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    摘要：無定量管的喂料裝置穩定電子秤流量通過傳統方式控制是相當困難的。因此必須一改三合一定量喂料裝置的傳統控制方式，把電子稱和提升帶作為一個整體考慮，利用軟齒輪箱技術，通過電子稱的運行頻率直接控制提升帶變頻器的運行頻率，來實現提升帶的無級調速，最終達到無定量管喂料裝置電子稱上物料的穩定運行。


   關鍵詞：電子齒輪；變頻器；喂料管

   煙草行業氣流干燥機前添設喂料機和電子皮帶秤用于控制和穩定進入HXD煙絲流量，提高HXD的膨化效果和出口水分的CPK值。HXD來料煙絲水分26%～30%，在此大水分下采用帶定量管喂料裝置進行恒流量控制會經常出現積塊堵料現象，為此需采用不帶定量管的喂料裝置，不帶定量管喂料裝置進行恒流量控制采用通常的控制方式是不行的。因此必須設計一種新的控制方式來進行無定量管喂料裝置下恒流量控制。

    1 設計思路

   在煙草行業流量控制方面普遍采用帶定量管喂料裝置（電子秤+定量管+喂料機）利用定量管上的高、中、低光電管來調節進入定量管的物料量（物料高于高料位，低速或停止進料；物料在中低料位之間，高速進料；物料在高中料位之間，中速進料）。然而定量管是垂直安裝，有一定的高度落差，當大水分煙絲（氣流干燥機前煙絲水分26%～30%，）在定量管內經過時會因為自身重量擠壓造成煙絲結團而引起堵料現象。而不帶定量管的喂料裝置會使電子秤的煙絲流量波動較大，后續工序的加工難度加大。帶定量管喂料裝置已不能適應現代精細化加工工藝對大水分煙絲流量控制的要求。為提高大水分煙絲流量控制效果，提高后工序加工的穩定性，需設計出一種新的控制方法以利于大水分下無定量管喂料裝置實現恒流量問題的解決。在許多煙草生產廠家，也遇到了同樣的問題，因此攻關無定量管裝置下實現恒流量成為當務之急。

    2 設計方案

    筆者選擇了不同的機械和電氣控制點，進行交叉組合，形成幾種設計方案，設計方案如下：

   方案一：提升機變頻器采用端子方式，且控制方式是根據通常設計思路利用電子秤上物料實際流量與設定流量的偏差大小，電子秤發出三個控制信號，當實際流量大于設定流量100Kg/h，提升帶低速運行，當實際流量在設定流量±100Kg/h之間時提升帶中速運行，當實際流量小于設定流量100Kg/h，提升帶高速運行。

    方案二：提升機變頻器采用總線方式，但控制方式采用PID控制方式。在喂料機程序中重新建立PID控制模型，根據電子稱傳送來的設定流量和實際流量的誤差調節提升機變頻器的頻率，從而使提升機的速度調節實現無級調速。此控制方式弊端是電子稱和提升機進行穩定流量控制時存在不同步性。

    方案三：提升機變頻器采用總線方式，但控制方式采用齒輪箱控制方式。根據齒輪變速箱原理，把電子秤、喂料機作為一整體來考慮，解決電子稱和提升機進行穩定流量控制時的不同步問題。電子秤相當于變速箱的電機作為控制源，提升帶相當于變速箱傳動軸作為被控對象，具體措施是用電子秤皮帶變頻器的頻率作為控制源 ，利用同步變速系數，來控制提升帶變頻器的控制頻率。

    針對三個方案，筆者分別編程并做了實驗，實驗結果如表1所示。
 
                            表1 提升機帶速度調節方式試驗結果  

                  

    針對這三種方案利用優選法選出了第三種方案為最佳方案。軟齒輪箱方式控制框圖如圖1所示。
  
                     
                                  圖1 軟齒輪箱方式控制框圖
 
    3 設計方法

    （1）首先對提升帶耙釘進行梳琉，把耙釘由原來的15cm削減為10cm，同時降低均料棍的高度，使其起到撥料和均料作用。這樣可防止提升帶在輸送料的過程中因耙釘過長而導致輸送的煙絲多少不均現象。（2）在喂料機PLC和電子秤PLC之間利用SCANLANCE交換機、太網線等硬件建立PROFINET網絡，在軟件上利用PROFINET網絡下通訊技術，建立喂料機S7-300和電子秤S7-300之間的通訊，簡化設備之間通訊線路，縮短通訊時間，提高響應速度。如圖2所示。
 
                  
                           圖2 喂料機S7-300和電子秤S7-300之間建立通訊

    （3）建立喂料機S7-300和電子秤S7-300之間通訊后，用FB12、FB13在電子秤和喂料機之間發送和接受相關數據如電子秤皮帶頻率、電子稱的設定流量、電子稱的瞬時流量等。如圖3所示。
  
                    
                               圖3 電子秤和喂料機之間發送和接受相關數據  

    （4）更換提升帶變頻器并安裝網卡，利用編程器在張家口喂料機程序上組態變頻器，建立變頻器與張家口喂料機的PLC之間PROFIBUS-DP通訊。并編寫變頻器控制程序以實現通過現場總線控制提升帶變頻器的速度，達到無級調速的目的。如圖4所示。
  
                        
                           圖4 喂料機程序上組態變頻器，建立PROFIBUS-DP通訊  

   （5）優化電子秤控制參數，更改喂料機控制程序。利用齒輪變速箱原理，把電子秤、喂料機作為一整體來考慮。電子秤相當于變速箱的電機作為控制源，提升帶相當于變速箱傳動軸作為被控對象，具體措施是把控制電子秤皮帶變頻器運行頻率作為控制源 ，利用同步變速系數，來控制提升帶變頻器的運行頻率。控制公式為：

    提升帶變頻器的頻率=同步變速系數K*電子秤皮帶變頻器的運行頻率，其中同步變速系數可通過實驗得出：

    先在小流量（2000 Kg/h）下進行恒流量控制得到一個同步變速系數K1；大流量（6000 Kg/h）下進行恒流量控制得到一個同步變速系數K2；中流量(4000Kg/h）下進行恒流量控制得到一個同步變速系數K3。再通過加權平均計算出正常工作時同步變速系數K=K1*20%+K3*60%+K2*20%。
         
                     
                                      圖5 控制提升帶變頻器轉速的程序 

   因為電子秤自身作為控制型稱，其控制方面已做得相當完好，這樣把電子秤和喂料機提升帶作為一個整體考慮，通過電子秤皮帶變頻器運行頻率控制提升帶變頻器的運行頻率就可很好的實現在無定量管裝置的情況下實現無級調速來穩定電子秤流量，這里暫將此技術叫做軟變速箱技術。其控制程序如圖5所示。

   4 應用效果

   設計應用后實驗數據如表2、表3所示。
  
                      表2 提升機變頻器利用傳統控制方式（方案一）電子稱流量統計  
              
 
                      表3 提升機變頻器采用軟齒輪箱技術控制方式（方案三）電子稱流量統計  
               
                 
   通過應用PROFINET網絡新技術、電子齒輪箱同步技術和變頻器網絡控制技術對設備整體程序改造后，經現場觀察，電子秤流量控制在設定流量正負30kg之間，HXD入口流量穩定，出口煙絲水分誤差在正負0.5 之間，完全滿足工藝要求，極大提高了出口煙絲水分CPK指數。整條烘絲線的設備瓶頸得到解決，其穩定性也得到保證。

   5 結語

    傳統的帶定量喂料裝置把電子秤和喂料機提升帶分開控制，電子秤上由于有定量管，在正常運行過程中，來料重量變化較小，基本維持恒重量，電子秤皮帶的速度頻率在設定流量上下也變化較小，因此電子秤的流量較為穩定。

    軟變速箱同步技術特別適用于大水分下不帶定量管（電子稱上重量變化較大），具有提升帶的喂料裝置，來控制提升帶的速度實現無級調速，對于帶有定量管的三合一喂料裝置也適用，可以防止定量管斷料和堵料。即適用于控制型、配比型稱，但不適用于計量型稱。

    參考文獻：

    [1] 崔堅.西門子工業網絡通訊指南[M].北京：機械工業出版社.

    [2] 鄧黎勇.ATV71與ATV61的Profibus-DP連接[Z].

    張根勤（1978-）

   男，大學本科，現就職于許昌卷煙廠，主要研究方向為制絲設備及工藝，對計算機、現代控制、網絡通訊等技術也進行研究，熟悉圖5 控制提升帶變頻器轉速的程序PLC (S7系列)硬件安裝，軟件編程。

   摘自《自動化博覽》2012年第三期