升華前干冰煙絲流量控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

洪凱強，陳榮峰，楊志力，劉灼成，陳振業(yè)，伍穎翔，林利明

廣東中煙工業(yè)有限責任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88 號 510385

二氧化碳煙絲膨脹技術(shù)（Dry Ice Expanded Tobacco，簡稱DIET）采用液態(tài)二氧化碳對煙絲進行浸泡，在煙絲的內(nèi)部及表面形成干冰，之后通過文丘里管將干冰煙絲迅速吸入升華管，在330 ℃左右的熱氣流中干冰迅速升華變?yōu)闅鈶B(tài)二氧化碳，促使煙絲膨脹，膨脹后的煙絲經(jīng)過冷卻、定型、回潮后形成可以直接摻兌的成品煙絲［1-4］。DIET技術(shù)可分為3 類，分別是美國埃爾考工業(yè)氣體公司（AIRCO）的A 式、英國英美煙草公司（BAT）的B式以及秦皇島煙草機械有限責任公司的C 式［5-6］。其中，B 式采用電子皮帶秤輸送干冰煙絲，由于干冰煙絲溫度較低，輸送帶上容易凝結(jié)冷凝水和結(jié)冰，需要用水沖洗［7-9］，無法保證電子皮帶秤的穩(wěn)定運行；A 式和C 式均采用定量帶（帶變頻器的輸送設(shè)備）輸送干冰煙絲，由于定量帶沒有稱重裝置且干冰煙絲的截面積及密度經(jīng)常變化，導致定量帶輸出的干冰煙絲流量不穩(wěn)定，生產(chǎn)中需要人工根據(jù)電子皮帶秤的運行情況對定量帶頻率進行調(diào)節(jié)，存在滯后性和不確定性，造成升華后干冰煙絲流量及含水率波動較大。針對此問題，張振［10］通過正交試驗法優(yōu)化了升華前干冰煙絲的生產(chǎn)參數(shù)，提高了升華后煙絲流量和含水率的穩(wěn)定性；王忠燕等［11］通過調(diào)整升華后煙絲落料口尺寸，減少了堵料頻次，同時改造了冷卻皮帶機使其具備煙絲緩存功能，提高了煙絲流量的穩(wěn)定性；林天勤等［12］根據(jù)振動倉煙絲質(zhì)量變化計算出一定時間內(nèi)干冰煙絲的平均流量，通過調(diào)整MC-45 定量帶運行速度，初步實現(xiàn)了對干冰煙絲流量的控制。但經(jīng)過上述改進后對干冰煙絲流量控制仍有一定滯后性。為此，以廣州卷煙廠C 式干冰煙絲膨脹設(shè)備為對象，基于PLC 技術(shù)對定量帶頻率控制程序進行改進，實現(xiàn)人工調(diào)節(jié)向自動控制轉(zhuǎn)變，以期提高升華后煙絲流量及含水率的穩(wěn)定性。

1 問題分析

1.1 生產(chǎn)流程

如圖1 所示，1 140 kg/h 膨脹煙絲生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程為：含水率在20%～22%之間的定量煙絲通過皮帶機送入浸漬器，在浸漬器中二氧化碳液體對煙絲進行充分浸泡，形成干冰煙絲；干冰煙絲經(jīng)開松器松散后落入AB-44 振動倉中暫存，再經(jīng)由AB-44 振動倉、MC-45 定量帶組成的喂料系統(tǒng)向膨脹系統(tǒng)輸送干冰煙絲，使干冰煙絲由斷續(xù)批次供料變?yōu)檫B續(xù)輸送［5］；干冰煙絲經(jīng)升華、冷卻后進入BC-74 電子皮帶秤，根據(jù)來料質(zhì)量自動調(diào)節(jié)皮帶速度以保證煙絲流量為預設(shè)的額定值［11］，恒流量控制后的煙絲經(jīng)RC-80 加料回潮、風選后進入貯柜。

圖1 膨脹煙絲熱端生產(chǎn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot processing line of dry ice expanded tobacco

1.2 存在問題

由于AB-44 振動倉出料口溫度較低，干冰煙絲容易粘連在出料口內(nèi)壁上，導致MC-45 定量帶上的煙絲質(zhì)量、煙絲流量不穩(wěn)定［12］。若定量帶頻率保持不變，當定量帶上的煙絲質(zhì)量增多時，則定量帶輸出的煙絲流量也增加，導致BC-74 電子皮帶秤上的煙絲高度上升、皮帶速度下降，當皮帶速度低于1.8 m/min 時，電子皮帶秤上的煙絲與其上方安裝的防塵罩、水分儀等接觸，造成計量失準；反之，當定量帶上的煙絲質(zhì)量減少時，則定量帶輸出的煙絲流量也降低，導致BC-74 電子皮帶秤上的煙絲高度下降、皮帶速度上升，當皮帶速度達到上限10.2 m/min 時，電子皮帶秤會失去流量控制功能，輸出的煙絲流量無法達到設(shè)定值，造成煙絲流量波動。因此，生產(chǎn)中需要操作人員時刻關(guān)注電子秤皮帶速度的變化情況，并不斷對MC-45 定量帶頻率進行修正，使BC-74 電子秤的皮帶速度保持在2.5～4 m/min 之間，而干冰煙絲從定量帶出口輸送至電子皮帶秤的時間約為2 min，且出料口處存在煙絲粘連情況，所以依靠人工調(diào)節(jié)定量帶頻率以控制煙絲流量具有滯后性和不確定性。

2 改進方法

2.1 控制周期與變頻器頻率關(guān)系

通過控制定量帶的變頻器頻率MC45_FQ，可在時間MC45_T 內(nèi)將定量帶上質(zhì)量為MC45_W 的干冰煙絲全部輸出。生產(chǎn)中定量帶皮帶的行程=線速度×時間，由于定量帶皮帶的線速度與主動軸的角速度成正比，主動軸的角速度與電機轉(zhuǎn)速成正比，電機轉(zhuǎn)速與變頻器頻率成正比，故定量帶皮帶的線速度與變頻器頻率成正比，進而可得定量帶皮帶的行程與MC45_FQ×MC45_T 成正比。

選取廣州卷煙廠生產(chǎn)的A 牌號卷煙干冰煙絲對SP67 型升華裝置（秦皇島煙草機械有限責任公司）定量帶進行測試。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定定量帶頻率MC45_FQ 分別為34、32、31 Hz，測算干冰煙絲從振動倉出口至定量帶出口（即定量帶入口與出口間距離）所需時間MC45_T，重復2 次，取平均值，再計算定量帶累計運行頻率MC45_FQ_TOTAL=MC45_FQ×MC45_T，結(jié)果見表1?？梢?，當MC45_FQ_TOTAL平均值為3 218.04 Hz（采樣時間為1 s）時，質(zhì)量為MC45_W 的干冰煙絲可全部從振動倉出口輸送至定量帶出口并進入升華裝置。因此，以MC45_FQ_TOTAL達到3 218.04 Hz 作為一個控制周期。

表1 干冰煙絲從振動倉出口至定量帶出口所需時間及定量帶頻率Tab.1 Time needed by dry ice tobacco from vibrator outlet to metering belt outlet and frequency of metering belt

2.2 定量帶上干冰煙絲質(zhì)量計算

在振動倉的支架上方安裝有壓力傳感器，用于檢測倉內(nèi)干冰煙絲質(zhì)量。觀察發(fā)現(xiàn)，振動倉內(nèi)的煙絲在生產(chǎn)過程中會逐漸減少，雖然新輸入的煙絲會使倉內(nèi)煙絲突然增多，但之后又進入逐漸減少狀態(tài)［12］。在煙絲質(zhì)量下降過程中，記錄倉內(nèi)煙絲在每個控制周期開始時質(zhì)量W1、結(jié)束時質(zhì)量W2，則一個控制周期內(nèi)定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W 的計算公式為：

式中：MC45_W 為定量帶上干冰煙絲質(zhì)量，kg；W1為周期開始時振動倉內(nèi)煙絲質(zhì)量，kg；W2為周期結(jié)束時振動倉內(nèi)煙絲質(zhì)量，kg。

生產(chǎn)中當冷端開松器運行、打開浸漬器下蓋門時，干冰煙絲從浸漬器中卸出進入振動倉，振動倉內(nèi)的煙絲突然增多，此時無法計算定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W，系統(tǒng)進入“盲控”狀態(tài)。經(jīng)過程序計算和統(tǒng)計，可得正常生產(chǎn)時一個控制周期內(nèi)定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W 平均值為44.2 kg。為減少升華后煙絲流量波動，當電子秤的皮帶速度BC74_SPD 較高時，需設(shè)定較高的定量帶頻率MC45_FQ。因此，在“盲控”狀態(tài)下干冰煙絲質(zhì)量MC45_W'的計算公式為：

式中：MC45_W'為“盲控”時定量帶上干冰煙絲質(zhì)量，kg；BC74_SPD 為電子秤皮帶速度，m/s；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，kg/（m·s-1），取值0.5。

2.3 定量帶頻率設(shè)定值計算

已知定量帶上干冰煙絲質(zhì)量為MC45_W，若在時間MC45_T（控制周期）內(nèi)將定量帶上干冰煙絲全部輸出，則干冰煙絲平均流量為MC45_F，計算公式為：

根據(jù)定量帶上干冰煙絲流量、煙絲質(zhì)量、控制周期、變頻器頻率間的關(guān)系可計算得到定量帶頻率設(shè)定值MC45_FQ，計算公式為：

式（3）和式（4）中：MC45_F 為定量帶上干冰煙絲流量，kg/h；MC45_W 為定量帶上干冰煙絲質(zhì)量（“盲控”時采用MC45_W'計算），kg；MC45_T 為控制周期，s；MC45_FQ 為定量帶頻率設(shè)定值，Hz；MC45_FQ_TOTAL 為定量帶累計運行頻率，Hz。

2.4 定量帶頻率控制流程設(shè)計

以干冰煙絲從定量帶入口至出口間所需時間作為一個控制周期，利用振動倉內(nèi)煙絲質(zhì)量在控制周期內(nèi)的變化量確定定量帶上煙絲質(zhì)量，通過PLC 對定量帶頻率控制程序進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)干冰煙絲流量的自動調(diào)控，改進后控制流程見圖2。在實際生產(chǎn)中，由于MC45_FQ 的實際值與設(shè)定值不完全同步，實際值需要經(jīng)過斜坡上升或下降時間后才能達到設(shè)定值，因此程序中采用∑MC45_FQ×t 計算定量帶累計運行頻率（t 為程序掃描周期）。

3 應用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：A 牌號卷煙膨脹煙絲（由廣東中煙工業(yè)有限責任公司廣州卷煙廠提供）。

圖2 改進后定量帶頻率控制流程框圖Fig.2 Flow chart of metering belt frequency control after improvement

儀器與設(shè)備：1 140 kg/h 膨脹煙絲生產(chǎn)線（秦皇島煙草機械有限責任公司）；SP67 型升華裝置（秦皇島煙草機械有限責任公司）；ICS-1200-ST 型BC-74 電子皮帶秤（最大流量1 500 kg/h，杭州四五〇九機電設(shè)備有限公司）；TM710e 水分儀（精度≤0.5%，英國NDC Technologies 公司）；Powerflex 70 EC 變頻器（MC-45 定量帶，美國Allen-Bradley 公司）；1756-L63 ControlLogix5563 Controller PLC（美國Allen-Bradley 公司）；System Platform 3.1.2 系統(tǒng)平臺人機界面（美國WonderWare 公司）。

方法：改進前定量帶采用人工調(diào)節(jié)變頻器頻率，改進后定量帶為自動控制變頻器頻率。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定干冰煙絲流量MC45_F 為1 490 kg/h，分別取改進前12 批次、改進后20 批次BC-74 電子皮帶秤煙絲累計值在500～4 000 kg 范圍內(nèi)的升華后煙絲流量數(shù)據(jù)，根據(jù)《廣州卷煙廠膨脹煙絲制造工藝要求》統(tǒng)計煙絲流量超標［（1 100±30）kg/h］批次數(shù)量和持續(xù)時間以及煙絲含水率，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見，升華后干冰煙絲流量超標次數(shù)由改進前1.13 次/h 減少為0.57 次/h，每小時超標時間由218.69 s 減少為43.65 s，提升了煙絲流量的穩(wěn)定性；煙絲含水率極差由改進前的2.52%下降到2.25%，標準差由0.365%下降到0.338%，提高了煙絲含水率的控制精度。在實際生產(chǎn)中偶爾會出現(xiàn)煙絲含水率大幅波動現(xiàn)象，這是由于“盲控”階段干冰煙絲流量無法精確控制所致，可考慮在定量帶上加裝稱重裝置，實時檢測定量帶上干冰煙絲質(zhì)量MC45_W，及時調(diào)整定量帶頻率，實現(xiàn)干冰煙絲流量的全程控制。

表2 改進前后升華后煙絲流量超標次數(shù)及煙絲含水率對比Tab.2 Comparison of tobacco throughput and moisture content data before and after improvement

4 結(jié)論

利用振動倉壓力傳感器、定量帶變頻器的反饋數(shù)據(jù)，對定量帶頻率控制程序進行改進，實現(xiàn)了升華前定量帶上干冰煙絲流量的自動調(diào)控，消除了人工控制的滯后性和不確定性，提高了升華后煙絲流量的穩(wěn)定性。以廣州卷煙廠生產(chǎn)的A 牌號卷煙膨脹煙絲為對象進行測試，結(jié)果表明：改進后升華后煙絲流量超標次數(shù)減少約0.56 批次/h，每小時超標時間減少約175.04 s，煙絲含水率極差下降0.27 百分點，標準差下降0.027 百分點，有效提高了升華后煙絲流量和含水率的穩(wěn)定性。