甘油酯香精定量供給及攪拌系統(tǒng)技術(shù)研究

張凱， 韓良， 孫小肖

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

卷煙加香加料能襯托卷煙香味，增加煙氣濃度，減少刺激性，還可賦予產(chǎn)品優(yōu)美的特征香味[1]。卷煙加香加料的應(yīng)用，已成為減害降焦工作最為關(guān)鍵的技術(shù)之一[2]。而在生產(chǎn)煙濾嘴的甘油酯中直接添加香精已成為一種高效直接的方法[3]。

此前甘油酯及香精的調(diào)配主要靠磅秤稱重和人工控制，調(diào)配甘油酯成本高，效率低，誤差大，因此甘油酯調(diào)配的自動(dòng)化控制受到重視[4]。自動(dòng)調(diào)配裝置不僅會(huì)極大程度提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度，也能促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、經(jīng)濟(jì)效益的提高[5]。

本課題著力于根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備及控制要求，開發(fā)PLC為主體觸摸屏為操作界面的控制系統(tǒng)[6]。該控制系統(tǒng)要有抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠、控制功能完善的優(yōu)勢。能夠通過觸摸屏提供良好的人機(jī)界面[7]，不僅能夠方便地實(shí)施液位控制，同時(shí)能夠直觀顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且當(dāng)發(fā)生異常狀況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)[8]。這樣的自動(dòng)控制裝置，相對(duì)于落后的人工控制，不僅有效率和精度上的優(yōu)勢，還能夠規(guī)范操作，保障人身安全[9]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 調(diào)香室結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)的機(jī)械部分主要包括攪拌罐、液壓供料系統(tǒng)和地秤。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

由于要針對(duì)不同容量的混合液進(jìn)行攪拌，所以該系統(tǒng)共有100 L、200 L、400 L、600 L四種不同容量的攪拌罐。每個(gè)攪拌罐夾層裝有加熱棒，通過夾層介質(zhì)均勻加熱。攪拌罐內(nèi)部有攪拌裝置，用于混合甘油酯及香精。攪拌罐安裝在地秤上，通過地秤實(shí)時(shí)反饋攪拌罐及內(nèi)部液體的總質(zhì)量。隔膜泵安裝在進(jìn)料口，用于泵入甘油酯及香精。電磁閥安裝在攪拌罐入口處，用于細(xì)調(diào)流量時(shí)的點(diǎn)動(dòng)控制。清液泵安裝在出料口，用于泵出混合液。

1.1 液壓供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓供料系統(tǒng)包括用于泵入甘油酯及香精的甘油酯泵及香精泵，控制管路通斷的甘油酯閥、香精閥，以及用于泵出混合液的清液泵。甘油酯閥與甘油酯泵在同一管路，香精閥與香精泵在同一管路，甘油酯閥及香精閥均位于攪拌罐頂端入口處，且不與攪拌罐直接接觸。清液泵安裝于攪拌罐出料處，通過管道與出料口連接。選用泵為氣動(dòng)隔膜泵，實(shí)物圖如圖2所示。該隔膜泵具有密封性和自吸功能；可以空運(yùn)行，而不會(huì)有危險(xiǎn)；無需潤滑，維修簡便，不會(huì)由于滴漏污染工作環(huán)境[10]。

圖2 氣動(dòng)隔膜泵安裝實(shí)物圖

1.2 攪拌罐的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中一共涉 及 100 L、200 L、400 L、600 L四個(gè)不同尺寸的攪拌罐，但其內(nèi)部構(gòu)造基本相同。構(gòu)造包括主罐體、攪拌電動(dòng)機(jī)、攪拌葉片、電加熱層、出料口和防漏托板。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 攪拌罐簡圖

主罐體為圓柱形罐體；攪拌罐入口位于攪拌罐上方；攪拌電動(dòng)機(jī)位于罐體軸心位置；攪拌裝置為葉輪，安裝在攪拌電動(dòng)機(jī)下側(cè)，由攪拌電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；加熱層為罐體外側(cè)夾層，內(nèi)置加熱棒；出料口位于攪拌罐底部，裝有控制管道通斷的把手；防漏托板放置在地秤上，用于承接罐體。

攪拌罐采用雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)。罐體、手動(dòng)閥采用316L不銹鋼，支架采用304不銹鋼。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人性化，可操作性強(qiáng)。筒體內(nèi)壁過渡段采用圓弧過渡，保證衛(wèi)生無死角[11]。

1.3 地秤的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的閉環(huán)反饋由地秤實(shí)現(xiàn)。地秤的主要元件為包括壓敏電阻在內(nèi)的電橋電路。當(dāng)壓敏電阻外部壓力變化時(shí)，壓敏電阻的阻值發(fā)生變化，則電橋橋臂之間電壓發(fā)生變化[12]。電橋電路圖如圖4所示。其中：R1、R2、R3均為定值電阻，阻值為R；Rx為壓敏電阻，標(biāo)稱壓敏電壓為R，阻值變化量為ΔR。供橋電壓為U，電橋電壓讀數(shù)為VG。電橋電壓的推導(dǎo)公式如下：

圖4 電橋電路圖

由公式可得電橋電壓和壓敏電阻阻值變化量之間為線性關(guān)系。

電橋電壓經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并根據(jù)數(shù)字量計(jì)算得到壓力值，通過通信將轉(zhuǎn)換后的壓力值傳遞給PLC[13]。PLC將實(shí)時(shí)接收的數(shù)字量與手動(dòng)輸入的預(yù)期值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際稱重接近預(yù)期稱重時(shí)則通過電磁閥進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)，使液體質(zhì)量精確達(dá)到預(yù)期值。

表1 地秤基本參數(shù)

地秤安裝在攪拌罐底端，所以稱重能力要大于攪拌罐和混合液的總質(zhì)量。整個(gè)系統(tǒng)以地秤稱重作為反饋，地秤和PLC實(shí)時(shí)通信并輸出實(shí)時(shí)質(zhì)量。

對(duì)應(yīng)不同容量攪拌罐，其本身質(zhì)量、液體質(zhì)量也不相同。所選地秤稱量范圍及分度值如表1所示。

2 電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 主操作界面

圖6 輸入界面

控制系統(tǒng)由電控柜、PLC、觸摸屏、通信模塊組成。電控柜主要用于走線及元器件的安裝[14]。PLC和通信模塊安裝于電控柜內(nèi)部，觸摸屏安裝于電控柜外側(cè)。本系統(tǒng)選用PLC為歐姆龍CP1H，選用觸摸屏為威綸通TK6070iP[15]，部分操作界面見圖5～圖6。

2.1 控制程序方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的操作流程如下：1）用戶選擇“清洗香精管道”及對(duì)應(yīng)攪拌罐型號(hào)，則香精泵泵入定量甘油酯，用于清理管道雜質(zhì)；2）選擇“排空”及對(duì)應(yīng)攪拌罐型號(hào)，打開對(duì)應(yīng)球閥，此時(shí)用于清洗的甘油酯將會(huì)被排出；3）選擇“固體香精”或“液體香精”，并選擇所用的攪拌罐，PLC開啟對(duì)應(yīng)地磅電源并通信；4）輸入甘油酯及香精預(yù)設(shè)質(zhì)量并開始供料，PLC實(shí)時(shí)檢測質(zhì)量并控制泵和閥的通斷；5）在檢測質(zhì)量接近預(yù)設(shè)質(zhì)量時(shí)，PLC開啟點(diǎn)動(dòng)模式，此時(shí)電磁閥根據(jù)定時(shí)時(shí)間持續(xù)啟停，直至檢測質(zhì)量精確等于預(yù)設(shè)質(zhì)量；6）質(zhì)量調(diào)配完成后，手動(dòng)開啟攪拌加熱，加熱完成后由液壓泵將攪拌加熱的混合液體抽出。

圖7 調(diào)香室結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的定量供給系統(tǒng)中，其電路主要涉及氣動(dòng)隔膜泵的空氣壓縮機(jī)、兩位兩通閥、地秤等的電子元器件，此外還有電控柜內(nèi)的照明、風(fēng)扇以及用于PLC弱電控制強(qiáng)電的繼電器。

表2 不同點(diǎn)動(dòng)時(shí)長對(duì)應(yīng)點(diǎn)動(dòng)供液實(shí)驗(yàn)結(jié)果

其中空氣壓縮機(jī)在工作時(shí)間內(nèi)均處于通電狀態(tài)，氣動(dòng)隔膜泵通過氣路兩位兩通閥控制啟停。控制氣動(dòng)隔膜泵的氣路兩位兩通閥和控制液壓回路管道的液路兩位兩通閥，則均由繼電器的輸出端控制啟停，繼電器輸入端的開關(guān)信號(hào)由PLC給出。

3 實(shí)驗(yàn)研究

整體系統(tǒng)搭建完成之后，各部件均能按照預(yù)期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)功能，整體實(shí)物如圖7所示。

針對(duì)定量供給系統(tǒng)不同的點(diǎn)動(dòng)時(shí)長，進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)連續(xù)點(diǎn)動(dòng)5次，并取其平均值。由于地秤的分度值在0.1 kg，如果每次點(diǎn)動(dòng)的點(diǎn)動(dòng)量小于0.1 kg，則該點(diǎn)動(dòng)時(shí)長適用于本系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終選定點(diǎn)動(dòng)時(shí)長為70 ms。此時(shí)每次點(diǎn)動(dòng)的供液量小于0.1 kg，所以不會(huì)因?yàn)辄c(diǎn)動(dòng)而導(dǎo)致本系統(tǒng)出現(xiàn)精度誤差。

4 結(jié)論

本文介紹了一種兩相流定量調(diào)配及攪拌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：根據(jù)現(xiàn)有的人工調(diào)配甘油酯香精混合液技術(shù)，參考同類液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重針對(duì)用戶的操作方便和系統(tǒng)安全、系統(tǒng)精度，將電氣化、自動(dòng)化器件應(yīng)用于本系統(tǒng)的開發(fā)，就此開發(fā)出集型號(hào)選擇、定量供給、攪拌、加熱于一體的系統(tǒng)，并通過一系列市場調(diào)查和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和準(zhǔn)確性。