《自动化博览》

    摘要：无定量管的喂料装置稳定电子秤流量通过传统方式控制是相当困难的。因此必须一改三合一定量喂料装置的传统控制方式，把电子称和提升带作为一个整体考虑，利用软齿轮箱技术，通过电子称的运行频率直接控制提升带变频器的运行频率，来实现提升带的无级调速，最终达到无定量管喂料装置电子称上物料的稳定运行。


   关键词：电子齿轮；变频器；喂料管

   烟草行业气流干燥机前添设喂料机和电子皮带秤用于控制和稳定进入HXD烟丝流量，提高HXD的膨化效果和出口水分的CPK值。HXD来料烟丝水分26%～30%，在此大水分下采用带定量管喂料装置进行恒流量控制会经常出现积块堵料现象，为此需采用不带定量管的喂料装置，不带定量管喂料装置进行恒流量控制采用通常的控制方式是不行的。因此必须设计一种新的控制方式来进行无定量管喂料装置下恒流量控制。

    1 设计思路

   在烟草行业流量控制方面普遍采用带定量管喂料装置（电子秤+定量管+喂料机）利用定量管上的高、中、低光电管来调节进入定量管的物料量（物料高于高料位，低速或停止进料；物料在中低料位之间，高速进料；物料在高中料位之间，中速进料）。然而定量管是垂直安装，有一定的高度落差，当大水分烟丝（气流干燥机前烟丝水分26%～30%，）在定量管内经过时会因为自身重量挤压造成烟丝结团而引起堵料现象。而不带定量管的喂料装置会使电子秤的烟丝流量波动较大，后续工序的加工难度加大。带定量管喂料装置已不能适应现代精细化加工工艺对大水分烟丝流量控制的要求。为提高大水分烟丝流量控制效果，提高后工序加工的稳定性，需设计出一种新的控制方法以利于大水分下无定量管喂料装置实现恒流量问题的解决。在许多烟草生产厂家，也遇到了同样的问题，因此攻关无定量管装置下实现恒流量成为当务之急。

    2 设计方案

    笔者选择了不同的机械和电气控制点，进行交叉组合，形成几种设计方案，设计方案如下：

   方案一：提升机变频器采用端子方式，且控制方式是根据通常设计思路利用电子秤上物料实际流量与设定流量的偏差大小，电子秤发出三个控制信号，当实际流量大于设定流量100Kg/h，提升带低速运行，当实际流量在设定流量±100Kg/h之间时提升带中速运行，当实际流量小于设定流量100Kg/h，提升带高速运行。

    方案二：提升机变频器采用总线方式，但控制方式采用PID控制方式。在喂料机程序中重新建立PID控制模型，根据电子称传送来的设定流量和实际流量的误差调节提升机变频器的频率，从而使提升机的速度调节实现无级调速。此控制方式弊端是电子称和提升机进行稳定流量控制时存在不同步性。

    方案三：提升机变频器采用总线方式，但控制方式采用齿轮箱控制方式。根据齿轮变速箱原理，把电子秤、喂料机作为一整体来考虑，解决电子称和提升机进行稳定流量控制时的不同步问题。电子秤相当于变速箱的电机作为控制源，提升带相当于变速箱传动轴作为被控对象，具体措施是用电子秤皮带变频器的频率作为控制源 ，利用同步变速系数，来控制提升带变频器的控制频率。

    针对三个方案，笔者分别编程并做了实验，实验结果如表1所示。
 
                            表1 提升机带速度调节方式试验结果  

                  

    针对这三种方案利用优选法选出了第三种方案为最佳方案。软齿轮箱方式控制框图如图1所示。
  
                     
                                  图1 软齿轮箱方式控制框图
 
    3 设计方法

    （1）首先对提升带耙钉进行梳琉，把耙钉由原来的15cm削减为10cm，同时降低均料棍的高度，使其起到拨料和均料作用。这样可防止提升带在输送料的过程中因耙钉过长而导致输送的烟丝多少不均现象。（2）在喂料机PLC和电子秤PLC之间利用SCANLANCE交换机、太网线等硬件建立PROFINET网络，在软件上利用PROFINET网络下通讯技术，建立喂料机S7-300和电子秤S7-300之间的通讯，简化设备之间通讯线路，缩短通讯时间，提高响应速度。如图2所示。
 
                  
                           图2 喂料机S7-300和电子秤S7-300之间建立通讯

    （3）建立喂料机S7-300和电子秤S7-300之间通讯后，用FB12、FB13在电子秤和喂料机之间发送和接受相关数据如电子秤皮带频率、电子称的设定流量、电子称的瞬时流量等。如图3所示。
  
                    
                               图3 电子秤和喂料机之间发送和接受相关数据  

    （4）更换提升带变频器并安装网卡，利用编程器在张家口喂料机程序上组态变频器，建立变频器与张家口喂料机的PLC之间PROFIBUS-DP通讯。并编写变频器控制程序以实现通过现场总线控制提升带变频器的速度，达到无级调速的目的。如图4所示。
  
                        
                           图4 喂料机程序上组态变频器，建立PROFIBUS-DP通讯  

   （5）优化电子秤控制参数，更改喂料机控制程序。利用齿轮变速箱原理，把电子秤、喂料机作为一整体来考虑。电子秤相当于变速箱的电机作为控制源，提升带相当于变速箱传动轴作为被控对象，具体措施是把控制电子秤皮带变频器运行频率作为控制源 ，利用同步变速系数，来控制提升带变频器的运行频率。控制公式为：

    提升带变频器的频率=同步变速系数K*电子秤皮带变频器的运行频率，其中同步变速系数可通过实验得出：

    先在小流量（2000 Kg/h）下进行恒流量控制得到一个同步变速系数K1；大流量（6000 Kg/h）下进行恒流量控制得到一个同步变速系数K2；中流量(4000Kg/h）下进行恒流量控制得到一个同步变速系数K3。再通过加权平均计算出正常工作时同步变速系数K=K1*20%+K3*60%+K2*20%。
         
                     
                                      图5 控制提升带变频器转速的程序 

   因为电子秤自身作为控制型称，其控制方面已做得相当完好，这样把电子秤和喂料机提升带作为一个整体考虑，通过电子秤皮带变频器运行频率控制提升带变频器的运行频率就可很好的实现在无定量管装置的情况下实现无级调速来稳定电子秤流量，这里暂将此技术叫做软变速箱技术。其控制程序如图5所示。

   4 应用效果

   设计应用后实验数据如表2、表3所示。
  
                      表2 提升机变频器利用传统控制方式（方案一）电子称流量统计  
              
 
                      表3 提升机变频器采用软齿轮箱技术控制方式（方案三）电子称流量统计  
               
                 
   通过应用PROFINET网络新技术、电子齿轮箱同步技术和变频器网络控制技术对设备整体程序改造后，经现场观察，电子秤流量控制在设定流量正负30kg之间，HXD入口流量稳定，出口烟丝水分误差在正负0.5 之间，完全满足工艺要求，极大提高了出口烟丝水分CPK指数。整条烘丝线的设备瓶颈得到解决，其稳定性也得到保证。

   5 结语

    传统的带定量喂料装置把电子秤和喂料机提升带分开控制，电子秤上由于有定量管，在正常运行过程中，来料重量变化较小，基本维持恒重量，电子秤皮带的速度频率在设定流量上下也变化较小，因此电子秤的流量较为稳定。

    软变速箱同步技术特别适用于大水分下不带定量管（电子称上重量变化较大），具有提升带的喂料装置，来控制提升带的速度实现无级调速，对于带有定量管的三合一喂料装置也适用，可以防止定量管断料和堵料。即适用于控制型、配比型称，但不适用于计量型称。

    参考文献：

    [1] 崔坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社.

    [2] 邓黎勇.ATV71与ATV61的Profibus-DP连接[Z].

    张根勤（1978-）

   男，大学本科，现就职于许昌卷烟厂，主要研究方向为制丝设备及工艺，对计算机、现代控制、网络通讯等技术也进行研究，熟悉图5 控制提升带变频器转速的程序PLC (S7系列)硬件安装，软件编程。

   摘自《自动化博览》2012年第三期