打葉復(fù)烤流量控制穩(wěn)定性研究

王天旺，陸俊平，袁玉通，劉 文

（紅塔集團(tuán)玉溪卷煙廠復(fù)烤二車間，云南玉溪 652600）

0 引言

在打葉復(fù)烤生產(chǎn)工藝控制過程中，流量、水分、溫度是3個(gè)基本的物理控制量。尤其是流量控制的穩(wěn)定性，決定著煙葉復(fù)烤成品質(zhì)量合格率，是保證煙葉水分、溫度控制穩(wěn)定的基本前提，也是提高打葉風(fēng)分出片率減少梗含葉、提高設(shè)備有效作業(yè)率的重要控制參數(shù)。如果煙葉流量的波動(dòng)大，極易造成打葉復(fù)烤過程煙葉水分、溫度的難以控制穩(wěn)定，使設(shè)備易阻料停機(jī)、造碎率增加，降低煙葉使用價(jià)值。因此，對(duì)流量控制穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 流量控制的3種形式

流量控制的任務(wù)，就是按照工藝要求將煙葉流量連續(xù)均勻、穩(wěn)定地輸送到下一個(gè)工藝環(huán)節(jié)。為確保煙葉流量的均勻穩(wěn)定，應(yīng)有一個(gè)暫存煙葉的設(shè)備（如倉(cāng)式喂料機(jī)、流量柜等），它可以起到工序間緩沖調(diào)節(jié)的作用。控制煙葉流量的方法有3種。

1.1 體積流量控制

這是根據(jù)煙葉的含水率相同時(shí)體積基本一致的特性，利用定量喂料機(jī)和計(jì)量管來控制物料的一種方式。它主要由定量喂料機(jī)、計(jì)量管輸送帶構(gòu)成，計(jì)量管下方有調(diào)節(jié)板，上下移動(dòng)調(diào)節(jié)板可以控制輸出煙葉的厚度。輸出物料與計(jì)量管內(nèi)的物料堆積有關(guān)，利用計(jì)量管上設(shè)置的光電開關(guān)，使計(jì)量管內(nèi)的物料高度保持在一定范圍，即物料高度超過高料位光電開關(guān)時(shí)停止喂料機(jī)喂料，當(dāng)物料高度低于低料位光電開關(guān)時(shí)喂料機(jī)開始喂料。計(jì)量管內(nèi)物料量的穩(wěn)定與喂料機(jī)的供料穩(wěn)定有關(guān)，而喂料機(jī)內(nèi)的物料由喂料機(jī)上設(shè)置的光電開關(guān)來控制，從而控制煙葉流量。由于其控制精度一般在5%～15%，目前已很少被使用。

1.2 質(zhì)量流量控制

它是利用電子皮帶秤對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)稱重并根據(jù)稱重結(jié)果隨時(shí)調(diào)節(jié)皮帶秤輸出速度，達(dá)到穩(wěn)定物料流量的目的。它主要由定量喂料機(jī)和電子皮帶秤構(gòu)成，當(dāng)物料由喂料機(jī)輸送到電子皮帶秤上時(shí)，通個(gè)秤架上的壓力傳感器將重量信號(hào)放大處理后，就能得到瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。如果瞬時(shí)流量與設(shè)定流量有偏差，則根據(jù)該偏差來調(diào)節(jié)稱重皮帶的速度，使瞬時(shí)流量與設(shè)定流量接近。此時(shí)瞬時(shí)流量一般是在設(shè)定流量上下波動(dòng)的，從而達(dá)到穩(wěn)定流量的作用?？刂凭纫话阍?%～10%，對(duì)疏松的片煙來說其控制精度可達(dá)0.2～0.6%。因其控制設(shè)備簡(jiǎn)單、控制方便，使用較廣。

1.3 綜合流量控制

體積流量與質(zhì)量流量控制相結(jié)合的控制方式，綜合了上述2種流量控制的優(yōu)點(diǎn)，是一種用途廣泛、控制精度高流量控制方式。

倉(cāng)內(nèi)光電開關(guān)控制喂料機(jī)內(nèi)物料的儲(chǔ)量，計(jì)量管側(cè)光電開關(guān)控制計(jì)量管內(nèi)的物料高度和供給量，控制器采集物料重量跟設(shè)定值對(duì)比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)稱重皮帶輸出速度，保證單位時(shí)間內(nèi)輸出的煙葉物料質(zhì)量穩(wěn)定均衡。在此過程中，喂料機(jī)與計(jì)量管的光電開關(guān)控制系統(tǒng)起到初定量的作用，再由電子秤對(duì)流量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

圖1是2009年車間改造后葉烤機(jī)入口電子稱綜合流量控制典型側(cè)視圖。以其為例，光電開關(guān)元件的作用如下：PE-1光電管，檢測(cè)煙葉判斷儲(chǔ)倉(cāng)料滿；PE-2光電管，檢測(cè)煙葉允許倉(cāng)式喂料底帶啟動(dòng)；PE-3光電管，檢測(cè)煙葉控制提升帶啟動(dòng)；PE-4光電管，檢測(cè)煙葉高于它時(shí)倉(cāng)式喂料底帶停止；PE-5光電管，檢測(cè)到煙葉后提升電機(jī)停止工作；PE-6電管，檢測(cè)煙葉高于它時(shí)喂料機(jī)提升電機(jī)由快速轉(zhuǎn)慢速；PE-7光電管，檢測(cè)煙葉高于它時(shí)方可啟動(dòng)電子皮帶稱。

圖1 葉烤機(jī)入口電子秤綜合流量控制

2 變頻調(diào)速、電子秤設(shè)備在流量穩(wěn)定控制中的應(yīng)用

2.1 變頻調(diào)速的原理

交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速的原理，可從異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程得出。異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速見式（1），異步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸速度見式（2）。

式中f——電機(jī)定子繞組的供電頻率，Hz

p——為電機(jī)極對(duì)數(shù)

n0——電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min

n——電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min

s——轉(zhuǎn)差率，即電機(jī)轉(zhuǎn)子總是跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度運(yùn)轉(zhuǎn)但不能達(dá)到

可見，電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于輸入電壓頻率，當(dāng)異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)一定后，改變異步電機(jī)的供電頻率f，就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。在實(shí)際運(yùn)行中，考慮到磁通量和轉(zhuǎn)矩的變化，確定在U/f是一個(gè)常數(shù)（即變頻器的輸出電壓和輸出頻率同步，成比例地變化）的情況下來滿足調(diào)速負(fù)載的需要。

2.2 變頻器的優(yōu)點(diǎn)

變頻器在控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，是由其優(yōu)點(diǎn)所決定的。其優(yōu)點(diǎn)主要有：①可以根據(jù)不同的負(fù)荷類型設(shè)定轉(zhuǎn)矩特；②具備多種控制方式；③軟啟動(dòng)特性；④具有過壓、過流、過載、欠壓、缺相、對(duì)地等保護(hù)功能保護(hù)功能；⑤可以輸出頻率和電流等模擬信號(hào)控制其他對(duì)應(yīng)信號(hào)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.3 變頻調(diào)速在打葉復(fù)烤流量穩(wěn)定控制中的應(yīng)用

穩(wěn)定流量控制是先進(jìn)打葉生產(chǎn)線和控制工藝不可缺少的組成部分，各企業(yè)一直努力探索改進(jìn)如何穩(wěn)定控制流量環(huán)節(jié)。改進(jìn)、穩(wěn)定流量控制是實(shí)現(xiàn)和提高打葉線煙葉出片率、實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)控制參數(shù)。煙葉流量穩(wěn)定控制可以有效地保證煙葉水分、溫度控制穩(wěn)定，有利于潤(rùn)葉、打葉、風(fēng)分各工藝參數(shù)控制調(diào)節(jié)。復(fù)烤后煙葉出口成品水分、溫度的穩(wěn)定均衡控制，是減少打包造碎、保障煙葉發(fā)酵醇化提質(zhì)保香實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化生產(chǎn)重要手段，關(guān)系到卷煙消費(fèi)者抽吸體驗(yàn)。

2.3.1 工作原理

煙葉經(jīng)輸送機(jī)向儲(chǔ)料倉(cāng)供料，其高度達(dá)到進(jìn)料低料限位（PE-2）時(shí)，底帶向前運(yùn)行，當(dāng)煙葉按進(jìn)料低料限位高度到達(dá)出料低料限位（PE-3）時(shí)啟動(dòng)提升喂料機(jī)。此過程保證了儲(chǔ)料倉(cāng)儲(chǔ)存一定量煙葉以供提升喂料機(jī)按不同速度向計(jì)量管供料，當(dāng)煙葉高度到達(dá)低料位（PE-7）時(shí)啟動(dòng)電子皮帶秤。電子皮帶秤根據(jù)荷重傳感器檢測(cè)瞬時(shí)重量信號(hào)與上位設(shè)定流量對(duì)比，經(jīng)PLC CPU程序運(yùn)算處理后，自動(dòng)調(diào)節(jié)電子秤皮帶速度控制達(dá)到相應(yīng)設(shè)定流量運(yùn)行。當(dāng)煙葉高度低于低料限位光電管（PE-7）時(shí)提升喂料帶控制加速，增加喂料量，煙葉厚度達(dá)到中料限位光電管（PE-6）后就保持提升喂料帶的速度，穩(wěn)定喂料量；若喂料過量，即煙葉厚度超過高料限位光電管（PE-5）時(shí)控制提升喂料帶減速，減少喂料量。如果繼續(xù)異常，經(jīng)控制程序延時(shí)后，提升喂料帶停機(jī)喂料停止，避免在此造成阻料。通過調(diào)節(jié)出料厚度調(diào)節(jié)板確保煙葉在電子秤上高度，調(diào)節(jié)計(jì)量管煙葉高度在PE-7與PE-5之間是最佳流量控制狀態(tài)，煙葉恒定體積從電子秤皮帶上輸出不會(huì)造成計(jì)量管堵料。電子皮帶秤通過傳感器荷重信號(hào)經(jīng)PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）處理反饋控制電子皮帶秤的皮帶速度，達(dá)到恒定質(zhì)量流量控制目的。

2.3.2 控制原理

（1）儲(chǔ)存控制。倉(cāng)式喂料機(jī)在計(jì)量管的3對(duì)光電管（PE-5，PE-6和PE-7）對(duì)煙葉高度進(jìn)行感測(cè)，把開關(guān)信號(hào)送入GE PLC邏輯運(yùn)算處理后，模塊輸出（4～20）mA模擬信號(hào)控制變頻器頻率變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制倉(cāng)式喂料機(jī)提升帶速度快慢，盡量保證煙葉在PE-7與PE-5之間，使煙葉均勻地進(jìn)入電子皮帶秤后出料。在儲(chǔ)料倉(cāng)里，當(dāng)煙葉高于出料高限位光電管（PE-4）時(shí)，控制底帶停止，不使煙葉在提升喂料帶處堆積，造成提升喂料帶負(fù)荷加重，使煙葉在提升帶與底帶之間來回翻滾擠壓形成造碎。當(dāng)煙葉高于進(jìn)料高限位光電管（PE-1）時(shí)，控制進(jìn)料設(shè)備停止供料，防止物料過度堆積阻料（圖2）。

圖2 儲(chǔ)存控制原理

（2）流量恒定原理。PLC根據(jù)觸摸屏或上位機(jī)上設(shè)定恒定流量值，與荷重傳感器檢測(cè)出信號(hào)輸入模數(shù)通道經(jīng)GE PLC邏輯、運(yùn)算處理成煙葉瞬時(shí)流量值。設(shè)定恒定流量值與瞬時(shí)流量值進(jìn)行運(yùn)算、比較、處理，然后GE PLC輸出（4～20）mA電流模擬信號(hào)控制電子稱變頻器頻率。實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)電子稱電機(jī)速度，使通過電子皮帶秤的煙葉流量達(dá)到設(shè)定恒定流量值，實(shí)現(xiàn)控制煙葉流量恒定（圖3）。

圖3 流量恒定控制原理

3 車間電子稱流量控制的情況

3.1 車間動(dòng)態(tài)電子稱

車間2條線現(xiàn)有動(dòng)態(tài)電子稱9臺(tái)。二線二潤(rùn)電子稱是昆船稱，原理結(jié)構(gòu)與其他8臺(tái)北京長(zhǎng)高稱基本相類似，都采用了GE PC3i的PLC控制。其中，打包平臺(tái)3臺(tái)動(dòng)態(tài)電子稱只對(duì)煙葉流量計(jì)量，實(shí)現(xiàn)控制改變供料帶向1#和2#打包料箱供料，不調(diào)節(jié)電子稱皮帶速度；其余6臺(tái)即一、二線的一、二潤(rùn)稱、烤機(jī)入口稱，既要計(jì)量又要參與流量控制調(diào)節(jié)。

3.2 一潤(rùn)電子稱流量控制作用

在2005年以前，一、二線翻箱喂料提升帶的落料口采用體積流量控制，用二潤(rùn)流量反饋控制翻箱喂料提升帶速度達(dá)到穩(wěn)恒流量。物料從喂料開始流經(jīng)一次潤(rùn)葉、篩沙機(jī)、輸送機(jī)等設(shè)備到達(dá)二潤(rùn)電子皮帶秤需要近15 min，其流量反饋嚴(yán)重滯后，流量控制波動(dòng)大（12 000±3 500）kg/h，特別是安裝了精選臺(tái)后滯后時(shí)間更長(zhǎng)。由于流量波動(dòng)大，導(dǎo)致一潤(rùn)煙葉水分、溫度難以控制穩(wěn)定。在2005年的設(shè)備改造中，取消體積流量控制，在翻箱喂料機(jī)和一次潤(rùn)葉之間增設(shè)1套電子稱流量控制設(shè)備，由倉(cāng)式喂料機(jī)、計(jì)量管、電子皮帶秤組成。2009年，又在一潤(rùn)倉(cāng)各增加了1臺(tái)直跑車，使煙葉在倉(cāng)內(nèi)平面布料更加均勻平穩(wěn)，提升帶出料、電子稱流量控制更平滑。

3.3 二潤(rùn)電子稱流量控制作用

二次潤(rùn)葉前電子稱流量控制是對(duì)進(jìn)入打葉前流量進(jìn)行二次調(diào)控，以消除一次潤(rùn)葉、篩沙、精選臺(tái)、風(fēng)分除雜等設(shè)備后造成的不穩(wěn)定。通過二次流量調(diào)控使煙葉流量更加均衡進(jìn)入二次潤(rùn)葉機(jī)，在二次潤(rùn)葉機(jī)中各溫度、水分、濕度參數(shù)更容易調(diào)控穩(wěn)定。進(jìn)而保證了打葉、風(fēng)分參數(shù)更易調(diào)控穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化打葉風(fēng)分。同樣，在2009年的設(shè)備改造中，也在一、二線二潤(rùn)倉(cāng)各增加了1臺(tái)直跑車，使倉(cāng)內(nèi)煙葉平面厚度更加平滑倉(cāng)內(nèi)出料穩(wěn)定。

3.4 烤機(jī)入口稱流量控制作用

復(fù)烤成品煙葉水分、溫度控制穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)煙葉儲(chǔ)存發(fā)酵保障煙葉本質(zhì)醇香關(guān)鍵工序。如果烤機(jī)煙葉流量的不穩(wěn)定，勢(shì)必造成復(fù)烤煙葉水分、溫度的控制波動(dòng)影響成品質(zhì)量。水分過低，在打包復(fù)壓工序煙葉容易造碎。水分過高，煙葉形成板結(jié)和儲(chǔ)存發(fā)霉。因此，對(duì)烤機(jī)入口流量進(jìn)行穩(wěn)恒控制使之在最小范圍波動(dòng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)烤成品煙葉溫度、水分均質(zhì)化生產(chǎn)。在2009年技術(shù)改造項(xiàng)目中，在葉烤機(jī)2條線電子秤后各增加儲(chǔ)存喂料倉(cāng)，確保了進(jìn)入烤機(jī)物料的穩(wěn)定性。

3.5 皮帶秤工作原理

在線電子秤采用北京長(zhǎng)征高科技公司技術(shù)的雙橋式懸浮電子皮帶秤（圖4）。

圖4 CK19電子皮帶秤結(jié)構(gòu)示意

圖5 2008年一線二潤(rùn)流量、水分、出口溫度歷史趨勢(shì)圖

煙葉物料通過計(jì)量管（或直接下落）到電子皮帶秤的皮帶上，隨皮帶向前運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)其通過電子皮帶秤有效稱量段時(shí)，其重量通過輸送皮帶和計(jì)量托輥施加到荷重傳感器上，傳感器感受負(fù)荷產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)放大器放大送入PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢測(cè)稱量段上的單位長(zhǎng)度重量 q（kg/m），同時(shí)測(cè)速裝置檢測(cè)出皮帶運(yùn)行速度v（m/s），經(jīng)過PLC運(yùn)算得出瞬時(shí)流量和累積量并進(jìn)行顯示。其中，瞬時(shí)流量Q＝3600×q×v（kg/h），累積量為G=∫qvdt（kg）。

瞬時(shí)流量信號(hào)和設(shè)定的流量信號(hào)比較，利用PLC進(jìn)行 PID（Proportion Integration Differentiation，比例，積分，微分）控制運(yùn)算，輸出（4～20）mA直流信號(hào)給控制皮帶的變頻器，從而變頻器的頻率正比例的改變，即調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變皮帶速度，從而達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)定流量的目的。

4 控制效果

4.1 一潤(rùn)、二潤(rùn)增加直跑車前后控制效果對(duì)比

（1）2008年同一時(shí)間段一線二潤(rùn)流量、水分、溫度歷史趨勢(shì)

圖5是2008年12月1日18：30～22：30（共4h）一線二潤(rùn)流量、水分、出口溫度趨勢(shì)圖。此圖中流量、水分、出口溫度的控制可以說是很穩(wěn)了。

圖6與圖5趨勢(shì)是一模一樣的。統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差（流量為71.67 kg/h，水分0.19%，溫度0.63℃）可以看出，其控制的穩(wěn)定性很高。

（2）2015年同時(shí)刻一線流量、水分、溫度歷史趨勢(shì)

圖7是2015年12月1日18：30～22：30（共4h）一線二潤(rùn)流量、水分、出口溫度趨勢(shì)圖（選擇不同年同一時(shí)間段是為了與圖5具有可比性）。此時(shí)在二潤(rùn)倉(cāng)加了直跑車設(shè)備。圖8與圖7趨勢(shì)一致，其縱軸是溫度的尺度，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為（流量為37.00 kg/h，水分0.14%，溫度0.79℃）。其統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與圖6是2008年標(biāo)準(zhǔn)偏差（流量為71.67 kg/h，水分0.19%，溫度0.63）沒有直跑車時(shí)更加穩(wěn)定。說明增加直跑車對(duì)料倉(cāng)的布料更平穩(wěn)，水分、溫度控制穩(wěn)定。

4.2 烤機(jī)入口增加喂料倉(cāng)前后流量控制對(duì)比

圖7 2015年一線二潤(rùn)流量、水分、出口溫度歷史趨勢(shì)

圖9是2003年一線烤機(jī)入口沒有倉(cāng)式喂料流量控制的趨勢(shì)圖。當(dāng)時(shí)的烘烤，是煙葉來多少物料就進(jìn)入多少烘烤。圖中曲線煙葉有近3000 kg的波動(dòng)。圖10是2009年在葉烤機(jī)2條線電子秤后各增加儲(chǔ)存喂料倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)了綜合流量控制，是2015年12 月 1 日 18：30～22：30（共 4 h）一線烤機(jī)入口的流量、烤機(jī)冷房溫度以及出口水分趨勢(shì)。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為（流量為80.61 kg/h，水分0.89%，溫度0.12℃）。說明其控制流量、水分、溫度穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)烤機(jī)復(fù)烤的均質(zhì)化生產(chǎn)。

圖8 2015年一線二潤(rùn)流量、水分、出口溫度統(tǒng)計(jì)信息

圖9 2003年一號(hào)線烤片機(jī)入口瞬時(shí)流量曲線

圖10 2015年一號(hào)線烤片機(jī)入口瞬時(shí)流量曲線

5 結(jié)束語

通過以上對(duì)流量、水分、溫度歷史趨勢(shì)的綜合分析說明，打葉復(fù)烤生產(chǎn)線流量控制穩(wěn)定是基礎(chǔ)，水分、溫度控制穩(wěn)定的前提關(guān)鍵是要有穩(wěn)定的流量基準(zhǔn)。流量控制穩(wěn)衡是打葉復(fù)烤生產(chǎn)線至關(guān)重要控制指標(biāo)，變頻器、電子稱、喂料倉(cāng)在控制中起到關(guān)鍵作用。