摘要：本研究通過(guò)對(duì)定量加水系統(tǒng)深入使用，發(fā)現(xiàn)定量加水系統(tǒng)存在水源壓力波動(dòng)大、計(jì)量設(shè)備計(jì)量精度低和水在管路中預(yù)填不充分的問(wèn)題，造成了定量加水系統(tǒng)控制精度低。為提高控制精度，對(duì)其進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。應(yīng)用證明：改造后的定量加水系統(tǒng)能有效滿足卷煙工藝規(guī)范對(duì)香料廚房配料的控制要求。
近年來(lái)，隨著工廠卷煙品*風(fēng)格特征的確定以及 2016版《卷煙工藝規(guī)范》的實(shí)施，現(xiàn)有加水系統(tǒng)的控制精度已不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。作為卷煙加工關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一的香料廚房工序，其定量加水在配制糖料過(guò)程中的摻配精度直接影響著所配料液的品質(zhì)，而料液的品質(zhì)對(duì)卷煙風(fēng)格特征的穩(wěn)定性有重要影響，所以定量加水系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)對(duì)提高工廠卷煙產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)和管理成本具有重要意義。
1 改造前狀況
工廠的香料廚房系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)煙機(jī)公司 2004 年設(shè)計(jì)制造，其定量加水系統(tǒng)主要由水源、煤油流量計(jì)、加水管路元件和控制程序這四部分組成，改進(jìn)前管路示意圖如圖 1 所示。

其工作過(guò)程為：當(dāng)設(shè)定好加水量后，啟動(dòng)系統(tǒng)往調(diào)制罐 7 內(nèi)定量加水，流量計(jì)前閥 4 開(kāi)啟對(duì)管路進(jìn)行預(yù)填充，延時(shí)一定時(shí)間后，調(diào)制罐補(bǔ)水球閥 6 開(kāi)啟，同時(shí)煤油流量計(jì)開(kāi)始計(jì)量，當(dāng)煤油流量計(jì)的累積量與設(shè)定加水量一致時(shí)，球閥 4 和 6 關(guān)閉，定量加水過(guò)程完成。在設(shè)備使用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)定量加水系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：
（1）定量加水控制精度低。定量加水系統(tǒng)的水源為自來(lái)水經(jīng)過(guò)軟化處理器后的軟化水，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用水高峰期時(shí)，自來(lái)水水壓波動(dòng)造成軟化水水壓波動(dòng)，從而降低了煤油流量計(jì)的計(jì)量精度；另外，定量加水系統(tǒng)在預(yù)填充時(shí)管路處于密閉狀態(tài)，管路中的氣泡無(wú)法排除，造成水在管路中預(yù)填不充分，當(dāng)開(kāi)始往調(diào)制罐內(nèi)加水時(shí)，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)煤油流量計(jì)計(jì)量的水未完全流入到調(diào)制罐中。經(jīng)測(cè)試，定量加水系統(tǒng)實(shí)際控制精度為 2.13%，不能滿足卷煙工藝規(guī)范對(duì)加水控制精度≤0.5% 的要求。
（2）生產(chǎn)效率低。經(jīng)過(guò)軟化處理器的軟化水流量小，導(dǎo)致配制過(guò)程中定量加水時(shí)間延長(zhǎng)。經(jīng)測(cè)試，定量加水100kg 時(shí)，需要用時(shí) 667s。
綜上所述，原有的香料廚房定量加水系統(tǒng)已不能滿足工廠卷煙生產(chǎn)的要求。為此，對(duì)香料廚房定量加水系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。
2 改造方案
2.1 設(shè)計(jì)思路
（1）增加儲(chǔ)水罐，為定量加水系統(tǒng)提供穩(wěn)定的水源；同時(shí)，儲(chǔ)水罐需要具有計(jì)量功能。
（2）提高加水系統(tǒng)中水流流量檢測(cè)元件的計(jì)量精度；定量加水系統(tǒng)滿足控制精度≤0.5% 的要求。
（3）縮短配制過(guò)程中定量加水時(shí)間；實(shí)現(xiàn)水在管路中的預(yù)填充和管路余水回收。
2.2 方案設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)思路，對(duì)定量加水系統(tǒng)的管路進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，改造后管路示意圖如圖 2 所示。

其管路主要由三部分組成，其功能分別為：
（1）儲(chǔ)水罐進(jìn)水管路。通過(guò)補(bǔ)水閥 3 和壓力變送器 6完成儲(chǔ)水罐水位控制。
（2）定量加水管路。*先，通過(guò)出水閥 9、多級(jí)離心泵10、流量計(jì)前閥 12 和回水閥 4 完成水在管路中的預(yù)填充；然后，通過(guò)補(bǔ)水閥 4 完成對(duì)調(diào)制罐的定量加水；*后，通過(guò)回收閥 17 和單向閥 16 完成對(duì)水管中余水的回收。
（3）儲(chǔ)水罐排污管路。通過(guò)排污閥 8 完成儲(chǔ)水罐中余水的排放。
2.3 機(jī)械元件選型
（1）儲(chǔ)水罐。儲(chǔ)水罐須具備盛裝配制兩批次料液需要加水量的容積 , 選擇儲(chǔ)水罐容積為 500L 的罐體。為滿足加水系統(tǒng)的功能，其需要具有以下接口：帶蓋的罐口、進(jìn)水口、回水口、排水口和壓力傳感器安裝接口。向罐體生產(chǎn)廠家提出技術(shù)要求進(jìn)行定制購(gòu)買。
（2）多級(jí)離心泵。為提高定量加水時(shí)水在管路中的水壓，采用泵對(duì)水進(jìn)行輸送。因多級(jí)離心泵具有高效節(jié)能、性能范圍廣、運(yùn)行安全平穩(wěn)、低噪音、長(zhǎng)壽命、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)思路，選擇格蘭富 CHI2-60 型多級(jí)離心泵，其額定能力為 2500kg/h。
（3）其余管路元件。管路中使用氣動(dòng)球閥都選擇費(fèi)斯托 CRQH-ER-3/4-B-SA 型兩通球閥；管路都采用 DN32 的不銹鋼管進(jìn)行連接；其余元件根據(jù)實(shí)際需要選擇。
2.4 電氣元件選型
（1）質(zhì)量流量計(jì)。科式力質(zhì)量流量計(jì)因其測(cè)量準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，可在較大量程比范圍內(nèi)，對(duì)流體質(zhì)量流量實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)量精度要求高的食品和醫(yī)藥行業(yè)。為提高加水流量的計(jì)量精度以及滿足控制要求，選用恩德斯豪斯 PROMASS83F-DN15 型高精度的質(zhì)量流量計(jì)，其質(zhì)量流量測(cè)量準(zhǔn)確度為 0.2 級(jí)。
（2）變頻器。為配合多級(jí)離心泵更好的對(duì)水壓的調(diào)節(jié)，選擇丹佛斯 VLT2800 型通用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)多級(jí)離心泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
（3）其余電氣元件。在儲(chǔ)水罐底部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號(hào)點(diǎn)需要西門子 ET200S 中數(shù)字輸入 / 出模塊各 2 塊，模擬信號(hào)輸入模塊 1 塊。
2.5 軟件改造
運(yùn)用西門子 SIMATIC Manager 項(xiàng)目管理軟件，完成以下軟件改造設(shè)計(jì)工作。
（1）電氣元件組態(tài)。把增加的質(zhì)量流量計(jì)和變頻器添加到香料廚房 S7-400 PLC 控制系統(tǒng)的 PROFIBUS 網(wǎng)中，其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖 3 所示，圖中 PROFIBUS-DP 地址 88 和 89 為硬件系統(tǒng)增加的質(zhì)量流量計(jì)和變頻器。

（2）程序設(shè)計(jì)。儲(chǔ)水罐水量控制的工作過(guò)程為：當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到儲(chǔ)水罐的水量低于 450kg 時(shí)，補(bǔ)水閥 3 開(kāi)啟為儲(chǔ)水罐補(bǔ)水；當(dāng)水量達(dá)到 490kg 時(shí)，補(bǔ)水閥 3 關(guān)閉；生產(chǎn)配制過(guò)程中，循環(huán)以上控制過(guò)程。儲(chǔ)水罐水量控制的程序如圖 4 所示。

定量加水系統(tǒng)的工作過(guò)程為：當(dāng)設(shè)定好加水量后，啟動(dòng)系統(tǒng)，多級(jí)離心泵 10、回流閥 4、出水閥 9 和流量計(jì)前閥 12開(kāi)啟對(duì)管路進(jìn)行預(yù)填充；延時(shí) 30s 預(yù)填充完成后，回流閥 4關(guān)閉，調(diào)制罐補(bǔ)水閥 14 開(kāi)啟，同時(shí)質(zhì)量流量計(jì) 13 開(kāi)始計(jì)量；當(dāng)質(zhì)量流量計(jì)的累積量與設(shè)定加水量一致時(shí)，出水閥 9 和調(diào)制罐補(bǔ)水閥 14 關(guān)閉；調(diào)制罐定量加水完成后，開(kāi)啟回收閥17 和回流閥 4 以及同未關(guān)閉流量計(jì)前閥 12 一起，利用壓縮空氣對(duì)管道中水實(shí)現(xiàn)回收；延時(shí) 30s 水回收完成后，關(guān)閉多級(jí)離心泵、球閥 4、12 和 17，定量加水過(guò)程完成。定量加水系統(tǒng)主要控制程序如圖 5 所示。

3 應(yīng)用效果
定量加水系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造完成后，經(jīng)測(cè)試，定量加水100Kg 時(shí)，需要用時(shí) 211s，生產(chǎn)效率顯著提高，改造后比改造前提高了 68.4%；定量加水系統(tǒng)的控制精度提高顯著，定量加水系統(tǒng)的控制精度從改造前 2.13% 提高到改造后0.07%。定量加水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)完成以后，有效的滿足了香料廚房配料的控制要求；同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性、精確性和經(jīng)濟(jì)性。