面操作系统。 3 系统组成结构 为了方便，我们按生产二部4个卷包作业区的配置分成四个组，在第一组设置PLC控制主机，在其余三个区各设置一个远程I/O站，四个组各组间采用PROFIBUS-DP现场总线实现互联，上位机即中控室距PLC主机较远，故PLC主机同样采用现场总线以MPI方式连接到中控室。系统结构如图一： Win2000 WinCC S7-300PLC CPU315-2DP ET200M MPI CP5611 A区 DP MPI ET200M ET200M PROFIBUS-DP 中控室 PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP B区 C区 D区 图一：风力送丝系统结构示意图 从图一中可以看出三组I/O控制子站，PLC主机及其远程I/O站负责采集各自辖区内风速传感器的信号、卷烟机工作状态及旁通阀门限位信号，同时该子站驱动旁通阀门从0％～100％的开/关；中控室上位机负责整个网络的监控及系统的运行情况和有关各种参数的设定。 整个控制系统采用德国Siemens公司的S7-315-2DP型PLC作为现场控制主机，上位机操作员监控平台采用HP商用机，Win2000操作系统，人-机界面采用 WinCC操作系统。上位机与PLC主机采用MPI网络技术，实现对各台分散的风力送丝设备进行集中数字化控制和监视。 4 系统控制原理 4.1 风管控制特性及调节方法 风力送丝通过离心式风机产生风压，将烟丝通过管道送入卷烟机卸料器，离心式风机通过高速旋转的叶轮产生离心力作用于气体，使气体获得动能，再转换为压头，并在管网中形成具有一定压力和流量的流体，因此风机的工作特性即风管控制特性常用风压（PT）与风量（Q）曲线表示，与风机相连的管网阻力也是随风量的变化而变化的，形成一条与风量为函数的二次曲线，风机特性曲线与管网特性曲线的交合点就是风管系统的工作点（A）。 改变风速的第一种方式就是改变风机转速，但管网特性曲线也随之改变，风力送丝系统是一个多管路组合的管网系统，这种方式最终不能单个地改变每一风管的风速，而且还会使整个管网特性变得更加复杂。 改变风速的第二种方式就是直接改变管网阻力，这种方式虽然可以调节主风管和分风管的风速，但涉及的装置多，控制复杂，投资较大，使用效果也不突出。 我们采用第三种方式改变风速，这种方式采用旁通回流式风速调节，其工作原理如图二，管网特性曲线如图三。 风机 PLC闭环控制 PID调节 进风 出 风 旁通阀 A1 A2 A3 A4 风量Q 风压PT 风机特性 阻力特性 图二：旁通回流式风力送丝工作原理图 图三：旁通回流式管网特性曲线 这种旁通回流式独立调节风速的第三代风力送丝系统，采用负反馈闭环控制，控制器实时在线动态监视并控制旁通阀门的开度，风速传感装置也是实时在线动态测量风速，从而可以对主风管和分支风管进行主调节、分调节、交叉调节和PID调节，起到了稳定风速的作用，保障了烟丝的产品质量和工艺标准。 4.2 旁通阀控制特性及驱动方式 旁通阀控制特性可概述为：当卷烟机卸料器风门打开（供丝）时，首先将旁通阀置于某个初始开度值Y1，然后根据风速要求进行调节；当卷烟机卸料器风门关闭（不供丝）时，旁通阀的开度首先置于某个初始值Y2，然后根据风速的变化情况进行各种调节，实现旁通阀开度从0％～100％的线性闭环控制，满足各相邻分支风管的风速要求，从而达到整体风速平衡。 a. 旁通阀风门开度计算的数学模型 设旁通阀风门开度从0％～100％（或从100％～0％）所需时间为t0；每次命令旁通阀风门打开/关闭的信号脉宽为ti，则旁通阀风门每次打开/关闭的百分值为： Xi＝（ti / t0）×100 所以，旁通阀风门每次打开/关闭后，其开度百分值为： Yi＝Yi－1±Xi 上式中，Yi：执行完本次打开/关闭后，旁通阀风门开度的百分值； Yi－1：前一次打开/关闭后，旁通阀风门开度的百分值； Xi：本次打开/关闭旁通阀风门的增量百分值，其中打开为“＋”；关闭为“－”。 当旁通阀风门的开度为0％（全关闭）和100％（全打开）时，限位开关的执行机构分别输出下限和上限限位信号，我们可以判断执行机构的动作是否正常。 b. 旁通阀驱动方式 旁通阀驱动只要满足以下条件，PLC将驱动旁通阀风门打开或关闭，驱动条件如图四： IN1：卷烟机风门打开/关闭信号，取自卷烟机卸料器。当卷烟机风门打开或关闭时，为确保供丝正常，在风速实测值处于工艺范围之内的前提下，应将旁通阀风门尽可能关小；若实测风速低于某个值时，则吸丝管道可能堵塞，这时系统发出报警信号。 IN2：风速传感器检测到的风速值，若此值大于上限（IN8）或低于下限（IN9），则风速传感器有故障，系统给出报警信息，风速传感器需要检查或清洁。 IN3/IN4：生产工艺允许的吸丝风管内风速的上限/下限，也就是我们对风速所控制的目标范围。 IN5/IN6：旁通阀风门关闭到位（0％）和打开到位（100％）的限位信号，当风门打开到位（100％）和关闭到位（0％）时，而限位开关没有限位信号输出，则系统判断旁通阀风门的执行机构发生故障，并给出报警信息，需要检查或处理。 IN7：风机运行信号。当风机运行时，若实测风速超过预先设定的上下限（IN8和IN9），则风速传感器可能发生故障或旁通阀风门发生故障，系统给出报警信号，风速传感器和旁通阀风门需要检查或处理。 IN8/IN9：判断风速异常的上/下限设定值。 OUT1：旁通阀风门打开命令，打开时间（脉宽）为ti。 OUT2：旁通阀风门关闭命令，关闭时间（脉宽）为ti。 PLC S7-315 IN1：卷烟机风门 IN2：风速实测值 IN3：风速工艺值上限 IN4：风速工艺值上限 IN5：旁通阀风门关闭限位 IN8：风速 异常上限 OUT1：打开旁通阀风门脉冲 OUT2：关闭旁通阀风门脉冲 IN6：旁通阀风门打开限位 IN7：风机运行 IN9：风速 异常下限 图四：旁通阀驱动满足所需条件示意图 5 系统功能 5.1 系统控制功能 控制现场的PLC控制器采用西门子 S7-315-2DP处理器，控制对象采用数学模型控制，并运用PID算法和交