煙草制絲運輸帶智能防堵料控制系統(tǒng)設計

張藝輝 謝楓燃 施旭東 呂思博

（云南省紅塔集團玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100）

0 引言

生產線上，葉片輸送采用的方式大多為帶式輸送機、振動輸送機、提升機、管道輸送機等。中控室計算機通過控制網絡可分別實現各輸送機的單機和組合控制，進而實現設備的連續(xù)自動化生產[1]。目前制絲生產線普遍采用流水線作業(yè)，因工藝要求和生產流程所制，所采用的運輸帶數量較多且布局緊湊，同時受制于現場環(huán)境，堵料時所用的疏通時間較長，嚴重影響了生產進程。

目前運輸帶多為固定頻率運行，也無堵料監(jiān)測功能。在生產過程中，當外部原因導致運輸帶落料口物料高度較高時，如果生產人員沒有及時發(fā)現，非常容易造成物料堵塞。流量較大的運輸帶一旦發(fā)生堵塞，物料會在短時間內大量堆積，堵塞疏通難度大，疏通時間長。嚴重時運輸帶會被拉斷或者電機堵轉跳閘停機，嚴重影響了生產連續(xù)性、生產效率、工藝質量和設備使用壽命。

針對該類運輸帶進行智能化防堵料控制升級改造顯得尤為重要，該智能控制系統(tǒng)結合變頻器通過PLC 控制使運輸帶具有變頻調速功能，輸送速度可以根據料位高度實時可調，最終實現運輸帶智能識別堵料報警、自動調控速疏通的功能，減少堵料風險，保證生產的連續(xù)性和產品質量。

1 智能防堵料裝置的結構與工作原理

1.1 智能防堵料控制的原理

在落料口處加裝基于超聲波傳感器的料位高度智能控制報警裝置，運輸帶前端設置分料活門和緩沖喂料機。超聲波傳感器根據料位檢測高度自動識別堵料情況，發(fā)生堵料后及時通過聲光報警通知操作人員，同時系統(tǒng)自行將活門切換到喂料機中，將后續(xù)來料暫存入緩沖喂料機中，防止繼續(xù)來料加劇堵塞。根據超聲波傳感器監(jiān)測的料層高度識別出堵料的嚴重程度，并分等級，如輕度、中度、重度。根據不同的堵料程度運輸帶自行調整速度，步進減速。由于前端來料被切斷了，后端的運輸帶速度沒變且速度比控制運輸帶速度大，可以極大地降低堵料風險。必要時也可進行反轉操作。為人員疏通贏得時間，避免出現完全堵死的情況，縮短疏通時間。堵塞疏通后，運輸帶物料高度恢復正常，活門切換到正常進料模式，喂料機自動啟動將緩存物料加入運輸帶。

1.2 智能防堵料裝置的結構

如圖1 所示，智能防堵料裝置由超聲波料位高度監(jiān)測傳感器、PLC 控制器、緩沖喂料機、壓縮空氣電磁閥及轉換活門、變頻調速器及運輸帶電機、聲光報警器構成。

圖1 智能防堵料裝置工作構成示意圖

綜上原理所述，當位于落料口的超聲波料位高度傳感器監(jiān)測到運輸帶上物料高度較高，有發(fā)生堵料風險時，傳感器立即向PLC控制器發(fā)送報警信號。當PLC 控制器持續(xù)收到超聲波傳感器發(fā)送的報警信號并且報警信號的持續(xù)時間≥ 60s時，PLC 控制器立即啟動防堵料控制程序。打開壓縮空氣電磁閥控制活門轉換，將后續(xù)來料暫存入緩沖喂料機中，同時根據堵料情況控制變頻器使運輸帶電機步進降速，減小后續(xù)來料流量，為疏通贏得時間，避免造成堵死，減小疏通難度并且輸出聲光報警，提醒操作工對堵料問題進行排查處理。待堵料故障排除后，緩沖喂料機啟動將物料均勻返加，運輸帶勻速步進恢復至正常流量，從而保證生產的連續(xù)性和產品質量。

2 裝置的安裝

2.1 料位高度監(jiān)測傳感器的選型與安裝

由于制絲車間具有濕度大、灰塵大、溫度高及加工物料牌號多樣化等特點。為了從根本上解決運輸帶堵料報警慢、疏通難等問題，該智能防堵料控制系統(tǒng)研發(fā)需要滿足的條件包括新增器件少、程序算法控制精度高、可以滿足不同牌號物料的流量要求和質量特性等要求。同時，加裝新的控制系統(tǒng)后設備運行效率應得到大幅提高，使用壽命明顯增長并且維護保養(yǎng)工作快速簡單，在日常的使用維護中，減少備件的更換費用，極大地節(jié)約車間的人力物力財力等。

目前市面上的高度監(jiān)測傳感器根據測量原理可分為：紅外線傳感器、超聲波傳感器、光學傳感器等。結合制絲線所處環(huán)境考慮，該裝置最終選用超聲波料位高度監(jiān)測傳感器。超聲波測量是一種典型的非接觸式的測量，使之能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用[2]。相比于其他非接觸式測量系統(tǒng)，如紅外系統(tǒng)、光學系統(tǒng)等，其具有指向性強、精度高、穿透性強等優(yōu)點且造價便宜、結構簡單、易于操作。同時該類型傳感器不懼暗光環(huán)境，在灰塵或高濕環(huán)境下對傳感器的測量也基本沒有影響，特別適合制絲線現場環(huán)境使用。后期根據具體場景需要也可替換或加裝圖像傳感器，以滿足更多設備使用。如圖2 所示，超聲波傳感器具體型號為UC2000-30GM-IUR2-V15，外表為帶螺紋的圓柱狀，其直徑為30.0 mm，長度為141.5 mm。該傳感器體型小巧便于安裝，性能穩(wěn)定，對外界環(huán)境因素變化有很好的抗干擾能力。檢測范圍為80 mm～2 000 mm，盲區(qū)為0 mm～80 mm，響應延時最小65 ms，其精度符合測量要求。

圖2 超聲波料位高度監(jiān)測傳感器結構示意圖（單位：mm）

安裝位置在運輸帶上方支撐桿正中處，如圖3 所示。

圖3 超聲波料位高度監(jiān)測傳感器安裝位置示意和現場安裝圖

2.2 緩沖喂料機及轉換活門的安裝

使用不銹鋼板分料活門，安裝在前端運輸帶和控制運輸帶之間，使用壓縮空氣電磁閥控制活門轉換。在活門另一側加裝緩沖喂料機。安裝完成后，活門的兩種控制狀態(tài)分別對應正常模式與堵料模式。

2.3 安裝細節(jié)

安裝細節(jié)一：超聲波料位高度監(jiān)測傳感器與PLC 之間的電源和信號電纜必須是屏蔽電纜并且與動力電纜分開布線，防止相互干擾[3]。

安裝細節(jié)二：超聲波料位高度監(jiān)測傳感器的安裝支架必須牢固可靠，防止震動出現誤動作并且將聲光報警燈安裝在操作工容易看到的位置。

安裝細節(jié)三：緩沖喂料機前的分料活門及配件必須可靠耐用，通過迅速精確的轉換動作確保物料運輸通道切換的順利通暢。

安裝細節(jié)四：根據現場環(huán)境和設備布局，若原有隔離開關離操作工位較遠，可根據實際情況加裝雙隔離開關方便操作人員使用，確保堵料時能及時切斷所控設備安裝細節(jié)如圖4 所示。

圖4 安裝細節(jié)示意圖

3 控制實現

3.1 控制算法說明

控制系統(tǒng)采用超聲波測距的方式為系統(tǒng)采集運輸帶上的物料高度信息，通過有效的算法實時監(jiān)測物料高度是否處于標準范圍內，一旦超出范圍并達到預設持續(xù)時間便自行啟動智能報警疏通程序。

具體來說，該智能防堵料控制系統(tǒng)判斷堵料與否主要取決于一段時間內運輸帶上的物料總量，可通過西門子S7-300 型PLC 基于流量計算公式得出：出料流量=M（質量）/H（時間）=[V（體積）×ρ（密度）]/[S（距離）/v（速度）]=[W（帶寬）×h（料高）×S（距離）×ρ（密度）]×[v（速度）/S（距離）]=W（帶寬）×h（料高）×ρ（密度）×v（速度）=W（帶寬）×h（料高）×ρ（密度）×f（運輸帶電機頻率）×v（每1Hz 的底帶速度）。

流量公式中的幾個核心參數：流量值，W（帶寬）為固定值，不同牌號的煙絲密度ρ（密度）查閱相關工藝資料可知，h（料高）是超聲波傳感器實時測量得到的數值，v（每1Hz 的儲柜帶帶速度）通過測量實驗可得。因此，所述的f（運輸帶電機頻率）理論值即可根據超聲波傳感器測量的h（料高）進行實時計算得出.該值與正常輸送物料時的標準值進行比較可得出底帶運輸頻率的高低，過低說明前端來料較多可調運輸帶后端無堵料風險；過高說明前端來料較少可調運輸帶前端有堵料風險，從而進行堵料風險智能預判。

3.2 控制過程說明

如圖5 所示：1） 轉換活門和預備喂料機。當發(fā)生“Ⅰ級堵料”時，在PLC 控制器控制下，自動開啟轉換活門，將前端來料先預儲于預備喂料機中，直至疏通運輸帶恢復正常后，預備喂料機開啟，將物料均勻反加。2） 超聲波料位監(jiān)測傳感器監(jiān)測運輸帶料位高度?；诹衔桓叨冉浧帘坞娎|及時向PLC 控制器作出相應反饋。PLC 控制器根據超聲波料位監(jiān)測傳感器所監(jiān)測的料位高度判定運輸帶的運行情況，將運輸帶運行情況分為“正常運輸、Ⅰ級堵料、Ⅱ級堵料、Ⅲ級堵料”。并根據堵料級別進行相應的報警降速和停機處理。3） 變頻調速器根據堵料層級作相應的降速處理。降速分為“Ⅰ級降速、Ⅱ級降速”，在PLC 控制器控制下，根據堵料層級進行步進降速。當發(fā)生“Ⅱ級堵料”時自動開啟“Ⅱ級降速”，經“Ⅱ級降速”后料位高度降低，判定為“Ⅰ級堵料”，從而自動調整為“Ⅰ級降速”，直至料位高度小于等于所設正常運行的料位高度后恢復正常速度。從而實現堵料級別低時自動疏通功能。當發(fā)生“Ⅲ級堵料”時，立即停機，進行人工處理。

圖5 智能防堵料裝置控制過程示意圖

本地CPU 與遠程CPU 之間通過西門子I-Device 通信協議進行實時數據傳輸，本地子站上裝有觸摸屏，實現了本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控的多重控制模式。控制程序使用博圖軟件自主編寫，使用結構化編程方式，做成一個獨立的功能塊，方便主程序調用，遷移性好，方便推廣使用。硬件利用原有PLC 輸入輸出模塊和控制網絡。新增了超聲波傳感器和變頻器，其他控制器件利用原有PLC 輸入輸出模塊和控制網絡，與主控制程序緊密結合，改進的成本低，運用效果好，推廣方便。

4 結語

該智能控制系統(tǒng)能夠通過實時監(jiān)測運輸帶料位高度，快速有效地識別運輸帶的堵料情況并及時報警。根據堵料程度自行調速進行疏通，極大地降低了堵料風險，縮短了堵料疏通時間，提高生產效率，有效地保證了生產的連續(xù)性和工藝指標的穩(wěn)定性，保證了產品質量。