摘要：本研究通過(guò)對定量加水系統深入使用，發(fā)現定量加水系統存在水源壓力波動(dòng)大、計量設備計量精度低和水在管路中預填不充分的問(wèn)題，造成了定量加水系統控制精度低。為提高控制精度，對其進(jìn)行了改造設計。應用證明：改造后的定量加水系統能有效滿(mǎn)足卷煙工藝規范對香料廚房配料的控制要求。
近年來(lái)，隨著(zhù)工廠(chǎng)卷煙品*風(fēng)格特征的確定以及 2016版《卷煙工藝規范》的實(shí)施，現有加水系統的控制精度已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)發(fā)展的需要。作為卷煙加工關(guān)鍵環(huán)節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(zhù)所配料液的品質(zhì)，而料液的品質(zhì)對卷煙風(fēng)格特征的穩定性有重要影響，所以定量加水系統的改造設計對提高工廠(chǎng)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(chǎng)的香料廚房系統為國內煙機公司 2004 年設計制造，其定量加水系統主要由水源、乙醇流量計、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：當設定好加水量后，啟動(dòng)系統往調制罐 7 內定量加水，流量計前閥 4 開(kāi)啟對管路進(jìn)行預填充，延時(shí)一定時(shí)間后，調制罐補水球閥 6 開(kāi)啟，同時(shí)乙醇流量計開(kāi)始計量，當乙醇流量計的累積量與設定加水量一致時(shí)，球閥 4 和 6 關(guān)閉，定量加水過(guò)程完成。在設備使用的過(guò)程中，發(fā)現定量加水系統存在以下問(wèn)題：
（1）定量加水控制精度低。定量加水系統的水源為自來(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)，從而降低了乙醇流量計的計量精度；另外，定量加水系統在預填充時(shí)管路處于密閉狀態(tài)，管路中的氣泡無(wú)法排除，造成水在管路中預填不充分，當開(kāi)始往調制罐內加水時(shí)，導致經(jīng)過(guò)乙醇流量計計量的水未完全流入到調制罐中。經(jīng)測試，定量加水系統實(shí)際控制精度為 2.13%，不能滿(mǎn)足卷煙工藝規范對加水控制精度≤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，導致配制過(guò)程中定量加水時(shí)間延長(cháng)。經(jīng)測試，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已不能滿(mǎn)足工廠(chǎng)卷煙生產(chǎn)的要求。為此，對香料廚房定量加水系統進(jìn)行改造設計。
2 改造方案
2.1 設計思路
（1）增加儲水罐，為定量加水系統提供穩定的水源；同時(shí)，儲水罐需要具有計量功能。
（2）提高加水系統中水流流量檢測元件的計量精度；定量加水系統滿(mǎn)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)現水在管路中的預填充和管路余水回收。
2.2 方案設計
根據設計思路，對定量加水系統的管路進(jìn)行了改造設計，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）儲水罐進(jìn)水管路。通過(guò)補水閥 3 和壓力變送器 6完成儲水罐水位控制。
（2）定量加水管路。*先，通過(guò)出水閥 9、多級離心泵10、流量計前閥 12 和回水閥 4 完成水在管路中的預填充；然后，通過(guò)補水閥 4 完成對調制罐的定量加水；*后，通過(guò)回收閥 17 和單向閥 16 完成對水管中余水的回收。
（3）儲水罐排污管路。通過(guò)排污閥 8 完成儲水罐中余水的排放。
2.3 機械元件選型
（1）儲水罐。儲水罐須具備盛裝配制兩批次料液需要加水量的容積 , 選擇儲水罐容積為 500L 的罐體。為滿(mǎn)足加水系統的功能，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(chǎng)家提出技術(shù)要求進(jìn)行定制購買(mǎi)。
（2）多級離心泵。為提高定量加水時(shí)水在管路中的水壓，采用泵對水進(jìn)行輸送。因多級離心泵具有高效節能、性能范圍廣、運行安全平穩、低噪音、長(cháng)壽命、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，結合設計思路，選擇格蘭富 CHI2-60 型多級離心泵，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；其余元件根據實(shí)際需要選擇。
2.4 電氣元件選型
（1）質(zhì)量流量計?？剖搅|(zhì)量流量計因其測量準確度高、重復性好，可在較大量程比范圍內，對流體質(zhì)量流量實(shí)現高準確度直接測量的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于計量精度要求高的食品和醫藥行業(yè)。為提高加水流量的計量精度以及滿(mǎn)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，其質(zhì)量流量測量準確度為 0.2 級。
（2）變頻器。為配合多級離心泵更好的對水壓的調節，選擇丹佛斯 VLT2800 型通用變頻器來(lái)調節多級離心泵電機的轉速。
（3）其余電氣元件。在儲水罐底部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號點(diǎn)需要西門(mén)子 ET200S 中數字輸入 / 出模塊各 2 塊，模擬信號輸入模塊 1 塊。
2.5 軟件改造
運用西門(mén)子 SIMATIC Manager 項目管理軟件，完成以下軟件改造設計工作。
（1）電氣元件組態(tài)。把增加的質(zhì)量流量計和變頻器添加到香料廚房 S7-400 PLC 控制系統的 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 為硬件系統增加的質(zhì)量流量計和變頻器。

（2）程序設計。儲水罐水量控制的工作過(guò)程為：當壓力變送器檢測到儲水罐的水量低于 450kg 時(shí)，補水閥 3 開(kāi)啟為儲水罐補水；當水量達到 490kg 時(shí)，補水閥 3 關(guān)閉；生產(chǎn)配制過(guò)程中，循環(huán)以上控制過(guò)程。儲水罐水量控制的程序如圖 4 所示。

定量加水系統的工作過(guò)程為：當設定好加水量后，啟動(dòng)系統，多級離心泵 10、回流閥 4、出水閥 9 和流量計前閥 12開(kāi)啟對管路進(jìn)行預填充；延時(shí) 30s 預填充完成后，回流閥 4關(guān)閉，調制罐補水閥 14 開(kāi)啟，同時(shí)質(zhì)量流量計 13 開(kāi)始計量；當質(zhì)量流量計的累積量與設定加水量一致時(shí)，出水閥 9 和調制罐補水閥 14 關(guān)閉；調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)閉流量計前閥 12 一起，利用壓縮空氣對管道中水實(shí)現回收；延時(shí) 30s 水回收完成后，關(guān)閉多級離心泵、球閥 4、12 和 17，定量加水過(guò)程完成。定量加水系統主要控制程序如圖 5 所示。

3 應用效果
定量加水系統設計改造完成后，經(jīng)測試，定量加水100Kg 時(shí)，需要用時(shí) 211s，生產(chǎn)效率顯著(zhù)提高，改造后比改造前提高了 68.4%；定量加水系統的控制精度提高顯著(zhù)，定量加水系統的控制精度從改造前 2.13% 提高到改造后0.07%。定量加水系統改造設計完成以后，有效的滿(mǎn)足了香料廚房配料的控制要求；同時(shí)，提高了系統的可靠性、精確性和經(jīng)濟性。