以變頻器為基礎(chǔ)的煙草儲(chǔ)柜剩料量計(jì)算方法

徐 誠(chéng)，邱棟辰，彭雪濤

（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南京卷煙廠，江蘇南京 210000）

0 引言

煙草存儲(chǔ)柜是一種被廣泛應(yīng)用于煙草工業(yè)中的煙草物料存儲(chǔ)設(shè)備，其在生產(chǎn)流程中，發(fā)揮著煙草半成品的暫時(shí)存放、煙草醇化處理以及將煙草物料進(jìn)行均勻混合等作用，是煙草生產(chǎn)加工中不可缺少的設(shè)備。

煙草存儲(chǔ)柜的實(shí)時(shí)剩料量的準(zhǔn)確性對(duì)于煙草的實(shí)際生產(chǎn)有著重要的作用，主要體現(xiàn)在：煙草存儲(chǔ)柜的顯示剩料量是生產(chǎn)調(diào)度人員安排生產(chǎn)計(jì)劃的重要依據(jù)，調(diào)度人員會(huì)根據(jù)剩料量信息安排當(dāng)日的生產(chǎn)任務(wù)以及生產(chǎn)順序，以確保下游生產(chǎn)線不會(huì)斷料停機(jī)。若是剩料量不能夠準(zhǔn)確顯示，調(diào)度人員就必須進(jìn)行人工估算，并留出盡可能充分的裕度，一方面大幅增加人員的工作強(qiáng)度；另一方面也在無(wú)形中增加了產(chǎn)線中半成品庫(kù)存數(shù)量，既不符合生產(chǎn)企業(yè)精益生產(chǎn)的原則，又容易因此造成庫(kù)存半成品過(guò)多而造成超過(guò)存儲(chǔ)時(shí)間要求的情況。因此，準(zhǔn)確可靠的儲(chǔ)存柜剩料量在提升調(diào)度人員工作效率與企業(yè)整體生產(chǎn)效益方面具有重大意義。

1 現(xiàn)狀分析

目前絕大部分煙草工業(yè)企業(yè)對(duì)于儲(chǔ)存柜的剩料量計(jì)算都采用鏈板計(jì)數(shù)的方法。儲(chǔ)存柜的底帶與底部眾多長(zhǎng)條形金屬鏈板相連，該金屬鏈板相對(duì)底帶為橫向布置，固定間隔安裝在底帶上，起到支撐底帶的作用。利用鏈板間間隔相等這一特點(diǎn)，通過(guò)在底帶下方加裝感應(yīng)開(kāi)關(guān)，計(jì)數(shù)一個(gè)批次感應(yīng)開(kāi)關(guān)感應(yīng)到的鏈板數(shù)量，通過(guò)將已感應(yīng)到的鏈板數(shù)量和一個(gè)批次的鏈板數(shù)量作計(jì)算就可以得出目前的剩料量。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，但經(jīng)常出現(xiàn)剩料量計(jì)量失效的問(wèn)題。失效原因主要有以下兩個(gè)：

（1）底帶鏈板出現(xiàn)的上下振動(dòng)的現(xiàn)象。由于設(shè)備在運(yùn)行時(shí)易發(fā)生振動(dòng)，而金屬鏈板為軟性鏈接，因此易出現(xiàn)上下振動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)振動(dòng)現(xiàn)象恰好出現(xiàn)在金屬感應(yīng)開(kāi)關(guān)工位處時(shí)，則容易造成鏈板與感應(yīng)開(kāi)關(guān)距離過(guò)遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致漏感，導(dǎo)致剩料量計(jì)量失準(zhǔn)。

（2）底帶篷布彈性形變因素。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)底帶前進(jìn)時(shí)，由于底帶篷布具有較大的彈性，因此在電機(jī)驅(qū)動(dòng)停止后，底帶篷布存在向后收縮的現(xiàn)象，當(dāng)恰好有底帶鏈板在收縮過(guò)程中經(jīng)過(guò)感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)開(kāi)關(guān)的多感現(xiàn)象，導(dǎo)致剩料量計(jì)量不準(zhǔn)。

2 解決方案

煙草存儲(chǔ)柜的運(yùn)行方式是由丹佛斯變頻器驅(qū)動(dòng)底帶電機(jī)，再由底帶電機(jī)帶動(dòng)鏈條，驅(qū)動(dòng)底帶將煙草物料從存儲(chǔ)柜的一端送出。根據(jù)能量守恒定律，在儲(chǔ)存柜的整個(gè)運(yùn)行周期中，電機(jī)所做有效功應(yīng)當(dāng)與驅(qū)動(dòng)底帶與存儲(chǔ)柜煙絲前進(jìn)所消耗的能量相等。因此，在理論上應(yīng)當(dāng)能夠建立一個(gè)能量守恒等式。

煙草存儲(chǔ)柜的能量消耗必然與存儲(chǔ)柜運(yùn)行距離相關(guān)，因此必然可以構(gòu)建一種以變頻器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的煙草存儲(chǔ)柜剩料量計(jì)算方法。該方法的優(yōu)勢(shì)：僅需要在丹佛斯變頻器中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，不需要額外的機(jī)械設(shè)備以及電子元件，具有高可靠性的特點(diǎn)；通過(guò)提高能量消耗模型準(zhǔn)確度的方法，使得該計(jì)算方法能夠擁有相當(dāng)?shù)木取?/p>

2.1 能量模型構(gòu)建

根據(jù)煙草物料存儲(chǔ)柜的運(yùn)行方式可知，在一整個(gè)周期中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸做功減去傳動(dòng)過(guò)程中的損耗，應(yīng)當(dāng)?shù)扔隍?qū)動(dòng)煙草物料以及底帶前進(jìn)所做的功。而由于儲(chǔ)柜底帶安裝于金屬鏈板之上，鏈板又與鏈條相連，并最終通過(guò)鏈條上的滾動(dòng)軸套被安置于軌道之中，因此在理想情況之下，設(shè)備運(yùn)行時(shí)底帶前進(jìn)的摩擦力將由滾動(dòng)軸套產(chǎn)生，其必然符合滾動(dòng)摩擦計(jì)算公式。所得能量等式：

式中：K傳動(dòng)為傳動(dòng)系數(shù)；W電機(jī)軸上總功為電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸所做功；W底帶為克服底帶前進(jìn)所消耗的功；W煙草物料為克服物料前進(jìn)所消耗的功；L 為一周期內(nèi)底帶前進(jìn)的總長(zhǎng)度；P瞬時(shí)為電機(jī)軸上所讀出的瞬時(shí)功率；Σt瞬時(shí)為電機(jī)累積做功時(shí)間；M底帶為底帶質(zhì)量；m 為每份煙草物料質(zhì)量，l 為每份煙草物料前進(jìn)的距離，G 為重力加速度；U 為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；r 為鏈輪半徑。

由于煙草存儲(chǔ)柜的進(jìn)柜方式為鋪料車往復(fù)鋪料，因此煙草物料可以近似被看作為均勻分布在存儲(chǔ)柜中，能量等式可以簡(jiǎn)化為：

式中：W煙草物料為一個(gè)周期中，W電機(jī)軸上總功為電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸所做功；M物料為存儲(chǔ)柜中煙草物料的總質(zhì)量；M底帶為底帶質(zhì)量；P瞬時(shí)為電機(jī)軸上所讀出的瞬時(shí)功率；Σt瞬時(shí)為電機(jī)累積做功時(shí)間；G 為重力加速度；U 為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；r 為鏈輪半徑；L 為一周期內(nèi)底帶前進(jìn)的總長(zhǎng)度；K傳動(dòng)為為傳動(dòng)系數(shù)；K系數(shù)為等式中固定常數(shù)所決定的綜合系數(shù)。

特別是當(dāng)存儲(chǔ)柜運(yùn)行至中途，對(duì)應(yīng)的剩料量公式應(yīng)為下列方程：

式中：P下料為當(dāng)前存儲(chǔ)柜已運(yùn)行百分比；W煙草物料為一個(gè)周期中，W電機(jī)軸上總功為電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸所做功；M物料為存儲(chǔ)柜中煙草物料的總質(zhì)量；M底帶為底帶質(zhì)量；P瞬時(shí)為電機(jī)軸上所讀出的瞬時(shí)功率；Σt瞬時(shí)為電機(jī)累積做功時(shí)間；L 為一周期內(nèi)底帶前進(jìn)的總長(zhǎng)度；K系數(shù)為等式中固定常數(shù)所決定的綜合系數(shù)。

2.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

2.2.1 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算程序

根據(jù)上述等式計(jì)算剩料量計(jì)算，就必須要解決關(guān)鍵參數(shù)K系數(shù)與底帶質(zhì)量M底帶的計(jì)算問(wèn)題。對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)K系數(shù)的求解，可以通過(guò)采集兩個(gè)整批次信息的方式進(jìn)行計(jì)算，具體等式如下：

簡(jiǎn)化后即：

式中：W1為第一次整周期軸上總功；W2為第二次整周期軸上總功；M1為第一次時(shí)存儲(chǔ)柜中總質(zhì)量；M2為第二次時(shí)存儲(chǔ)柜中總質(zhì)量；M底帶為底帶質(zhì)量；L 為一周期內(nèi)底帶前進(jìn)的總長(zhǎng)度；K系數(shù)為等式中固定常數(shù)所決定的綜合系數(shù)。由于W1、W2、M1、M2均可以通過(guò)已有設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，而L 為存儲(chǔ)柜固定參數(shù)，因此可以很容易求出關(guān)鍵參數(shù)K系數(shù)。而在得出K系數(shù)之后，便可以求得底帶質(zhì)量M底帶的數(shù)值。具體程序如圖1 所示。

圖1 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算程序

2.2.2 剩料量計(jì)算程序

在求得關(guān)鍵參數(shù)與相應(yīng)數(shù)據(jù)后，對(duì)當(dāng)前剩料量進(jìn)行計(jì)算，所設(shè)計(jì)程序如圖2 所示。

圖2 剩料量計(jì)算程序

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證剩料量功能，采用剩料量顯示值與現(xiàn)場(chǎng)估算值比對(duì)的方式對(duì)剩料量運(yùn)行情況進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，證明儲(chǔ)柜剩料量計(jì)算比較準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 驗(yàn)證數(shù)據(jù) %

3.2 數(shù)據(jù)分析

以變頻器為基礎(chǔ)得煙草存儲(chǔ)柜計(jì)算方法所得出得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能完全擬合實(shí)際數(shù)值，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)際數(shù)據(jù)周圍附近呈現(xiàn)出沒(méi)有規(guī)律的波動(dòng)。推測(cè)有以下3 個(gè)原因：

（1）存儲(chǔ)柜中物料分布的影響。由于存儲(chǔ)柜中的物料為近似均勻鋪料，并不絕對(duì)均勻，因此式（5）只是近似等式，并不能完全描述存儲(chǔ)柜的實(shí)際情況，造成剩料量計(jì)算值與實(shí)際值存在差異。

（2）設(shè)備不均勻磨損的影響。由于存儲(chǔ)柜在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行之后，機(jī)械設(shè)備必然存在一定程度的磨損情況，因此對(duì)于K系數(shù)而言，可能在整個(gè)運(yùn)行周期中不能處處相等，因此造成了計(jì)算值的一定誤差。

（3）由變頻器提供的軸上功率誤差。由變頻器所提供的電機(jī)軸上功率是變頻器根據(jù)其內(nèi)置程序所計(jì)算得出，其計(jì)算值僅能精確到0.1 W，而其采樣周期為40 Hz，因此必然會(huì)對(duì)本文所提出的剩料量計(jì)算方法造成誤差。

對(duì)于以變頻器為基礎(chǔ)得煙草存儲(chǔ)柜計(jì)算方法而言，其相較于嚴(yán)格的剩料量測(cè)量方法存在精度上的劣勢(shì)，其精度受到存儲(chǔ)柜運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)械設(shè)備磨損情況、電機(jī)工作效率等一系列因素的影響。但是其能夠在不增加額外設(shè)備的情況下，得出一個(gè)相對(duì)可靠的剩料量數(shù)據(jù)，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)的基本需要，且不會(huì)出現(xiàn)突然整體失效的情況，因此具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

本文所提出的以變頻器為基礎(chǔ)得煙草存儲(chǔ)柜計(jì)算方法，能夠在不增加額外設(shè)備的情況下提供一種精度更高、具有高可靠性的剩料量數(shù)據(jù)。但相較于嚴(yán)格的剩料量測(cè)量方法仍存在精度上的不足，其精度主要受到存儲(chǔ)柜內(nèi)物料分布狀態(tài)、機(jī)械設(shè)備磨損情況、變頻器提供數(shù)據(jù)誤差等因素的影響。