洪凱強(qiáng)，王淼森，陳榮峰，侯明濤，張紅梅

(1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東 廣州 510385； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450002)

煙絲秤流量自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

洪凱強(qiáng)1，王淼森2，陳榮峰1，侯明濤2，張紅梅2

(1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東 廣州 510385； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450002)

為解決卷煙制絲生產(chǎn)線由于設(shè)定值與實(shí)際來料流量之間存在差異，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生烘絲段設(shè)備防堵料停機(jī)或摻配加香段斷流等影響生產(chǎn)的問題。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝，通過估算喂料機(jī)內(nèi)的實(shí)際煙絲存量，根據(jù)配方參數(shù)確定其控制值，增大喂料機(jī)煙絲極限裝存量以及在一定條件下提前結(jié)束喂料機(jī)預(yù)填充狀態(tài)等方法，提出了自動(dòng)控制的解決方案。該控制系統(tǒng)通過SIMULINK模擬仿真獲得較佳控制參數(shù)。進(jìn)而在PLC中編制了自動(dòng)控制程序并在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明烘絲段和摻配加香段的生產(chǎn)變得更加順暢和緊湊，提高了生產(chǎn)效率和減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

煙絲秤；喂料機(jī)；自動(dòng)控制；仿真

在煙草制絲生產(chǎn)線上，流量控制一般采用控制型電子皮帶秤加喂料機(jī)、計(jì)量管的恒流量供料控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料流量的有效控制[1]。由于烘絲機(jī)在生產(chǎn)過程中停機(jī)會(huì)對(duì)煙絲水分造成較大影響，而加香機(jī)的入口煙絲流量波動(dòng)直接影響煙絲加香均勻性，所以烘絲機(jī)和加香機(jī)入口的恒流量供料控制系統(tǒng)的流量穩(wěn)定顯得尤為重要。在制絲生產(chǎn)線上，烘后煙絲摻配后就直接進(jìn)入加香機(jī)加香。烘后煙絲流量和加香前煙絲流量匹配是制絲生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)問題。一些企業(yè)先后對(duì)該系統(tǒng)的喂料倉、計(jì)量管、皮帶秤等部件或控制參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，主要是提高皮帶秤傳感裝置靈敏度和喂料倉的供料能力，以解決皮帶秤計(jì)量準(zhǔn)確性低和供料不足引起的斷料等問題[2]。林天勤[3]在加香前的喂料機(jī)上增加布料小車，對(duì)喂料機(jī)料斗進(jìn)行改造并對(duì)皮帶秤流量設(shè)定值采用程序自動(dòng)調(diào)節(jié)逼近烘后流量的控制方式。閆文選[4]針對(duì)煙絲直接送至無布料小車的加香前喂料機(jī)提升帶與底帶的結(jié)合處的設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)加香前喂料機(jī)進(jìn)出料延時(shí)時(shí)間、底帶反轉(zhuǎn)步進(jìn)時(shí)間和光電控制程序進(jìn)行了改進(jìn)，解決了生產(chǎn)過程中喂料機(jī)內(nèi)暫存物料量不穩(wěn)定的情況，保證了提升物料的均勻性，同時(shí)也解決了生產(chǎn)過程中由于喂料機(jī)內(nèi)進(jìn)料量和出料量不一致而造成的堵料或物料跟不上的問題，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。本研究在現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備工藝基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，通過估算喂料機(jī)內(nèi)的實(shí)際煙絲存量，以配方參數(shù)確定控制值，增大喂料機(jī)煙絲極限裝存量等方法，提出了自動(dòng)控制的解決方案，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率和減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

1 制絲的生產(chǎn)工藝

現(xiàn)有制絲生產(chǎn)線烘絲至摻配加香段工藝流程如圖1所示(忽略皮帶輸送機(jī)、振槽等輸送設(shè)備)。整個(gè)工藝流程由為烘絲段，摻配加香段和緩沖區(qū)域3個(gè)部分組成，主機(jī)是由HAUNI公司的KLD-2烘絲機(jī)和BWE型電子皮帶秤、昆船公司的SJ238B型加香機(jī)等設(shè)備組成，電控系統(tǒng)采用西門子S7 300/400 PLC進(jìn)行控制。

圖1 制絲車間烘絲-摻配加香段的工藝流程Fig.1 General view from drying segment toblending and flavoring segment

在煙草制絲中，喂料機(jī)在工序間主要起到暫存、緩沖和穩(wěn)定物料流量的作用[5]。喂料機(jī)、計(jì)量管、葉絲皮帶秤組成一個(gè)制絲線上常見的恒流量控制系統(tǒng)(圖2)，喂料機(jī)由喂料倉和提升帶組成，工作時(shí)，喂料倉底帶把物料向提升帶輸送，提升帶將物料提升到一定高度后送出至計(jì)量管[6]，皮帶秤控制煙絲流量，計(jì)量管上的光電開關(guān)檢測(cè)物料高度以控制提升帶啟停，保證供料穩(wěn)定。

1.喂料倉；2.提升帶；3.計(jì)量管；4.電子皮帶秤；5.料位檢測(cè)光電開關(guān)；6.底帶控制光電開關(guān)；7.底帶。1.Feeder box；2.Steep angle belt；3.Metering tube；4.Metering weighbelt；5.Photoelectric sensors for metering tube；6.Photoelectric sensors for bottom belt；7.Bottom belt.

當(dāng)喂料機(jī)內(nèi)當(dāng)前批次的煙絲清空時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出允許烘絲段開始下一批次生產(chǎn)的信號(hào)，烘前皮帶秤開始投料：煙絲進(jìn)入烘絲機(jī)烘干，HDT皮帶秤根據(jù)烘后皮帶秤的瞬時(shí)流量按配方比例進(jìn)行摻配，摻配后的混合煙絲經(jīng)風(fēng)選機(jī)充分混合后輸入到喂料機(jī)中進(jìn)行預(yù)填充。當(dāng)喂料機(jī)預(yù)填充完畢且摻配加香段發(fā)出允許生產(chǎn)的信號(hào)后，喂料機(jī)開始出煙。該喂料機(jī)在2個(gè)工藝段中起緩沖作用。在摻配加香段，梗絲、膨絲根據(jù)葉絲秤的瞬時(shí)流量按配方比例進(jìn)行摻配，加香機(jī)根據(jù)加香前皮帶秤的流量按配方比例添加香精，加香后的煙絲進(jìn)入貯柜存放。

在烘絲、摻配加香工藝段中，烘后皮帶秤和加香前皮帶秤是計(jì)量型電子皮帶秤，其它都是恒流型皮帶秤，其中烘前皮帶秤、葉絲皮帶秤的設(shè)定流量是人工設(shè)定的，其它恒流型皮帶秤的設(shè)定流量由PLC根據(jù)配方參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于烘后煙絲流量呈現(xiàn)無規(guī)律的波動(dòng)[7]，一般在5 000～8 000 kg·h-1之間，葉絲秤的設(shè)定流量需要估算烘絲段的煙絲流量(根據(jù)烘前皮帶秤設(shè)定流量、烘絲前后水分、HDT摻配比例、風(fēng)選機(jī)損耗等因素進(jìn)行預(yù)判)及目測(cè)喂料機(jī)內(nèi)的煙絲量憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果設(shè)定固定流量，雖有喂料機(jī)作緩沖，但要么設(shè)定流量值比實(shí)際流量小，導(dǎo)致堵料停機(jī)，要么設(shè)定值比實(shí)際流量大，煙絲不夠[3]。由于喂料機(jī)上游工序?yàn)楹娼z段，堵料會(huì)造成烘絲機(jī)在生產(chǎn)中停機(jī)，影響產(chǎn)品質(zhì)量；下游工序是加香機(jī)，影響其加香均勻性的首要因素就是物料流量的均勻性。所以保持喂料機(jī)不堵料、不缺料是保證生產(chǎn)連續(xù)性、流量穩(wěn)定性的關(guān)鍵[4]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，首先人工將葉絲秤流量設(shè)為大于烘絲段煙絲平均流量約500～1 000 kg·h-1的較高值，目的是使喂料機(jī)內(nèi)的煙絲量快速減少又不至于令下游設(shè)備塞煙，避免喂料機(jī)內(nèi)的煙絲量過多而導(dǎo)致烘絲段設(shè)備防堵料停機(jī)；生產(chǎn)一段時(shí)間后，目測(cè)喂料機(jī)內(nèi)的煙絲量減少到一定程度時(shí)，再將葉絲秤流量調(diào)整為較接近烘絲段煙絲的平均流量。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)需要多次調(diào)節(jié)以減少出現(xiàn)堵料停機(jī)或缺料的情況，但由于人的主觀性、操作的滯后性等原因，這些問題時(shí)有發(fā)生，直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 改進(jìn)方案及模擬仿真

2.1制定自動(dòng)控制策略

為避免人工調(diào)節(jié)煙絲流量時(shí)的隨意性造成了不良后果，本研究主要對(duì)煙絲流量采用自動(dòng)控制方法并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。首要任務(wù)就是要掌握上下游設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)，進(jìn)而采取有效的控制手段。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，對(duì)整個(gè)控制程序的設(shè)計(jì)包括了如下4個(gè)方面：

(1)獲取喂料機(jī)內(nèi)的實(shí)時(shí)煙絲存量T喂料機(jī)。利用烘后皮帶秤的累積量T烘后、HDT摻配比例PHDT、

煙絲從烘后皮帶秤輸送到喂料機(jī)入口所需要的時(shí)間t和葉絲皮帶秤的累積量T葉絲，可用程序計(jì)算出：

(1)

(2)確定葉絲秤流量設(shè)定值及控制策略。根據(jù)烘前煙絲流量T烘前、烘絲前煙絲水分M烘前、烘絲后煙絲水分M烘后、HDT摻配比例PHDT、風(fēng)選機(jī)損耗系數(shù)K(多個(gè)批次的平均值)可估算出烘絲段輸出的煙絲流量平均值：

(2)

為避免摻配后的煙絲流量過大導(dǎo)致下游設(shè)備塞煙，需要根據(jù)香前秤的最大生產(chǎn)能力F加香料前秤max、梗絲摻配比例P梗絲、膨絲摻配比例P膨絲對(duì)葉絲秤流量上限F葉絲max進(jìn)行限制：

(3)

圖3 葉絲秤流量自動(dòng)控制方案示意圖Fig.3 General view of the automatic control for the mass flow of cut tobacco

(3)通過調(diào)節(jié)喂料機(jī)的入口滿料電眼位置并根據(jù)HDT的摻配比例在程序上設(shè)置不同的喂料機(jī)滿料電眼遮擋到底帶前進(jìn)的延時(shí)時(shí)間[4]，增大喂料機(jī)的各牌號(hào)煙絲極限裝存量至650 kg左右，延長緩沖時(shí)間(至少需要6 min)，才能滿足轉(zhuǎn)換牌號(hào)時(shí)的要求。

(4)當(dāng)摻配加香段已發(fā)出允許生產(chǎn)的信號(hào)、喂料機(jī)內(nèi)已有一定量的煙絲但尚未預(yù)填充完畢時(shí)，強(qiáng)制將喂料機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)為預(yù)填充完畢，立即出煙到摻配加香段開始下一批次的生產(chǎn)，可有效控制喂料機(jī)內(nèi)的煙絲量。

葉絲秤流量自動(dòng)控制程序流程圖如圖4所示。

圖4 葉絲秤流量自動(dòng)控制程序框圖Fig.4 Block diagram of mass flow automatic control ofcut tobacco metering weighbelt

2.2自動(dòng)控制方案的模擬仿真及實(shí)際應(yīng)用效果

從圖5中可看出，采用自動(dòng)控制技術(shù)后呈現(xiàn)下列3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)自動(dòng)控制的葉絲秤流量峰值比人工設(shè)定峰值低約500 kg·h-1，減少了下游工序塞煙的可能性；(2)當(dāng)生產(chǎn)HDT比例為11.11%的牌號(hào)時(shí)，改進(jìn)前喂料機(jī)的存量上限約500 kg，改進(jìn)后增加約150 kg，改進(jìn)前的緩沖時(shí)間約330 s，改進(jìn)后增加約75 s，可大幅減少因喂料機(jī)滿載而導(dǎo)致烘絲段防堵料停機(jī)的幾率；(3)喂料機(jī)內(nèi)的煙絲存量得到有效控制，不會(huì)出現(xiàn)存料量過少而導(dǎo)致的流量波動(dòng)情況。在生產(chǎn)的尾段，喂料機(jī)內(nèi)的煙絲量控制在200 kg左右，比改進(jìn)前少約150 kg，可提前64 s結(jié)束該批次的生產(chǎn)。

圖5 人工控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真對(duì)比Fig.5 Manual control and automatic control system simulation comparison chart

2.3自動(dòng)控制方案的擴(kuò)展

(4)

隨機(jī)抽取某牌號(hào)1個(gè)月內(nèi)10個(gè)批次的電子秤有煙時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記錄其烘前、烘后電子秤有煙的開始、結(jié)束時(shí)間，計(jì)算皮帶秤有煙時(shí)間并求平均值。

表1 烘絲前、烘絲后電子秤有煙開始、結(jié)束、持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

圖6 估算烘后煙絲累積量與實(shí)際烘后煙絲累積量對(duì)比Fig.6 Estimated dried tobacco and actual dried tobaccocumulative weight comparison chart

由圖6可見，估算值與實(shí)際值在162 s處偏差達(dá)到最大約70.58 kg并逐漸降低，在295 s時(shí)偏差比例降至15.46%，此時(shí)實(shí)際烘后煙絲累積量為401.97 kg，折算累積量為464.10 kg，所以估算值能替代實(shí)際值進(jìn)行葉絲秤的流量自動(dòng)控制。將估算的烘后煙絲累積量在SIMULINK中進(jìn)行模擬仿真，得到了與采用烘后電子秤數(shù)據(jù)幾乎一致的控制效果。

3 結(jié)語

在卷煙生產(chǎn)制絲工藝中，物料的連續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要前提，因此對(duì)物料的流量進(jìn)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)上下游設(shè)備流量匹配，防止物料堵塞或供應(yīng)不足，對(duì)高生產(chǎn)效能有重要的作用。針對(duì)制絲切烘段至摻配加香段物料流量自動(dòng)匹配控制進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析，直接采用“皮帶秤-喂料機(jī)-皮帶秤”工藝設(shè)備中皮帶秤的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出喂料機(jī)內(nèi)的物料量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下游皮帶秤的流量自動(dòng)匹配控制；針對(duì)“皮帶秤-主機(jī)-喂料機(jī)-

皮帶秤”這樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)，根據(jù)物料水分的增減、物料的攤薄、物料的損耗等因素對(duì)進(jìn)入喂料機(jī)的物料量進(jìn)行折算并模擬仿真，取得了較好的控制效果，總結(jié)制定出一套較為通用的控制技術(shù)方案。這一流量自動(dòng)控制方案可顯著降低制絲生產(chǎn)線的堵料、缺料幾率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

Researchontheautomaticcontrolsystemofcuttobaccometeringweighbelt

HONG Kaiqiang1, WANG Miaosen2,CHEN Rongfeng1,HOU Mingtao2, ZHANG Hongmei2

(1.Guangzhou Cigarette Factory, China Tobacco Guangdong Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510385，China； 2.Mechanical and Electrical Engineering College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 45002，China)

The mass flow set point of cut tobacco metering weighbelt in blending and flavoring segment of tobacco primary processing line is manual controlled, anti-block shutdown in drying segment and discontinuous of mass flow in blending and flavoring segment comes up frequently due to the mismatch between set point and actual flow of upstream tobacco mass flow. According to the characteristics of current equipment, four aspects of modification are applied as follows:calculating the actual weight of tobacco in feeder,developing mass flow control plan of cut tobacco metering weighbelt, determining the control parameter according to the recipe, increasing the feeder limited stock,terminating the pre-filling state of feeder when certain conditions are met. The plan is simulated in SIMULINK to get preferred control parameters. Besides, we write control program in the PLC and put it into use, which not only made the producing process become smooth and compact, but also improved the production efficiency and reduced labor intensity.

metering weighbelt of cut tobacco；feeding machine；automatic control；simulation

2016-01-12

河南省煙草公司科技項(xiàng)目( 330754)

洪凱強(qiáng)(1984-)，男，廣東梅縣人，工程師，碩士，主要從事煙草加工機(jī)械方面研究。

張紅梅(1973-)，女，河南駐馬店人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

1000-2340(2016)03-0494-06

TS45

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