變頻器在二氧化碳膨脹煙絲生產線中的應用
【摘要】介紹了以羅克韋爾自動化公司的ControlLogix 5550 PLC為控制平臺，采用自動化與控制層（ControlNet）網絡和設備層（DeviceNet）網絡技術，將上位機、PLC、觸摸屏、FLEX I/O工作站、變頻器組成一個工業(yè)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)二氧化碳膨脹煙絲生產過程的自動化控制。
【關鍵詞】網絡技術、PLC、變頻器、自動控制
一、背景
隨著世界各國反吸煙運動的興起和發(fā)展，以及消費者對“吸煙與健康”問題的關注，生產對人體危害性較小的低焦油、低煙堿卷煙，是卷煙企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。煙草行業(yè)推廣應用的二氧化碳膨脹煙絲技術是實現(xiàn)“卷煙降焦減害”的必要措施，是生產“中式卷煙”的必由之路。
寶雞卷煙廠為積極響應國家煙草專賣局禁止使用氟里昂方法制造膨脹煙絲的號召，同時滿足企業(yè)生產低焦油卷煙的需求，在企業(yè)九五技改中提出一項重點項目----二氧化碳膨脹煙絲生產線項目。這是一條國產新模式的570Kg/h二氧化碳膨脹煙絲生產線，項目實施后可杜絕生產過程中排放的氟里昂物質對臭氧層的破壞，保護了大氣環(huán)境。可年產200多噸優(yōu)質膨脹煙絲，既滿足了企業(yè)生產卷煙對膨脹煙絲的需求，也可外賣部分產品。
二、面臨問題
二氧化碳膨脹煙絲生產線工藝流程復雜，系統(tǒng)設備計100多臺套，分布在上下三個平面層，控制點多且位置分散。若采用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，需敷設大量電纜，給設計、施工、調試和維護帶來很大麻煩。隨著網絡技術的發(fā)展，煙草行業(yè)制絲生產線開始使用現(xiàn)場總線技術。寶雞卷煙廠經過反復比較， 決定在二氧化碳膨脹煙絲生產線電氣控制系統(tǒng)中采用羅克韋爾自動化公司的網絡控制技術及產品，實現(xiàn)生產過程自動化控制。
三、解決方案
新模式的570Kg/h二氧化碳膨脹煙絲生產線由秦皇島煙機公司自行開發(fā)設計、制造、安裝。控制系統(tǒng)解決方案采用羅克韋爾自動化公司的ControlLogix控制系統(tǒng)[1]，控制網ControlNet和設備網DeviceNet兩層網絡技術。在控制系統(tǒng)中采用ControlLogix 5550處理器，配有1756-CNB控制網接口模塊，用于連接現(xiàn)場6個ControlLogix 5550 PLC。選用8個觸摸屏PanelView來進行生產操作和參數(shù)調整，這些觸摸屏通過控制網與PLC連接。選用1784-KTCX個人計算機接口卡，使上位機通過控制網與PLC連接，上位機在生產過程中具有在線狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷等功能。同時，配有1756-DNB設備網接口模塊，用于連接25個分散在現(xiàn)場的1794 FLEX I/O工作站和33個1336 PLUS II交流變頻器。
四、生產工藝流程
二氧化碳膨脹煙絲生產工藝流程見圖1。原料（片煙）經切片，回潮，儲存，切絲，定量稱重（含水20%的）煙絲后，周期性地送入浸漬器。經浸漬器加工后的干冰煙絲通過松散器打散后，落入振動柜。通過振動柜振動將干冰煙絲經計量帶和進料空氣鎖均勻送入升華器。在升華器中干冰煙絲與350℃左右工藝氣體（蒸汽、二氧化碳、空氣）接觸時，浸入煙絲細胞中固體二氧化碳使煙絲體積迅速膨脹。膨脹后煙絲通過切向分離器與工藝氣體分離，工藝氣體經除塵后被工藝風機抽出，大部分送入燃燒爐加熱循環(huán)使用，少量的送入燃燒爐焚燒掉。被切向分離器分離出的膨脹煙絲通過出料空氣鎖進入冷卻振動輸送機，再經過冷卻皮帶輸送機連續(xù)散熱降溫后，進入滾筒式葉絲回潮機回潮加水后，得到成品膨脹煙絲，其含水率為13%。
五、控制系統(tǒng)概述
5.1控制系統(tǒng)網絡結構圖
5.1.1控制系統(tǒng)自動化與控制層ControlNet[2]網絡結構見圖2。
5.1.2設備層DeviceNet[3]網絡結構圖
5.2 1336 PLUSⅡ型變頻器與設備網連接圖
5.3 1203-GK5通訊模板DIP開關設置[4]
DIP開關SW1出廠設置值為：
SW1-1=0，SW1-2=0，SW1-3=0，SW1-4=0，SW1-5=0，SW1-6=0，SW1-7=0，SW1-8=0。現(xiàn)場DIP開關SW1值就是采用出廠設置值。
DIP開關SW2出廠設置值為：
SW2-1=1,SW2-2=1,SW2-3=1,SW2-4=1,SW2-5=1, SW2-6=1,SW2-7=０，SW2-８=０。SW2-1～SW2-6設定設備網節(jié)點地址，出廠設置節(jié)點地址為111111（2），63（D），按SW2-6，SW2-5，SW2-4…SW2-1由大到小順序排列，節(jié)點地址范圍為0～63。具體節(jié)點地址可根據(jù)編程需要設定。SW2-6～SW2-7設定數(shù)據(jù)傳輸速率，出廠設置數(shù)據(jù)傳輸速率為125K。我們就是采用出廠設置值，數(shù)據(jù)傳輸速率為125K。
5.4 PLC與變頻器I/O工作圖表
ControlLogix 5550 PLC與1336 PLUS Ⅱ變頻器I/O工作示意如圖8所示。
5.5 變頻器的編程
1336 PLUS Ⅱ型變頻器采用數(shù)字編程方式精確控制電機運行速度。變頻器可用人機接口模塊在本地編程，或通過串行口用PLC、SLC或用DriveTools、RSNetWorx for DeviceNet編程軟件進行編程。1336 PLUS Ⅱ變頻器有一套豐富的參數(shù)，這300多個參數(shù)被分成16個組，大大方便用戶編程。在參數(shù)分類中用功能參數(shù)組代替順序號參數(shù)表，可以提高編程效率，減少操作時間。且控制輸入端和輸出端都可以編程，幾乎可以滿足任何生產過程需要。
我們使用的1336 PLUS Ⅱ變頻器TB1端子是A4型結構，其接線如圖9所示。
1336 PLUS Ⅱ 變頻器TB3控制接口模板選件通過使不同的觸點閉合，提供了把多種信號和指令輸入到1336 PLUS Ⅱ 變頻器里。有六種型號的選件供用戶選用，我們選用L5型端子板，+24V交流/直流接口模板，其接線如圖10所示。
變頻器的速度指令可以從不同的基準源獲得。這些基準源是由變頻器的編程程序和TB3上速度選擇輸入的組態(tài)決定。組態(tài)軟件程序可校驗編程的選項，保證選定的輸入是有效組合。我們采用使TB3端子上26號（速度選擇3）、27號（速度選擇2）、28號（速度選擇1）所有速度選擇輸入斷開(如圖10所示)，則變頻器將按照本地人機接口模板所選定的編程參數(shù)[頻率選擇1]運行。
六、使用效果
二氧化碳膨脹煙絲生產線經過兩年多時間的運行，所生產的膨脹煙絲在寶雞卷煙廠的“好貓、猴王、金絲猴”三大系列產品的大多數(shù)牌號中，都進行了不同比例地摻兌，增加了煙氣的柔和性，刺激性減小，受到市場歡迎。同時降低了焦油、煙堿等有害物質含量，也使庫存陜西煙葉得到了充分使用，有力地配合了國家煙草專賣局“降焦減害”工程。
七、應用體會
傳統(tǒng)的PLC實行集中控制，所有的電纜都必須連接至PLC控制柜，布線和接線相當繁瑣。羅克韋爾自動化開放性網絡系統(tǒng)設計方便、結構靈活、安裝簡便，省去了大量的電氣控制柜間的互聯(lián)線，使用標準通訊電纜和連接器，從而減少了安裝費用。編程軟件和組態(tài)軟件具有在線故障診斷功能，使調試和維護更方便。寶雞卷煙廠二氧化碳膨脹煙絲生產線運行兩年多來實際結果表明：羅克韋爾自動化現(xiàn)場總線產品的應用在產品質量、安全生產、節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了重要作用，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，網絡和電氣設備可維護性較強，車間33臺1336 PLUS Ⅱ系列變頻器運轉正常,極大地提高了設備的有效作業(yè)率。
二氧化碳膨脹煙絲生產線的投產，增強了寶雞卷煙廠的卷煙市場競爭能力，為企業(yè)新品開發(fā)和老品改造提供了有利條件，為擴大生產中高檔卷煙奠定了堅實的基礎，直接經濟效益及社會效益實現(xiàn)雙贏，保證了企業(yè)持續(xù)、穩(wěn)步、健康地發(fā)展。
八、意見和建議
1336 PLUSⅡ系列變頻器被廣泛應用到各行各業(yè)的生產過程，遺憾的是1336 PLUSⅡ變頻器和人機接口模塊僅有德語、意大利語、法語、西班牙語、日語和英語顯示編程、運行和診斷信息。在中國境內被廣泛使用，卻沒有漢語顯示編程、運行和診斷信息，隨機附帶的用戶手冊也是英文版，使用戶操作變頻器深感不便，增加了維護難度，影響工作效率，使變頻器性能沒有得到很好的發(fā)揮。
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