以變頻器為基礎的煙草儲柜剩料量計算方法

徐 誠，邱棟辰，彭雪濤

（江蘇中煙工業有限責任公司南京卷煙廠，江蘇南京 210000）

0 引言

煙草存儲柜是一種被廣泛應用于煙草工業中的煙草物料存儲設備，其在生產流程中，發揮著煙草半成品的暫時存放、煙草醇化處理以及將煙草物料進行均勻混合等作用，是煙草生產加工中不可缺少的設備。

煙草存儲柜的實時剩料量的準確性對于煙草的實際生產有著重要的作用，主要體現在：煙草存儲柜的顯示剩料量是生產調度人員安排生產計劃的重要依據，調度人員會根據剩料量信息安排當日的生產任務以及生產順序，以確保下游生產線不會斷料停機。若是剩料量不能夠準確顯示，調度人員就必須進行人工估算，并留出盡可能充分的裕度，一方面大幅增加人員的工作強度；另一方面也在無形中增加了產線中半成品庫存數量，既不符合生產企業精益生產的原則，又容易因此造成庫存半成品過多而造成超過存儲時間要求的情況。因此，準確可靠的儲存柜剩料量在提升調度人員工作效率與企業整體生產效益方面具有重大意義。

1 現狀分析

目前絕大部分煙草工業企業對于儲存柜的剩料量計算都采用鏈板計數的方法。儲存柜的底帶與底部眾多長條形金屬鏈板相連，該金屬鏈板相對底帶為橫向布置，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，通過在底帶下方加裝感應開關，計數一個批次感應開關感應到的鏈板數量，通過將已感應到的鏈板數量和一個批次的鏈板數量作計算就可以得出目前的剩料量。該方法結構簡易，計算方法簡單，但經常出現剩料量計量失效的問題。失效原因主要有以下兩個：

（1）底帶鏈板出現的上下振動的現象。由于設備在運行時易發生振動，而金屬鏈板為軟性鏈接，因此易出現上下振動的現象。當振動現象恰好出現在金屬感應開關工位處時，則容易造成鏈板與感應開關距離過遠，從而導致漏感，導致剩料量計量失準。

（2）底帶篷布彈性形變因素。在電機驅動底帶前進時，由于底帶篷布具有較大的彈性，因此在電機驅動停止后，底帶篷布存在向后收縮的現象，當恰好有底帶鏈板在收縮過程中經過感應開關時，則會導致感應開關的多感現象，導致剩料量計量不準。

2 解決方案

煙草存儲柜的運行方式是由丹佛斯變頻器驅動底帶電機，再由底帶電機帶動鏈條，驅動底帶將煙草物料從存儲柜的一端送出。根據能量守恒定律，在儲存柜的整個運行周期中，電機所做有效功應當與驅動底帶與存儲柜煙絲前進所消耗的能量相等。因此，在理論上應當能夠建立一個能量守恒等式。

煙草存儲柜的能量消耗必然與存儲柜運行距離相關，因此必然可以構建一種以變頻器數據為基礎的煙草存儲柜剩料量計算方法。該方法的優勢：僅需要在丹佛斯變頻器中讀取相應數據，不需要額外的機械設備以及電子元件，具有高可靠性的特點；通過提高能量消耗模型準確度的方法，使得該計算方法能夠擁有相當的精度。

2.1 能量模型構建

根據煙草物料存儲柜的運行方式可知，在一整個周期中，電機驅動軸做功減去傳動過程中的損耗，應當等于驅動煙草物料以及底帶前進所做的功。而由于儲柜底帶安裝于金屬鏈板之上，鏈板又與鏈條相連，并最終通過鏈條上的滾動軸套被安置于軌道之中，因此在理想情況之下，設備運行時底帶前進的摩擦力將由滾動軸套產生，其必然符合滾動摩擦計算公式。所得能量等式：

式中：K傳動為傳動系數；W電機軸上總功為電機驅動軸所做功；W底帶為克服底帶前進所消耗的功；W煙草物料為克服物料前進所消耗的功；L 為一周期內底帶前進的總長度；P瞬時為電機軸上所讀出的瞬時功率；Σt瞬時為電機累積做功時間；M底帶為底帶質量；m 為每份煙草物料質量，l 為每份煙草物料前進的距離，G 為重力加速度；U 為滾動摩擦因數；r 為鏈輪半徑。

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

式中：W煙草物料為一個周期中，W電機軸上總功為電機驅動軸所做功；M物料為存儲柜中煙草物料的總質量；M底帶為底帶質量；P瞬時為電機軸上所讀出的瞬時功率；Σt瞬時為電機累積做功時間；G 為重力加速度；U 為滾動摩擦因數；r 為鏈輪半徑；L 為一周期內底帶前進的總長度；K傳動為為傳動系數；K系數為等式中固定常數所決定的綜合系數。

特別是當存儲柜運行至中途，對應的剩料量公式應為下列方程：

式中：P下料為當前存儲柜已運行百分比；W煙草物料為一個周期中，W電機軸上總功為電機驅動軸所做功；M物料為存儲柜中煙草物料的總質量；M底帶為底帶質量；P瞬時為電機軸上所讀出的瞬時功率；Σt瞬時為電機累積做功時間；L 為一周期內底帶前進的總長度；K系數為等式中固定常數所決定的綜合系數。

2.2 PLC 程序設計

2.2.1 關鍵參數計算程序

根據上述等式計算剩料量計算，就必須要解決關鍵參數K系數與底帶質量M底帶的計算問題。對于關鍵參數K系數的求解，可以通過采集兩個整批次信息的方式進行計算，具體等式如下：

簡化后即：

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為第一次時存儲柜中總質量；M2為第二次時存儲柜中總質量；M底帶為底帶質量；L 為一周期內底帶前進的總長度；K系數為等式中固定常數所決定的綜合系數。由于W1、W2、M1、M2均可以通過已有設備進行測量，而L 為存儲柜固定參數，因此可以很容易求出關鍵參數K系數。而在得出K系數之后，便可以求得底帶質量M底帶的數值。具體程序如圖1 所示。

圖1 關鍵參數計算程序

2.2.2 剩料量計算程序

在求得關鍵參數與相應數據后，對當前剩料量進行計算，所設計程序如圖2 所示。

圖2 剩料量計算程序

3 結果與討論

3.1 結果驗證

為了驗證剩料量功能，采用剩料量顯示值與現場估算值比對的方式對剩料量運行情況進行驗證，實驗數據見表1，證明儲柜剩料量計算比較準確，達到了設計目標。

表1 驗證數據 %

3.2 數據分析

以變頻器為基礎得煙草存儲柜計算方法所得出得實驗數據并不能完全擬合實際數值，而實驗數據在實際數據周圍附近呈現出沒有規律的波動。推測有以下3 個原因：

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

（2）設備不均勻磨損的影響。由于存儲柜在長時間的運行之后，機械設備必然存在一定程度的磨損情況，因此對于K系數而言，可能在整個運行周期中不能處處相等，因此造成了計算值的一定誤差。

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

對于以變頻器為基礎得煙草存儲柜計算方法而言，其相較于嚴格的剩料量測量方法存在精度上的劣勢，其精度受到存儲柜運行狀態、機械設備磨損情況、電機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備的情況下，得出一個相對可靠的剩料量數據，能夠滿足企業生產的基本需要，且不會出現突然整體失效的情況，因此具有較高的可靠性。

4 結論

本文所提出的以變頻器為基礎得煙草存儲柜計算方法，能夠在不增加額外設備的情況下提供一種精度更高、具有高可靠性的剩料量數據。但相較于嚴格的剩料量測量方法仍存在精度上的不足，其精度主要受到存儲柜內物料分布狀態、機械設備磨損情況、變頻器提供數據誤差等因素的影響。