摘要：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、計量設備計量精度低和水在管路中預填不充分的問題，造成了定量加水係統控製精度低。為提高控製精度，對其進行了改造設計。應用證明：改造後的定量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求。
近年來，隨著工廠卷煙品牌風格特征的確定以及 2016版《卷煙工藝規範》的實施，現有加水係統的控製精度已不能滿足生產發展的需要。作為卷煙加工關鍵環節之一的香料廚房工序，其定量加水在配製糖料過程中的摻配精度直接影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，所以定量加水係統的改造設計對提高工廠卷煙產品質量、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，其定量加水係統主要由水源、乙醇流量計、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，啟動係統往調製罐 7 內定量加水，流量計前閥 4 開啟對管路進行預填充，延時一定時間後，調製罐補水球閥 6 開啟，同時乙醇流量計開始計量，當乙醇流量計的累積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，發現定量加水係統存在以下問題：
（1）定量加水控製精度低。定量加水係統的水源為自來水經過軟化處理器後的軟化水，在生產現場用水高峰期時，自來水水壓波動造成軟化水水壓波動，從而降低了乙醇流量計的計量精度；另外，定量加水係統在預填充時管路處於密閉狀態，管路中的氣泡無法排除，造成水在管路中預填不充分，當開始往調製罐內加水時，導致經過乙醇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。經過軟化處理器的軟化水流量小，導致配製過程中定量加水時間延長。經測試，定量加水100kg 時，需要用時 667s。
綜上所述，原有的香料廚房定量加水係統已不能滿足工廠卷煙生產的要求。為此，對香料廚房定量加水係統進行改造設計。
2 改造方案
2.1 設計思路
（1）增加儲水罐，為定量加水係統提供穩定的水源；同時，儲水罐需要具有計量功能。
（2）提高加水係統中水流流量檢測元件的計量精度；定量加水係統滿足控製精度≤0.5% 的要求。
（3）縮短配製過程中定量加水時間；實現水在管路中的預填充和管路餘水回收。
2.2 方案設計
根據設計思路，對定量加水係統的管路進行了改造設計，改造後管路示意圖如圖 2 所示。

其管路主要由三部分組成，其功能分別為：
（1）儲水罐進水管路。通過補水閥 3 和壓力變送器 6完成儲水罐水位控製。
（2）定量加水管路。首先，通過出水閥 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；然後，通過補水閥 4 完成對調製罐的定量加水；最後，通過回收閥 17 和單向閥 16 完成對水管中餘水的回收。
（3）儲水罐排汙管路。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需要加水量的容積 , 選擇儲水罐容積為 500L 的罐體。為滿足加水係統的功能，其需要具有以下接口：帶蓋的罐口、進水口、回水口、排水口和壓力傳感器安裝接口。向罐體生產廠家提出技術要求進行定製購買。
（2）多級離心泵。為提高定量加水時水在管路中的水壓，采用泵對水進行輸送。因多級離心泵具有高效節能、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，選擇格蘭富 CHI2-60 型多級離心泵，其額定能力為 2500kg/h。
（3）其餘管路元件。管路中使用氣動球閥都選擇費斯托 CRQH-ER-3/4-B-SA 型兩通球閥；管路都采用 DN32 的不鏽鋼管進行連接；其餘元件根據實際需要選擇。
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，可在較大量程比範圍內，對流體質量流量實現高準確度直接測量的優點，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，選用恩德斯豪斯 PROMASS83F-DN15 型高精度的質量流量計，其質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 型通用變頻器來調節多級離心泵電機的轉速。
（3）其餘電氣元件。在儲水罐底部選擇安裝橫河EJA210A 型壓力變送器；增加的信號點需要西門子 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。把增加的質量流量計和變頻器添加到香料廚房 S7-400 PLC 控製係統的 PROFIBUS 網中，其網絡組態如圖 3 所示，圖中 PROFIBUS-DP 地址 88 和 89 為硬件係統增加的質量流量計和變頻器。

（2）程序設計。儲水罐水量控製的工作過程為：當壓力變送器檢測到儲水罐的水量低於 450kg 時，補水閥 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，啟動係統，多級離心泵 10、回流閥 4、出水閥 9 和流量計前閥 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；當質量流量計的累積量與設定加水量一致時，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 和回流閥 4 以及同未關閉流量計前閥 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成後，經測試，定量加水100Kg 時，需要用時 211s，生產效率顯著提高，改造後比改造前提高了 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% 提高到改造後0.07%。定量加水係統改造設計完成以後，有效的滿足了香料廚房配料的控製要求；同時，提高了係統的可靠性、精確性和經濟性。