卷烟厂风力送丝系统的优化与实现硕士研究生学位论文.docx

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卷烟厂风力送丝系统的优化与实现硕士研究生学位论文

硕士学位论文

中文论文题目：

卷烟厂风力送丝系统的优化与实现

英文论文题目：

OptimizationandImplementation

ofTobaccoPneumaticConveyingSystem

forCigaretteFactory

题

目

卷

烟

厂

风

力

送

丝

系

统

的

优

化

与

实

现

作

者

姓

名

林

聪

浙

江

大

学

卷烟厂风力送丝系统的优化与实现

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答辩委员会主席：

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答辩日期：

OptimizationandImplementationofTobaccoPneumaticConveyingSystemforCigaretteFactory

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浙江大学研究生学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

签字日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：

导师签名：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

摘要

随着时代的进步，卷烟厂也得以长足发展，企业生产管理和设备管理的要求也不断提高，精细化管理、TPM、数字化工厂的概念也不断的被提出、落地实施。

对风力送丝系统的要求也不断的提高，原先只关心能否把烟丝从制丝车间送到卷包车间，如今开始关心系统的各个细节。

例如：

烟丝如何送到卷包车间、速度如何、控制是否稳定、是否具备数据采集功能、维护是否方便、是否可以做到免维护、不同速度对烟丝品质的影响如何等等一系列问题。

基于国内卷烟厂不可能对原有风力送丝系统进行换代的现状，同时又要满足现代化工厂的生产和设备管理之所需。

因此，本文为提高风力送丝系统稳定性、满足现代化工厂生产管理和设备管理的需要，进行对第二代风力送丝系统进行优化并实现。

本文以浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂风力送丝系统的优化与实现项目为例，运用六西格玛方法探讨如何对风力送丝系统进行优化与实现。

通过增加上位机系统，分析优化PLC程序，采用西门子WINCC等技术，优化整个控制系统，实现运行状态的可视化、远程控制监视、实现数据采集、与企业网络（MES）的通讯等功能。

从而提高风力送丝系统的稳定性（回风管风速控制在：

12±1米/秒），提高产品质量。

关键词：

　卷烟厂风力送丝系统，上位机系统，PLC，六西格玛

Abstract

Withthedevelopmentofthetimes,cigarettefactoryhasmadeconsiderableprogress.Therequirementsofproductionmanagementanddevicemanagementarealsoincreased,andtheconceptssuchasmeticulousmanagement,TPM,digitalfactoryarealsoconstantlyputforwardandimplemented.ThedemandsofTobaccoPneumaticConveyingSystemareincreasedgradually.TheCigaretteFactoryonlyinterestedinwhetherthetobaccofromsilkwrappingworkshoptoworkshoporiginally,nowbegantocareaboutallthedetailsofthesystem.Forexample:

Howtowrappingtobaccoshop,speedoffeeding,stabilityofthecontrol,theavailabilityofdataacquisition,difficultiesofthemaintenance,theinfluenceonthetobaccoqualityatdifferentspeeds,etc.

AimingatthestatusoforiginaldomesticCigaretteFactoryimpossibilityforwindgenerationfeedingsystemandalsoformeetingtheneedsofmodernfactoryproductionanddevicemanagement,thesecondgenerationofTobaccoPneumaticConveyingSystemwasoptimizedandimplementedinthispaper.

TakingZhejiangTobaccoIndustryCo.,Ltd.NingboCigaretteFactoryTobaccoPneumaticConveyingSystemoptimizationandrealizationprojectforexample,theSixSigmamethodologywasusedonhowtooptimizeandimplementthewindwiresysteminthispaper.Byincreasingthehostcomputer,usingSiemensWINCCtechnologyetc.,analyticalandoptimizePLCprogram,theentirecontrolsystemwasoptimized.Theoperationalstatusvisualization,remotecontrollingandmonitoring,dataacquisition,andenterprisenetworks（MES）forcommunicationwasachieved.Therebythestabilityofthewindfeedingsystem（returnductvelocitycontrol:

12±1m/s）wasenhancedandproductqualitywasimproved.

KeyWords：

　TobaccoPneumaticConveyingSystemforCigaretteFactory,PCsystems,PLC,SixSigma

目录

摘要i

Abstractii

图目录III

表目录IV

第1章绪论1

1.1课题来源及类型1

1.2卷烟厂风力送丝系统项目概述1

1.3国内外风力送丝系统发展概况2

1.4风卷烟厂风力送丝系统优化和实现的提出3

1.5本文研究的内容、目标4

1.5.1本文研究内容4

1.5.2本文研究目标6

1.6本文组织结构6

1.7本章小结7

第2章系统相关理论基础与技术8

2.1六西格玛方法8

2.1.1系统过程界定（define）8

2.1.2系统测量（measure）9

2.1.3系统分析（analyze）9

2.1.4改进（improve）10

2.1.5控制（control）10

2.2西门子PLCS7-20011

2.3上位机系统14

2.4C语言17

2.5本章小结18

第3章系统优化分析19

3.1系统概述19

3.2系统优化点分析19

3.3上位机系统需求分析24

3.3.1上位机系统的用户分析24

3.3.2上位机系统的功能分析24

3.3.3上位机系统的界面需求26

3.4上位机系统的开发目的及环境26

3.5本章小结27

第4章上位机系统设计及PLC参数设计28

4.1上位机系统设计原则28

4.2上位机系统设计28

4.3PLC程序参数设计30

4.3.1PLC站点参数表31

4.3.2OPC发送接收表31

4.4本章小结33

第5章系统实现34

5.1上位机系统开发环境配置34

5.2上位机系统具体实现36

5.2.1创建登录界面的图形文件36

5.2.2创建主页面的图形文件38

5.2.3创建单机控制界面的图形文件40

5.2.4创建单机风速趋势界面的图形文件42

5.2.5创建单机PID图界面的图形文件43

5.2.6创建总管图界面的图形文件44

5.2.7创建报警界面的图形文件45

5.3修改S7-200程序46

5.4本章小结47

第6章系统测试及结果分析48

6.1系统优化后的控制措施48

6.2最终效益核实49

6.2.1无形经济价值49

6.2.2有形经济价值49

6.3本章小结50

第7章总结与展望51

7.1全文总结51

7.2个人总结51

7.3展望52

参考文献53

作者简历54

致谢56

图目录

图1.1风力送丝系统宏观流程图1

图1.2上位机与原系统的网络结构5

图1.3风力送丝系统图6

图2.1PLC的组成框图11

图2.2PLC梯形语言12

图2.3OPCServer/Client运作的方式16

图2.4OPCServerOPCGroupOPCItem关系16

图2.5OPC体系结构17

图3.1风机频率与机组风速关系图22

图3.2风机频率与机组压力关系图22

图3.3总管风速和机组风速关系图23

图3.4风速曲线模拟图23

图4.1上位机系统设计图29

图5.1创建驱动程序34

图5.2设置网络地址35

图5.3创建内部变量36

图5.4登录界面36

图5.5上位机系统主页面38

图5.6“第1－12风机组”按钮事件创建39

图5.7单机控制界面的图形文件40

图5.8“PV实际值”的属性修改42

图5.9单机风速趋势图42

图5.10单机风速趋势图属性设置43

图5.11单机PID图界面43

图5.12“SP棒图”属性修改44

图5.13总管界面45

图5.14报警界面45

图5.15报警界面属性设置46

图5.16S7200程序修改46

表目录

表3.1快赢机会改进项目表20

表3.2进一步分析项目表21

表3.3需改进项目表24

表4.1需设计模块及说明30

表4.2PLC站点参数表31

表4.3OPC发送接收地址表32

表6.1修改文件48

表6.2专业用户和非专业用户培训表48

表6.3风速稳定和不稳定整丝率、碎丝率对比表49

表6.4剔除率对比表50

第1章绪论

1.1课题来源及类型

目前，浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂现有18套卷烟机（PT）设备，风力送丝系统是上世纪“九五”技改时期设计建设，是属于把烟丝从制丝车间靠风力送到卷包车间概念提出的第二代产品。

在“十五”技改中，厂房进行了接长，并增加了2套卷烟机组，送丝管路距离大大增加，风速控制更加不稳定，故障率也大大增加，为此顾客抱怨不断。

该系统相比于本世纪先进的风力送丝系统，在风速控制稳定性和故障率方面存在较大差距。

风力送丝系统中风速的稳定性的提高对提高烟丝品质和降低不良烟支剔除率有较大影响。

基于此，本文主要结合宁波卷烟厂风力送丝系统的现状和特点，运用“六西格玛”方法，研究如何对卷烟厂风力送丝系统进行优化和实现，以提高风力送丝系统的稳定性。

1.2卷烟厂风力送丝系统项目概述

卷烟厂风力送丝系统（pneumaticconveyingsystemofcut-tobacco）主要是指烟丝依靠负压风力为载体，烟丝实现从喂丝机（制丝车间）到卷烟机（卷包车间）的远距离输送控制系统（如图1.1）。

图1.1风力送丝系统宏观流程图

目前许多烟厂已经或将要实施烟丝风力输送的系统，作为柔性制丝的最后环节，其意义是重大的。

比较卷烟工业企业中振筛、皮带、人力小车和风力输送等诸多输送方式，基于烟丝输送性能特点和烟丝品质比较来看，风力输送方式具有长距离输送，造碎低，设备简单等优点。

风力输送方式又是一种全封闭型管道输送系统，布置灵活，无二次污染。

高效节能便于物料输送和回收、为无泄漏输送。

风力输送系统以强大的优势，将取代传统的各种机械、人力输送方式。

1.3国内外风力送丝系统发展概况

气流输送技术是随着物料搬运和一些工业过程的需要而发展起来的，该技术在相当长的一段时间内，只能用于输送固粒为稀相的情形，20世纪中后期,气力输送[1]技术得到了广泛的应用，原有的一些限制也不断的被突破，目前气力输送已广泛的应用于电力、制药、食品、塑料、水力、化工、采矿、冶金及烟草等行业[2]。

此外，气力输送在烟草行业领域也得到了推广，1866年出现了烟丝的气力输送装置，1891年在英国Docnranzhi制出负压气力输送装置，B.C.lafmkoB等对烟丝做了大量的实验，以后气力输送在烟草行业获得应用[3]。

对于烟草物料（叶片，烟丝，烟梗等）的收集、运输、加工以分选，采用气力输送可以减少物料的损伤及污染[4]。

在卷烟加工过程中,烟丝输送是将贮丝柜中的烟丝输送至卷烟机的工艺环节。

当前国内大多通过气力送丝的方式或者小车送丝的方式来进行烟丝的输送。

小车送丝的输送方式有个最大缺点就是在维护过程中比较困难而且故障经常发生,运行的成本也较高，而且容易导致搓牌，引起严重的质量事故。

当前小车输送方式陆续被风力送丝所取代，生产规模稍大的卷烟工业企业都已经使用了风力送丝系统。

卷烟行业中的风力送丝[5-6]，是指通过风力在送丝管道中产生负压来实现烟丝从喂丝机到卷烟机组的输送，是目前国内外卷烟机自动化供烟丝的主要方式之一。

因其具有布置灵活、管理方便、适用于各种距离的水平、垂直和曲线输送的特点，同时还可以起到松散、去杂、除尘、干燥和冷却等作用[7]而应用普遍。

从技术发展的角度，风力送丝系统的演进，大致经历了以下几个阶段：

第一代：

单管风力送丝技术

90年代之前，风力送丝技术在西欧出现，当时由于卷烟机械的比较落后，风机运行效率底等，采用的只是单管风力送丝技术，该系统由喂丝机、送丝管、调节阀、集丝箱和除尘器、风机等组成，每组可供十台以内卷烟机的用丝。

强调的是实现烟丝输送的功能，减轻劳动强度为目的，开始向自动化方向转化。

由于一根料管同时供多台卷烟机，在最后的几台卷烟机处会出现供丝不足和烟丝造碎严重等缺陷，故障率非常高，且噪音高粉尘大，目前基本被淘汰。

第二代：

多管风力送丝技术[8-9]

进入90年代以来，随着高效率卷烟机械的出现，最具代表性的就是德国HUANI公司的PROTOS-70卷烟机（产能为：

7000支/分）的出现，单管风力送丝技术已经无法满足多台PROTOS-70生产之所需，迫使气力输送技术不断进步，从单管送丝发展到多管风力送丝。

一台卷烟机单独配备一根供料管，多台卷烟机配备一个除尘器的技术出现，最典型的就是德国NEO公司的风力送丝技术。

宁波卷烟厂95技改式选用的风力送丝系统就是NEO公司生产的。

该时期的多管风力送丝技术开始注重送丝速度的稳定，开始关心风速对产品品质的影响，开始注重控制自动化，PLC技术广泛使用。

但该时期的系统稳定性不高，送丝风速波动较大，对系统的保养维护要求高，缺乏远程控制等功能，与现代化工厂理念打造的要求还是存在很大差距。

第三代：

现代多管风力送丝技术

进入21世纪后，德国RIEDEL公司推出了全新的新型风力送丝系统，利用了SACU控制器，他以控制送丝管的速度为目标，送丝速度更加稳定，控制在±1米/秒，而且系统更加节能，稳定大大提高，基本上处于免维护状态，具备远程控制功能，给系统的维护和调整带来极大便利。

但该系统的实施所用成本非常高，一个100万箱生产规模的卷烟工业企业风力送丝系统所需项目资金在4000万元左右。

1.4风卷烟厂风力送丝系统优化和实现的提出

自从2000年左右全国卷烟工业企业进行大范围技改后[10-12]，自今未有大范围的技改。

虽然各个烟厂有小的技改或扩建项目，但风力送丝系统未更换成本世纪先进的系统，因为第二代送丝系统更换成第三代需对整个系统进行更换。

假如换代则会造成以下几方面的问题：

1）全厂停产。

风力送丝系统是连接制丝车间和卷包车间实现烟丝输送的系统，假如无该系统，烟丝无法通过人工进行输送，就会导致全厂停产，而且人工输送对烟丝品质影响非常大。

2）投入成本高。

100万箱/年标准产能的卷烟工业企业，新系统的投入成本约需要4000万元人民币，因此投入成本非常高。

3）所需时间长。

系统的换代要经过新设备采购、旧系统拆除、新系统安装、新系统调试等环节，一般所需时间在6个月左右，而且部分卷烟工业企业还不具备新系统的安装条件。

没有一个卷烟工业企业能够接受6个月的停产，对企业造成的损失是非常巨大的。

鉴于以上原因，目前，国内卷烟厂烟丝从制丝车间到卷包车间输送的实现方式还是以第二代风力送丝系统为主。

虽然已进入到21世纪，但还是未进行换代。

随着时代的进步，卷烟工业企业也得以长足发展，企业生产管理和设备管理的要求也不断提高，精细化管理、TPM、数字化工厂的概念也不断的被提出、落地实施。

对风力送丝系统的要求也不断的提高，原先只关心能否把烟丝从制丝车间送到卷包车间，如今开始关心系统的各个细节。

例如：

烟丝如何送到卷包车间、速度如何、控制是否稳定、是否具备数据采集功能、维护是否方便、是否可以做到免维护、不同速度对烟丝品质的影响如何等等一系列问题。

基于国内卷烟工业企业不可能对原有风力送丝系统进行换代的现状，同时又要满足现代化工厂的生产和设备管理之所需。

因此，本文为提高风力送丝系统稳定性、满足现代化工厂生产管理和设备管理的需要，而尝试进行对第二代风力送丝系统进行优化并实现。

1.5本文研究的内容、目标

1.5.1本文研究内容

优化并实现风力送丝系统上位机系统（如图1.2）。

满足以下需求：

1）总管风速实时值和历史曲线、报警等显示

2）每台卷烟机组的风速、阀门的实时、历史曲线、状态报警显示

3）每台卷烟机组风送调节的P参数，I参数和调节延迟时间的调节

4）每台卷烟机组S7-200的通信，模块的状态和故障报警。

5）与厂级MES系统通讯的数据：

每台卷烟机组的风速，状态和报警记录

图1.2上位机与原系统的网络结构

风力送丝系统的系统（如图1.3）参数研究。

系统的压损计算，是设计通风、除尘、风送相关系统的主要内容，对于分析系统问题，合理设计管网和风机、除尘器等动力系统有直接的指导作用。

本次项目的压损计算，主要作用是查验系统设计和各项参数的合理性。

系统压损包含有物料（烟丝）输送部分压损H1和尾气（辅助）部分压损H2两部分。

H1是由烟丝经过喂丝机—丝管—卷烟机集丝箱的路径过程中产生的，H2则是烟丝卸料之后含尘空气经过汇集管—总管—除尘器—风机—排出管的路径产生的压损。

图1.3风力送丝系统图

单台卷烟风送控制的研究。

风速检测装置是检测风速大小，该信号送至PLC通过和设定值比较PID计算后输出控制EP阀，从而达到风速大小，稳定的控制。

该装置内部的取压口长期处在含尘空气中，如果由于粉尘堵塞，会造成风速检测不准，控制失调。

1.5.2本文研究目标

本文以浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂风力送丝系统的优化与实现项目为例，结合现代卷烟工业企业生产的要求和风力送丝系统的现状、特点，探讨如何对第二代风力送丝系统进行优化与实现，以达到或接近第三代系统的水平。

具体体现在：

实现远程控制监视功能、实现数据采集和企业网络（MES）的通讯功能；提高风力送丝系统的稳定性（回风管风速控制在：

12±1米/秒）。

1.6本文组织结构

本文将详细介绍卷烟厂风力送丝系统的优化与实现。

第一章绪论阐述了课题的来源及意义，详细分析了国内外现状，课题的提出并论证了论文研究的价值所在，提出了本文研究内容和目标。

最后对本文的主要工作及章节安排进行了说明。

第二章本章介绍了风力送丝系统的优化与实现所涉及到的概念和相关的技术。

重点叙述了系统优化时所用到的六西格玛方法论、PLC控制技术、OPC体系架构等内容，为系统的优化和实现打下基础。

第三章首先简单介绍了风力送丝系统所基于的系统环境。

通过运用六西格玛分析得出风力送丝系统的优化与实现是需要通过硬件手段和软件手段双方面结合完成的，硬件的优化是比较明确的，本文将不做重点描述，本文重点描述软件方面的改善，包括：

增加上位机系统和PLC程序的修改。

进行了用户需求分析、功能分析、界面需求分析，在此基础上又介绍了系统的设计目的和开发环境。

第四章对系统的整体设计原则进行了描述，阐述了上位机系统的设计图，明确上位机系统需设计的模块，指出PLC程序如何优化，给出了“PLC站点参数表”和“发送接收地址表”为系统的具体提供基础。

第五章是本文的重点。

本章主要分两部分对系统实现进行阐述。

第一部分阐述了对上位机系统的配置和上位机系统的具体实现过程。

第二部分主要阐述了PLC程序的修改过程。

第六章依据六西格玛方法，只有经过C（控制）阶段项目才是完美的，核算了为宁波卷烟厂创造的经济价值，以及估算能够为其他卷烟厂创造的价值。

第七章是全文的总结，并展望了未来。

1.7本章小结

本章详细介绍了课题的来源及意义，详