烟草制线材物料联动调速控制的研究

烟草制线材物料联动调速控制的研究

为了保证产品加工质量的稳定性和内部质量的一致性，通常采用原料仓、提升机、测量管和皮碗重量，同时控制在线烟丝（片烟）的流量，为稳定流量创造良好的条件。但随着精细化加工的深入,对流量控制提出了更高的要求,当前系统设计的不足逐渐显现出来,成为制约加工精度提高的重要因素。为此一些企业先后对该系统的喂料仓、计量管、皮带秤等部件或控制参数进行了改进,主要是提高皮带秤传感装置灵敏度和喂料仓的供料能力,以解决皮带秤计量准确性低和供料不足引起的断料等问题,但并未考虑物料状态对流量控制的影响及改善物料流量的稳定性。为此,利用联动调速技术对提升机齿板、计量管结构和控制方法进行了分析和改进,以进一步提高物料流量的稳定性,满足精细化加工的要求。1自适应高料位检测光电管在烟草物料流量控制系统中,喂料仓和提升机连续不断地给计量管垂直供料;计量管根据在制品含水率相同时体积基本一致的特点对来料流量进行初步定量,连续供给皮带秤体积均衡的物料;由皮带秤对物料进行连续称重,并根据称量结果随时调整皮带秤输出速度,保证单位时间内输出的物料质量均衡,达到稳定物料流量的目的。计量管上设置有高料位和低料位检测光电管,控制前方设备及时供料或停料,保持管内物料高度在一定范围内,即正常情况下物料仅遮挡低料位检测光电管,计量管内物料高度始终保持在高低检测光电管之间。当供料流量过大时,遮挡高料位检测光电管,此时提升机停止供料;当计量管中的物料高度降至低料位检测光电管以下时,恢复供料。在原理上计量管属于体积流量控制,皮带秤为质量流量控制,两者相结合可以减少皮带秤带速的频繁调整,对控制流量波动具有良好效果。但在实际生产中经常存在以下问题,影响到流量控制精度和生产的连续稳定。(1)提升机通过耙齿勾住烟丝向上输送时,不能保证烟丝均匀分布,甚至烟丝会不停地在提升机的皮带上打滚,形成结团,造成物料供给不均匀。(2)烟丝(片烟)在计量管内下落过程中,因计量管下部空气反吹,使部分烟丝、片烟向上扬起,有时会因气流作用贴在计量管壁上,遮挡高料位检测光电管,造成提升机停止供料,使皮带秤断料,影响流量稳定和连续。(3)提升机和计量管对物料体积进行初步定量,皮带秤进而对物料质量进行精确计量,但两者之间在控制上是独立的,计量管可以控制提升机的启停,但并不能控制提升机速度,因此无法保证供料的稳定性和供料量;皮带秤对来料进行连续称重,并根据称量结果自动调整皮带秤输出速度,达到均衡物料流量的目的,但无法对来料状态进行控制,当来料波动时,只能频繁调整皮带秤输出速度。由于来料含水率、松散状态不断变化,而且计量管的控制精度比皮带秤精度(0.5%)要低10倍以上,因此供料流量波动较大,由此影响到皮带秤物料流量控制的精度。(4)当高料位检测光电管遮挡时,提升机停止供料。恢复供料的瞬间,因提升机供料不稳定,会出现供料不足,造成计量管内物料高度过低,引起流量波动。2改进方法2.1提升带模型结构设计为提高供料的均匀性和稳定性,在加大料仓的基础上,对提升机耙齿的尺寸,匀料辊辊针的长度、分布密度及相对位置分别进行了改进。假定皮带秤流量和提升机流量相等,可以避免高料位检测光电管的频繁遮挡,根据设备能力对通过提升机的烟丝高度进行了计算:设提升带宽度为L,提升机速度为V,烟丝流量为S,烟丝密度为ρ,根据提升机烟丝高度公式H=S/(LVρ)可大致计算出H=7cm。提升机采用变频器调速,运行频率为30~40Hz,所以设定变频器初始频率为35Hz,提升机速度为原来的70%,那么高度应该是10cm。以此为依据对提升机耙齿进行了改进,将耙齿由原来的15cm减少为10cm,防止在向上输送过程中由于耙齿过长使输送烟丝产生不均。对匀料辊辊针和提升带耙齿之间的垂直距离进行了调整。保证供料均匀的前提是提升机输送的烟丝高度均匀一致,根据烟丝流量4600kg/h要求,将匀料辊辊针和提升带耙齿之间的垂直距离分别调整为6,7,8,9,10mm进行试验,结果见表1。可见,垂直距离为6mm时,流量波动最小,流量最稳定。考虑到提升机频率在30~40Hz之间,且上下限需留有调整空间,最终确定匀料辊和提升带的垂直距离为8mm。对匀料辊辊针分布密度进行了改进。原设计匀料辊辊针绕圆周均匀分布6排,每排15个。适当加大辊针密度有利于烟丝在提升带上的均匀性,改进后辊针均匀分布为7,8,9排,每排15,19,23个,试验数据见表2和表3。可见,绕匀料辊圆周分布9排,每排23个流量波动最小。考虑到造碎等原因,最终确定辊针沿圆周均匀分布8排,每排19个对烟丝的梳理作用最佳,能较好地控制烟丝在提升带上的厚度和均匀性,对烟丝还具有松散作用,避免烟丝打滚而形成结团。改进后匀料辊结构见图1。2.2物料的下分隔和反射式光电管无排放位置,这也和提升机b为避免计量管内气流的反作用,防止高料位检测光电管误动作导致皮带秤出现断料现象,在计量管中隔出一个狭小的空腔,将高料位检测光电管安装在狭小的空腔中进行检测,同时降低高料位检测光电管的安装高度,安装在底部。改进后计量管结构见图2,在计量管右侧插入上下2块隔板(上隔板1、下隔板2),2块隔板在同一垂直面内,间隔30cm,隔板和计量管右壁之间的距离是10cm。在计量管物料通道8的下部安装由反射式光电管3和反射板4组成的低料位检测,原高料位检测光电管取消,在右侧空腔7下部安装由反射式光电管5和反射板6组成的高料位检测。反射式光电管3,5和反射板4,6处于同一水平高度。当提升机开始喂料时,烟丝、片烟等通过物料通道8落入计量管底部,上下隔板能够限制物料不进入右侧空腔7内。因右侧空腔是一个相对独立的空间,气流反吹起来的烟丝、片烟只有很少一部分能进入空腔,这部分物料在空腔7内不足以形成气流的反吹,从而飘落到空腔底部进入皮带秤,也不会贴在壁上遮挡光电管。当提升机物料流量加大,烟丝、片烟在计量管底部聚集升高,超出下隔板时,过多的物料通过上下隔板之间的间隙进入空腔,当进入空腔内的物料聚集达到一定高度时,会遮挡高料位检测光电管,光电管动作,提升机停止供料。因空腔较狭窄,气流的反吹现象较弱,并且高料位检测光电管6安装在空腔底部,气流反吹的物料向上运动,不会遮挡高料位检测光电管,从而避免提升机误动作。上下隔板之间的距离是30cm,空腔内断续供料,不会造成空腔内堵料。2.3物料流量控制为提高控制精度,对控制方法进行了重新设计。首先建立提升机变频器与提升机PLC之间Profibus-DP通讯,并编写变频器控制程序以实现对提升机变频器的控制,达到无级调速目的,从而使物料流量受控可调。运用联动调速原理,由皮带秤流量信号来调节提升机速度。在此控制系统中皮带秤作为控制源相当于电机,提升带作为被控对象相当于传动轴,利用匹配系数,通过皮带秤变频器频率来控制提升机变频器频率,其关系式为:提升机变频器频率=匹配系数K×皮带秤变频器频率。即皮带秤根据物料流量信号通过PID控制器调节自身皮带速度,同时将其速度对应的频率传送到提升机PLC中,利用联动调速技术,提升机PLC将接收到的皮带秤频率乘以匹配系数,从而调节提升机变频器频率,控制提升机速度。而提升机的启停仍由计量管高低料位光电管控制。将提升机和皮带秤进行关联控制,可以使皮带秤和提升机同步调速,进而使物料在皮带秤上的厚度均匀一致,避免了皮带秤频繁调整,物料流量控制更加均衡。匹配系数可通过试验得出。先在小流量下进行恒流量控制得到系数K1,中流量下进行恒流量控制得到系数K2,大流量下进行恒流量控制得到系数K3,再通过加权平均计算出正常工作时的系数,即K=K1×20%+K2×60%+K3×20%。通过多次试验计算得出K=0.8,再经过实际生产验证,最终确定K=0.75。在皮带秤PLC和提升机PLC之间采用Profibus总线建立连接,配置建立s7通讯,利用FB12(发送)、FB13(接收)功能块进行数据传送,使两台PLC之间及时准确传递数据,网络连接见图3。改进后使皮带秤流量信号参与物料流量控制,从而使物料流量受控可调,有效提高了物料流量控制精度。此外,对喂料仓的启动程序进行了优化。原启动方式为顺序启动,启动时提升带先启动,然后是喂料仓底带,受启动顺序的影响,输送过程中会形成提升带上有露白现象,使瞬时供料不足,导致皮带秤瞬时流量不稳定。改进后先启动喂料仓底带,喂料仓底带和提升带之间的高料位检测光电管挡住后,物料充足,再启动提升带,减少了顺序启动时造成的物料断料间隔。底带第一次启动时先高速启动,当两条皮带结合处的高料位检测光电管遮挡后底带停止供料;当高料位检测光电管检测到物料较少时,底带再次启动进入设定速度供料。改进后缩短了供料时间,降低了高料位检测光电管位置,避免了物料在喂料仓底带和提升带结合处过多堆积,造成物料翻滚结团而