煙草制絲運(yùn)輸帶智能防堵料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張藝輝 謝楓燃 施旭東 呂思博

（云南省紅塔集團(tuán)玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100）

0 引言

生產(chǎn)線上，葉片輸送采用的方式大多為帶式輸送機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)、提升機(jī)、管道輸送機(jī)等。中控室計(jì)算機(jī)通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)可分別實(shí)現(xiàn)各輸送機(jī)的單機(jī)和組合控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)[1]。目前制絲生產(chǎn)線普遍采用流水線作業(yè)，因工藝要求和生產(chǎn)流程所制，所采用的運(yùn)輸帶數(shù)量較多且布局緊湊，同時(shí)受制于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，堵料時(shí)所用的疏通時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)程。

目前運(yùn)輸帶多為固定頻率運(yùn)行，也無(wú)堵料監(jiān)測(cè)功能。在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)外部原因?qū)е逻\(yùn)輸帶落料口物料高度較高時(shí)，如果生產(chǎn)人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，非常容易造成物料堵塞。流量較大的運(yùn)輸帶一旦發(fā)生堵塞，物料會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大量堆積，堵塞疏通難度大，疏通時(shí)間長(zhǎng)。嚴(yán)重時(shí)運(yùn)輸帶會(huì)被拉斷或者電機(jī)堵轉(zhuǎn)跳閘停機(jī)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)連續(xù)性、生產(chǎn)效率、工藝質(zhì)量和設(shè)備使用壽命。

針對(duì)該類(lèi)運(yùn)輸帶進(jìn)行智能化防堵料控制升級(jí)改造顯得尤為重要，該智能控制系統(tǒng)結(jié)合變頻器通過(guò)PLC 控制使運(yùn)輸帶具有變頻調(diào)速功能，輸送速度可以根據(jù)料位高度實(shí)時(shí)可調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸帶智能識(shí)別堵料報(bào)警、自動(dòng)調(diào)控速疏通的功能，減少堵料風(fēng)險(xiǎn)，保證生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 智能防堵料裝置的結(jié)構(gòu)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(bào)警裝置，運(yùn)輸帶前端設(shè)置分料活門(mén)和緩沖喂料機(jī)。超聲波傳感器根據(jù)料位檢測(cè)高度自動(dòng)識(shí)別堵料情況，發(fā)生堵料后及時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警通知操作人員，同時(shí)系統(tǒng)自行將活門(mén)切換到喂料機(jī)中，將后續(xù)來(lái)料暫存入緩沖喂料機(jī)中，防止繼續(xù)來(lái)料加劇堵塞。根據(jù)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)的料層高度識(shí)別出堵料的嚴(yán)重程度，并分等級(jí)，如輕度、中度、重度。根據(jù)不同的堵料程度運(yùn)輸帶自行調(diào)整速度，步進(jìn)減速。由于前端來(lái)料被切斷了，后端的運(yùn)輸帶速度沒(méi)變且速度比控制運(yùn)輸帶速度大，可以極大地降低堵料風(fēng)險(xiǎn)。必要時(shí)也可進(jìn)行反轉(zhuǎn)操作。為人員疏通贏得時(shí)間，避免出現(xiàn)完全堵死的情況，縮短疏通時(shí)間。堵塞疏通后，運(yùn)輸帶物料高度恢復(fù)正常，活門(mén)切換到正常進(jìn)料模式，喂料機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)將緩存物料加入運(yùn)輸帶。

1.2 智能防堵料裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，智能防堵料裝置由超聲波料位高度監(jiān)測(cè)傳感器、PLC 控制器、緩沖喂料機(jī)、壓縮空氣電磁閥及轉(zhuǎn)換活門(mén)、變頻調(diào)速器及運(yùn)輸帶電機(jī)、聲光報(bào)警器構(gòu)成。

圖1 智能防堵料裝置工作構(gòu)成示意圖

綜上原理所述，當(dāng)位于落料口的超聲波料位高度傳感器監(jiān)測(cè)到運(yùn)輸帶上物料高度較高，有發(fā)生堵料風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，傳感器立即向PLC控制器發(fā)送報(bào)警信號(hào)。當(dāng)PLC 控制器持續(xù)收到超聲波傳感器發(fā)送的報(bào)警信號(hào)并且報(bào)警信號(hào)的持續(xù)時(shí)間≥ 60s時(shí)，PLC 控制器立即啟動(dòng)防堵料控制程序。打開(kāi)壓縮空氣電磁閥控制活門(mén)轉(zhuǎn)換，將后續(xù)來(lái)料暫存入緩沖喂料機(jī)中，同時(shí)根據(jù)堵料情況控制變頻器使運(yùn)輸帶電機(jī)步進(jìn)降速，減小后續(xù)來(lái)料流量，為疏通贏得時(shí)間，避免造成堵死，減小疏通難度并且輸出聲光報(bào)警，提醒操作工對(duì)堵料問(wèn)題進(jìn)行排查處理。待堵料故障排除后，緩沖喂料機(jī)啟動(dòng)將物料均勻返加，運(yùn)輸帶勻速步進(jìn)恢復(fù)至正常流量，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 裝置的安裝

2.1 料位高度監(jiān)測(cè)傳感器的選型與安裝

由于制絲車(chē)間具有濕度大、灰塵大、溫度高及加工物料牌號(hào)多樣化等特點(diǎn)。為了從根本上解決運(yùn)輸帶堵料報(bào)警慢、疏通難等問(wèn)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(hào)物料的流量要求和質(zhì)量特性等要求。同時(shí)，加裝新的控制系統(tǒng)后設(shè)備運(yùn)行效率應(yīng)得到大幅提高，使用壽命明顯增長(zhǎng)并且維護(hù)保養(yǎng)工作快速簡(jiǎn)單，在日常的使用維護(hù)中，減少備件的更換費(fèi)用，極大地節(jié)約車(chē)間的人力物力財(cái)力等。

目前市面上的高度監(jiān)測(cè)傳感器根據(jù)測(cè)量原理可分為：紅外線傳感器、超聲波傳感器、光學(xué)傳感器等。結(jié)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(cè)傳感器。超聲波測(cè)量是一種典型的非接觸式的測(cè)量，使之能夠在某些特定場(chǎng)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(cè)量系統(tǒng)，如紅外系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等，其具有指向性強(qiáng)、精度高、穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)且造價(jià)便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作。同時(shí)該類(lèi)型傳感器不懼暗光環(huán)境，在灰塵或高濕環(huán)境下對(duì)傳感器的測(cè)量也基本沒(méi)有影響，特別適合制絲線現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用。后期根據(jù)具體場(chǎng)景需要也可替換或加裝圖像傳感器，以滿足更多設(shè)備使用。如圖2 所示，超聲波傳感器具體型號(hào)為UC2000-30GM-IUR2-V15，外表為帶螺紋的圓柱狀，其直徑為30.0 mm，長(zhǎng)度為141.5 mm。該傳感器體型小巧便于安裝，性能穩(wěn)定，對(duì)外界環(huán)境因素變化有很好的抗干擾能力。檢測(cè)范圍為80 mm～2 000 mm，盲區(qū)為0 mm～80 mm，響應(yīng)延時(shí)最小65 ms，其精度符合測(cè)量要求。

圖2 超聲波料位高度監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

安裝位置在運(yùn)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(cè)傳感器安裝位置示意和現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

2.2 緩沖喂料機(jī)及轉(zhuǎn)換活門(mén)的安裝

使用不銹鋼板分料活門(mén)，安裝在前端運(yùn)輸帶和控制運(yùn)輸帶之間，使用壓縮空氣電磁閥控制活門(mén)轉(zhuǎn)換。在活門(mén)另一側(cè)加裝緩沖喂料機(jī)。安裝完成后，活門(mén)的兩種控制狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)正常模式與堵料模式。

2.3 安裝細(xì)節(jié)

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

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

安裝細(xì)節(jié)三：緩沖喂料機(jī)前的分料活門(mén)及配件必須可靠耐用，通過(guò)迅速精確的轉(zhuǎn)換動(dòng)作確保物料運(yùn)輸通道切換的順利通暢。

安裝細(xì)節(jié)四：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備布局，若原有隔離開(kāi)關(guān)離操作工位較遠(yuǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況加裝雙隔離開(kāi)關(guān)方便操作人員使用，確保堵料時(shí)能及時(shí)切斷所控設(shè)備安裝細(xì)節(jié)如圖4 所示。

圖4 安裝細(xì)節(jié)示意圖

3 控制實(shí)現(xiàn)

3.1 控制算法說(shuō)明

控制系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距的方式為系統(tǒng)采集運(yùn)輸帶上的物料高度信息，通過(guò)有效的算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料高度是否處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，一旦超出范圍并達(dá)到預(yù)設(shè)持續(xù)時(shí)間便自行啟動(dòng)智能報(bào)警疏通程序。

具體來(lái)說(shuō)，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(shí)間內(nèi)運(yùn)輸帶上的物料總量，可通過(guò)西門(mén)子S7-300 型PLC 基于流量計(jì)算公式得出：出料流量=M（質(zhì)量）/H（時(shí)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(yùn)輸帶電機(jī)頻率）×v（每1Hz 的底帶速度）。

流量公式中的幾個(gè)核心參數(shù)：流量值，W（帶寬）為固定值，不同牌號(hào)的煙絲密度ρ（密度）查閱相關(guān)工藝資料可知，h（料高）是超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到的數(shù)值，v（每1Hz 的儲(chǔ)柜帶帶速度）通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)可得。因此，所述的f（運(yùn)輸帶電機(jī)頻率）理論值即可根據(jù)超聲波傳感器測(cè)量的h（料高）進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得出.該值與正常輸送物料時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較可得出底帶運(yùn)輸頻率的高低，過(guò)低說(shuō)明前端來(lái)料較多可調(diào)運(yùn)輸帶后端無(wú)堵料風(fēng)險(xiǎn)；過(guò)高說(shuō)明前端來(lái)料較少可調(diào)運(yùn)輸帶前端有堵料風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)行堵料風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)判。

3.2 控制過(guò)程說(shuō)明

如圖5 所示：1） 轉(zhuǎn)換活門(mén)和預(yù)備喂料機(jī)。當(dāng)發(fā)生“Ⅰ級(jí)堵料”時(shí)，在PLC 控制器控制下，自動(dòng)開(kāi)啟轉(zhuǎn)換活門(mén)，將前端來(lái)料先預(yù)儲(chǔ)于預(yù)備喂料機(jī)中，直至疏通運(yùn)輸帶恢復(fù)正常后，預(yù)備喂料機(jī)開(kāi)啟，將物料均勻反加。2） 超聲波料位監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)運(yùn)輸帶料位高度?；诹衔桓叨冉?jīng)屏蔽電纜及時(shí)向PLC 控制器作出相應(yīng)反饋。PLC 控制器根據(jù)超聲波料位監(jiān)測(cè)傳感器所監(jiān)測(cè)的料位高度判定運(yùn)輸帶的運(yùn)行情況，將運(yùn)輸帶運(yùn)行情況分為“正常運(yùn)輸、Ⅰ級(jí)堵料、Ⅱ級(jí)堵料、Ⅲ級(jí)堵料”。并根據(jù)堵料級(jí)別進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警降速和停機(jī)處理。3） 變頻調(diào)速器根據(jù)堵料層級(jí)作相應(yīng)的降速處理。降速分為“Ⅰ級(jí)降速、Ⅱ級(jí)降速”，在PLC 控制器控制下，根據(jù)堵料層級(jí)進(jìn)行步進(jìn)降速。當(dāng)發(fā)生“Ⅱ級(jí)堵料”時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟“Ⅱ級(jí)降速”，經(jīng)“Ⅱ級(jí)降速”后料位高度降低，判定為“Ⅰ級(jí)堵料”，從而自動(dòng)調(diào)整為“Ⅰ級(jí)降速”，直至料位高度小于等于所設(shè)正常運(yùn)行的料位高度后恢復(fù)正常速度。從而實(shí)現(xiàn)堵料級(jí)別低時(shí)自動(dòng)疏通功能。當(dāng)發(fā)生“Ⅲ級(jí)堵料”時(shí)，立即停機(jī)，進(jìn)行人工處理。

圖5 智能防堵料裝置控制過(guò)程示意圖

本地CPU 與遠(yuǎn)程CPU 之間通過(guò)西門(mén)子I-Device 通信協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，本地子站上裝有觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了本地監(jiān)控和遠(yuǎn)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(xiě)，使用結(jié)構(gòu)化編程方式，做成一個(gè)獨(dú)立的功能塊，方便主程序調(diào)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(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)，與主控制程序緊密結(jié)合，改進(jìn)的成本低，運(yùn)用效果好，推廣方便。

4 結(jié)語(yǔ)

該智能控制系統(tǒng)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸帶料位高度，快速有效地識(shí)別運(yùn)輸帶的堵料情況并及時(shí)報(bào)警。根據(jù)堵料程度自行調(diào)速進(jìn)行疏通，極大地降低了堵料風(fēng)險(xiǎn)，縮短了堵料疏通時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，有效地保證了生產(chǎn)的連續(xù)性和工藝指標(biāo)的穩(wěn)定性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。