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管道電磁流量計在煙草定量加水係統改造及PLC係統（tǒng）設計
點擊次數：2473 發布時間：2021-01-01 13:35:39
摘（zhāi）要：本研究通過對定量加水係統深入使用，發現定量加水係統存在水源壓力波動大、計（jì）量設備計量精度低和水在管路中預填不充分的問（wèn）題（tí），造成了（le）定量（liàng）加水係統控（kòng）製精度低。為（wéi）提高（gāo）控（kòng）製精度，對其進行（háng）了改造設（shè）計。應用（yòng）證明：改造後的定量（liàng）加水係統能有效滿足卷煙工藝規範對香料廚房配料的控製要（yào）求。
近年來，隨著工廠（chǎng）卷煙品*風格特征的確定以（yǐ）及 2016版《卷煙工藝規範》的實施，現（xiàn）有加水係（xì）統的（de）控製精度已不能滿足生產（chǎn）發展的需要。作為卷煙加工關（guān）鍵環節之一的香料廚房工序，其定量加（jiā）水在（zài）配製糖（táng）料過程中的摻（chān）配精度直（zhí）接影（yǐng）響著所配料液的品質，而料液的品質對卷煙風格特征的穩定性有重要影響，所以定量加水係統（tǒng）的改造設計對提高工廠（chǎng）卷煙產品質（zhì）量、降低生產和管理成本具有重要意義。
1 改造前狀況
工廠的香料廚房係統為國內煙機公司 2004 年設計製造，其定量加（jiā）水係統主要由水源、管道電磁流量計、加水管路元件和控製程序這四部分組成，改進前管路示意圖如圖 1 所示。
其工作過程為：當設定好加水量後，啟動係統往（wǎng）調製罐 7 內定量加水，流（liú）量（liàng）計（jì）前閥 4 開啟（qǐ）對管路進行預填（tián）充，延（yán）時一定時間後，調製罐補水球閥 6 開啟，同時管道電（diàn）磁流量計開始計量，當管道電磁流量計的累積（jī）量與設定加水量一致時，球閥 4 和 6 關閉，定量加水過程完成。在設備使用的過程中（zhōng），發現定量加水係統存在以下問題：
（1）定量（liàng）加水控製精度低。定量加（jiā）水係統的水源為自來水經過軟化處理器後的軟化水，在生產現場（chǎng）用水高峰期時，自來水水壓波動造成軟化水水（shuǐ）壓（yā）波動，從而降（jiàng）低了管道電磁流量（liàng）計的（de）計量（liàng）精度；另（lìng）外，定量加水係統在預填充時管路（lù）處於密閉狀態，管路（lù）中的氣泡無法排除，造成水在管路中預填不充分，當開始往調製罐內加水時，導（dǎo）致經過（guò）管道（dào）電磁流量計計量的水未完全流入到調製罐中。經測試，定量加水係統實際控製精度為 2.13%，不能滿足卷煙工（gōng）藝規範對加水控製精度≤0.5% 的要求。
（2）生產效率低。經過軟化處理器的（de）軟化水流量小（xiǎo），導致配製過程中定量加（jiā）水時（shí）間延長。經測試，定量（liàng）加水100kg 時，需要用時 667s。
綜上所述，原有的香料廚（chú）房定量（liàng）加水係統已不能滿足工廠（chǎng）卷煙生產的要求。為此，對香料廚（chú）房定量加水係統進行改造設計。
2 改造方案
2.1 設（shè）計思路
（1）增加儲（chǔ）水罐，為定量加水（shuǐ）係統提供穩定的水源；同時，儲水罐（guàn）需要具有計量功能。
（2）提高加水係統中（zhōng）水流流量檢測元件的計量精度（dù）；定量（liàng）加水係（xì）統滿足控製精度≤0.5% 的要求。
（3）縮短配製過程中定量加水（shuǐ）時間；實現水在（zài）管路中的（de）預填充和管路餘水回收。
2.2 方（fāng）案設計
根據設計（jì）思路，對定量加水（shuǐ）係統的管路進（jìn）行（háng）了改造（zào）設（shè）計，改造後管路（lù）示意圖如圖 2 所示。
其管路主要由三部（bù）分組成，其功能分別（bié）為：
（1）儲水罐進水管路。通過補水閥 3 和壓力變送（sòng）器（qì） 6完成儲水罐水位控製。
（2）定量加水管（guǎn）路（lù）。*先，通過（guò）出水閥 9、多級離（lí）心泵10、流量計前閥（fá） 12 和回水閥 4 完成水（shuǐ）在管路中的預填（tián）充；然後，通過補水閥 4 完成對調製罐的定量加（jiā）水；*後，通過回收閥 17 和單向閥 16 完成對水管中餘水的回收。
（3）儲水罐（guàn）排汙管路（lù）。通過排汙閥 8 完成儲水罐中餘水的排放。
2.3 機械元件選型
（1）儲水罐。儲水罐須具備盛裝配製兩批次料液（yè）需要加水量（liàng）的容積 , 選擇儲水罐容積為 500L 的罐體（tǐ）。為滿足加水（shuǐ）係統的（de）功（gōng）能，其需要具有以下接口：帶（dài）蓋的罐（guàn）口、進水口、回水口、排水口和壓力傳感器安裝接口。向罐體生產廠家提（tí）出技術要求（qiú）進行定製購買（mǎi）。
（2）多級離心泵。為提高定量（liàng）加水時水在（zài）管路中的水壓，采用泵對水進行輸送（sòng）。因多級離心（xīn）泵具有高效節能、性能範圍廣、運行安全平穩、低噪音、長壽命、安裝維修方便等優點，結合設計思路，選擇格蘭（lán）富 CHI2-60 型多（duō）級離心泵，其額定能力為 2500kg/h。
（3）其餘管路（lù）元件。管路中使用氣動球閥都選擇費斯托 CRQH-ER-3/4-B-SA 型兩通（tōng）球閥；管路都采用 DN32 的不鏽鋼管進行連接（jiē）；其餘元件根據實際需要（yào）選擇。
2.4 電氣元件選型
（1）質量流量計。科式力質量流量計因其測量準確度高、重複性好，可在較大量程比（bǐ）範圍內，對流體質量流（liú）量實現高準確度直接測量的優（yōu）點，廣泛應用於計量精度要求高的食品和醫藥行業。為提高加水流量的計量精度以及滿足控製要求，選用恩德斯（sī）豪斯（sī） PROMASS83F-DN15 型高精度的（de）質量流量計，其質量流（liú）量測量準確度為 0.2 級。
（2）變頻器。為配合多級離心泵更好的對水壓（yā）的（de）調節，選擇丹（dān）佛斯 VLT2800 型通用變頻器來調節多級離心泵電機的轉速。
（3）其（qí）餘電氣元件。在儲水罐底（dǐ）部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號點需（xū）要西門子 ET200S 中數字輸入 / 出模塊（kuài）各 2 塊，模擬信號輸入模塊 1 塊（kuài）。
2.5 軟件改造
運用西門子 SIMATIC Manager 項目管理軟件，完（wán）成以下軟件改造設計工作。
（1）電氣元件組態。把增加的質量流（liú）量計和變（biàn）頻器添加到香料廚房 S7-400 PLC 控製係統的 PROFIBUS 網中，其網（wǎng）絡組態如圖 3 所示，圖中 PROFIBUS-DP 地址 88 和 89 為硬（yìng）件係統增加的質量流量計和變頻器。
（2）程序設計。儲水罐水量（liàng）控製的工作過程（chéng）為：當壓（yā）力變（biàn）送器檢測到儲水（shuǐ）罐的水量低於 450kg 時，補水（shuǐ）閥 3 開啟為儲水罐補水；當水量達到 490kg 時，補水閥 3 關閉；生產配製過程中，循環以上控製過程。儲水罐水量（liàng）控製的程序如圖 4 所示。
定量加水係統的工作過程為：當設定好加水量後，啟動（dòng）係（xì）統（tǒng），多（duō）級離心泵 10、回流閥 4、出水閥 9 和流量計前閥（fá） 12開啟對管路進行預填充；延時 30s 預填充完成後，回流閥 4關閉，調製罐補水閥 14 開啟，同時質量流量計 13 開始計量；當質量流量計（jì）的累積量與設定加水（shuǐ）量一致時，出水閥 9 和調製罐補水閥 14 關閉；調製罐定量加水完成後，開啟回收閥17 和回（huí）流閥 4 以及同未關（guān）閉流量計前閥 12 一起，利用壓縮空氣對管道中水實現回收；延時 30s 水回（huí）收完成後，關閉多級離心泵、球閥 4、12 和 17，定量加水過程完成。定量加水係統主要控製程序如圖 5 所示。
3 應用效果
定量加水係統設計改造完（wán）成後，經測（cè）試，定量加水100Kg 時，需要用（yòng）時 211s，生產效（xiào）率顯著（zhe）提高，改造後比改造前提高了（le） 68.4%；定量加水係統的控製精度提高顯著，定量加水係統的控製精度從改造前 2.13% 提（tí）高到改造後0.07%。定量加水係統改造設計完成以後（hòu），有效的滿足了香料廚房配料的控製要求；同（tóng）時，提高了係統的可靠性、精（jīng）確性和經濟性。
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近年來，隨著工廠（chǎng）卷煙品*風格特征的確定以（yǐ）及 2016版《卷煙工藝規範》的實施，現（xiàn）有加水係（xì）統的（de）控製精度已不能滿足生產（chǎn）發展的需要。作為卷煙加工關（guān）鍵環節之一的香料廚房工序，其定量加（jiā）水在（zài）配製糖（táng）料過程中的摻（chān）配精度直（zhí）接影（yǐng）響著所配料液的品質，而料液的品質對卷煙風格特征的穩定性有重要影響，所以定量加水係統（tǒng）的改造設計對提高工廠（chǎng）卷煙產品質（zhì）量、降低生產和管理成本具有重要意義。
1 改造前狀況
工廠的香料廚房係統為國內煙機公司 2004 年設計製造，其定量加（jiā）水係統主要由水源、管道電磁流量計、加水管路元件和控製程序這四部分組成，改進前管路示意圖如圖 1 所示。
其工作過程為：當設定好加水量後，啟動係統往（wǎng）調製罐 7 內定量加水，流（liú）量（liàng）計（jì）前閥 4 開啟（qǐ）對管路進行預填（tián）充，延（yán）時一定時間後，調製罐補水球閥 6 開啟，同時管道電（diàn）磁流量計開始計量，當管道電磁流量計的累積（jī）量與設定加水量一致時，球閥 4 和 6 關閉，定量加水過程完成。在設備使用的過程中（zhōng），發現定量加水係統存在以下問題：
（1）定量（liàng）加水控製精度低。定量加（jiā）水係統的水源為自來水經過軟化處理器後的軟化水，在生產現場（chǎng）用水高峰期時，自來水水壓波動造成軟化水水（shuǐ）壓（yā）波動，從而降（jiàng）低了管道電磁流量（liàng）計的（de）計量（liàng）精度；另（lìng）外，定量加水係統在預填充時管路（lù）處於密閉狀態，管路（lù）中的氣泡無法排除，造成水在管路中預填不充分，當開始往調製罐內加水時，導（dǎo）致經過（guò）管道（dào）電磁流量計計量的水未完全流入到調製罐中。經測試，定量加水係統實際控製精度為 2.13%，不能滿足卷煙工（gōng）藝規範對加水控製精度≤0.5% 的要求。
（2）生產效率低。經過軟化處理器的（de）軟化水流量小（xiǎo），導致配製過程中定量加（jiā）水時（shí）間延長。經測試，定量（liàng）加水100kg 時，需要用時 667s。
綜上所述，原有的香料廚（chú）房定量（liàng）加水係統已不能滿足工廠（chǎng）卷煙生產的要求。為此，對香料廚（chú）房定量加水係統進行改造設計。
2 改造方案
2.1 設（shè）計思路
（1）增加儲（chǔ）水罐，為定量加水（shuǐ）係統提供穩定的水源；同時，儲水罐（guàn）需要具有計量功能。
（2）提高加水係統中（zhōng）水流流量檢測元件的計量精度（dù）；定量（liàng）加水係（xì）統滿足控製精度≤0.5% 的要求。
（3）縮短配製過程中定量加水（shuǐ）時間；實現水在（zài）管路中的（de）預填充和管路餘水回收。
2.2 方（fāng）案設計
根據設計（jì）思路，對定量加水（shuǐ）係統的管路進（jìn）行（háng）了改造（zào）設（shè）計，改造後管路（lù）示意圖如圖 2 所示。
其管路主要由三部（bù）分組成，其功能分別（bié）為：
（1）儲水罐進水管路。通過補水閥 3 和壓力變送（sòng）器（qì） 6完成儲水罐水位控製。
（2）定量加水管（guǎn）路（lù）。*先，通過（guò）出水閥 9、多級離（lí）心泵10、流量計前閥（fá） 12 和回水閥 4 完成水（shuǐ）在管路中的預填（tián）充；然後，通過補水閥 4 完成對調製罐的定量加（jiā）水；*後，通過回收閥 17 和單向閥 16 完成對水管中餘水的回收。
（3）儲水罐（guàn）排汙管路（lù）。通過排汙閥 8 完成儲水罐中餘水的排放。
2.3 機械元件選型
（1）儲水罐。儲水罐須具備盛裝配製兩批次料液（yè）需要加水量（liàng）的容積 , 選擇儲水罐容積為 500L 的罐體（tǐ）。為滿足加水（shuǐ）係統的（de）功（gōng）能，其需要具有以下接口：帶（dài）蓋的罐（guàn）口、進水口、回水口、排水口和壓力傳感器安裝接口。向罐體生產廠家提（tí）出技術要求（qiú）進行定製購買（mǎi）。
（2）多級離心泵。為提高定量（liàng）加水時水在（zài）管路中的水壓，采用泵對水進行輸送（sòng）。因多級離心（xīn）泵具有高效節能、性能範圍廣、運行安全平穩、低噪音、長壽命、安裝維修方便等優點，結合設計思路，選擇格蘭（lán）富 CHI2-60 型多（duō）級離心泵，其額定能力為 2500kg/h。
（3）其餘管路（lù）元件。管路中使用氣動球閥都選擇費斯托 CRQH-ER-3/4-B-SA 型兩通（tōng）球閥；管路都采用 DN32 的不鏽鋼管進行連接（jiē）；其餘元件根據實際需要（yào）選擇。
2.4 電氣元件選型
（1）質量流量計。科式力質量流量計因其測量準確度高、重複性好，可在較大量程比（bǐ）範圍內，對流體質量流（liú）量實現高準確度直接測量的優（yōu）點，廣泛應用於計量精度要求高的食品和醫藥行業。為提高加水流量的計量精度以及滿足控製要求，選用恩德斯（sī）豪斯（sī） PROMASS83F-DN15 型高精度的（de）質量流量計，其質量流（liú）量測量準確度為 0.2 級。
（2）變頻器。為配合多級離心泵更好的對水壓（yā）的（de）調節，選擇丹（dān）佛斯 VLT2800 型通用變頻器來調節多級離心泵電機的轉速。
（3）其（qí）餘電氣元件。在儲水罐底（dǐ）部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號點需（xū）要西門子 ET200S 中數字輸入 / 出模塊（kuài）各 2 塊，模擬信號輸入模塊 1 塊（kuài）。
2.5 軟件改造
運用西門子 SIMATIC Manager 項目管理軟件，完（wán）成以下軟件改造設計工作。
（1）電氣元件組態。把增加的質量流（liú）量計和變（biàn）頻器添加到香料廚房 S7-400 PLC 控製係統的 PROFIBUS 網中，其網（wǎng）絡組態如圖 3 所示，圖中 PROFIBUS-DP 地址 88 和 89 為硬（yìng）件係統增加的質量流量計和變頻器。
（2）程序設計。儲水罐水量（liàng）控製的工作過程（chéng）為：當壓（yā）力變（biàn）送器檢測到儲水（shuǐ）罐的水量低於 450kg 時，補水（shuǐ）閥 3 開啟為儲水罐補水；當水量達到 490kg 時，補水閥 3 關閉；生產配製過程中，循環以上控製過程。儲水罐水量（liàng）控製的程序如圖 4 所示。
定量加水係統的工作過程為：當設定好加水量後，啟動（dòng）係（xì）統（tǒng），多（duō）級離心泵 10、回流閥 4、出水閥 9 和流量計前閥（fá） 12開啟對管路進行預填充；延時 30s 預填充完成後，回流閥 4關閉，調製罐補水閥 14 開啟，同時質量流量計 13 開始計量；當質量流量計（jì）的累積量與設定加水（shuǐ）量一致時，出水閥 9 和調製罐補水閥 14 關閉；調製罐定量加水完成後，開啟回收閥17 和回（huí）流閥 4 以及同未關（guān）閉流量計前閥 12 一起，利用壓縮空氣對管道中水實現回收；延時 30s 水回（huí）收完成後，關閉多級離心泵、球閥 4、12 和 17，定量加水過程完成。定量加水係統主要控製程序如圖 5 所示。
3 應用效果
定量加水係統設計改造完（wán）成後，經測（cè）試，定量加水100Kg 時，需要用（yòng）時 211s，生產效（xiào）率顯著（zhe）提高，改造後比改造前提高了（le） 68.4%；定量加水係統的控製精度提高顯著，定量加水係統的控製精度從改造前 2.13% 提（tí）高到改造後0.07%。定量加水係統改造設計完成以後（hòu），有效的滿足了香料廚房配料的控製要求；同（tóng）時，提高了係統的可靠性、精（jīng）確性和經濟性。
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