基于PLC 控制的風選機節能優化設計及應用

王 晶，盧 潤，余 攀，簡著名，王修君

（湖北中煙工業有限責任公司，湖北武漢 430040）

1 現狀調查

通過統計調查，發現在工廠制絲車間每天的生產中，風選工序風機的空載運行時間（首批空車首檢、批次間換批以及最后一批物料放空）較長，且風機運行頻率恒定為40 Hz，電能消耗浪費較大。制絲風選工序主要是利用風機在管道內產生的負壓，將通過烘絲工序（對煙絲進行烘烤，去除葉絲中雜氣，同時使煙絲膨脹）后，煙絲與梗絲的重量差異導致的懸浮速度不同，通過調節負壓將較輕的煙絲向上吸走，并風送至后續生產線，較重的梗絲則向下降落剔除。風選工序工作流程如圖1 所示。

2 空載運行原因分析

某卷煙廠制絲車間共5 條煙絲生產線：1、2、3 號線一次風選風機功率是75 kW；二次風選風機功率為15 kW；4、5 號線一次風選風機功率為55 kW，二次風選風機功率為15 kW。

（1）為保證設備運行良好，每天第一批生產前，生產沿線設備會空車熱機約30 min，避免設備故障未及時發現導致的停車。

（2）當烘絲工序單元啟動時，風機立即啟動。煙絲從烘前喂料倉經HT、烘絲筒進入風選箱，然后運行至風選段，中間有約6 min 的時間風機空運行。另外，為保證烘前喂料倉物料充足，烘絲操作工會提前分斷喂料倉提升帶開關，當提料時需再次合上，因此操作工的操作習慣會導致風機空行時間延長。

（3）當烘絲結束后，煙絲經風選工序送出至混絲柜中。由于路徑較長，煙絲進柜完成需要約10 min，等待關停混絲柜結束工單后，風機才停止運行。同樣，操作工關柜子的時間也會導致風機空運行時間延長。

（4）每天工作結束后最后一批生產為將沿線物料徹底跑空，會有約30 min 設備運行時間，保證沿線不會堆積遺留物料。

由于人為操作控制生產線啟停，具體空載時間存在差異，可通過PLC 編寫程序記錄具體空載運行時間（圖2）。以3、4 號線為例，通過一個月的數據統計計算得出：每天空載平均運行時間3 號線約為3.88 h；4 號線約為3.5 h。

圖2 停機時間記錄程序

當風選電機處于節能模式，且電機處于運行狀態時，通過TONR-TIME 功能塊（計時器功能塊）開始計時。5 條生產線風選風機能耗見表1。若能減少風機運行時間或降低風機頻率，則可以降低風機生產能耗。

表1 風選風機能耗

3 改進方案分析

可以通過減少空載時間或減小空載時風機的功率，使風機達到更好的節能效果。

3.1 減小空載時間

對于煙絲生產車間，存在生產準時制，換批流程已經嚴格控制了間隔時間，繼續減少空載時間的余地不大，因此選擇通過減小空載時風機功率進行節能。

3.2 減小空載時風機功率

減小空載時風機功率有以下3 種方法：

（1）關停風機。風機功率較大，頻繁啟停會減少電機壽命，且電機啟動過程沖擊電流較大、時間較長，因此關停風機不可取。

（2）降低風機頻率。降低風機頻率能有效減小風機功率，但針對30 kW 以上的風機，頻率越小散熱效果越差，會對電機造成損害。因此，對于功率較大的一次風選風機不適合采用降低風機頻率的方法，二次風選風機可采用降低風機頻率的方式進行節能。

（3）減小風門開度。減小風門開度能起到一定的節能作用，節能效果不如降頻，但不受風機額定功率的限制，因此額定功率較大的一次風選風機可采用減小風門開度的方式進行節能。

經過綜合分析，選擇在空載時的節能方式為：

（1）一次風選進行減小風門開度。對風門不同開度對應的電流和功率進行對比（表2），最后選擇將空載時一次風門的開度減小到10%。

表2 一次風選風門開度對應的電流和功率

（2）二次風選降低風機頻率。對不同頻率風機的電流、轉速和功率進行對比。風機的運行模式為恒轉矩模式，如果頻率過低可能會出現轉矩極限的報警。根據實驗數據（表3），決定將空載時二次風選的頻率降低為20 Hz。

表3 二次風選不同頻率對應的電流、轉速和功率

4 改進方案實施

4.1 節能模式判斷切換條件

節能模式切換條件就是通過PLC 控制程序，設定風機空載時間開始和結束的條件點，當風機空載運行時則為節能模式，反之則為生產模式。在煙葉制絲生產中，皮帶電子秤是常用的計量和流量控制的設備，水分儀是實時檢測生產線上煙葉絲水分的設備，通過這兩種設備采集數據的反饋則可判斷風選工序是否進料、風機是否空載運行。當生產單元啟動且烘前電子秤累計重量≤200 kg 時，判斷為物料未行進至風選段，風機處于節能模式。當烘前電子秤累計量≥50 kg，且運行6 min 后，判定物料已經行進至風選段恢復生產模式；需要摻兌保養煙絲（生產中設備上殘留的煙絲，人工清理出來后再次摻兌到生產線中）時手動點擊節能取消按鈕恢復生產模式；三烘絲后水分大于4，同樣判斷物料行進至風選段恢復生產模式。當生產即將結束時，通過烘絲前后以及風選后水分儀讀取的在線物料水份值判斷風選段物料已經跑空，風機轉換為節能模式，具體切換條件如圖3 所示。

圖3 工作模式切換條件

圖4 手動操作界面

考慮到存在烘絲摻兌保養煙絲等情況，還在段控畫面中增加了手動取消節能模式的按鈕，按鈕變綠則表示進入節能模式。

4.2 節能功耗數據采集對比

節能效果驗證可通過兩種方法相互佐證：①通過PLC 直接讀取丹佛斯變頻器上的風機功率參數；②讀取風選段控機美塑電表上的總電耗。

編寫PLC 程序讀取電表電耗，通過對節能前后各一個月的總電耗進行對比計算得出每批次的節能功耗。

（1）通過PLC 讀取的丹佛斯變頻器的輸出功率（表4）。

表4 不同工作模式的變頻器輸出功率 kW

3 號線每天節能模式使能時間3.88 h，6 月份平均日生產4 批次，風選每批次節能功耗=［（38.5+6.8）-（18.1+1.7）］×/4=19.125 kW·h。

4 號線每天節能模式使能時間3.5 h，6 月份平均日生產3.6批次，風選每批次節能功耗=［（21.2+6.03）-（6.8+1.1）］×2.8/3.6=15.034 kW·h。

（2）美塑電表總電耗改進前后差值對比（表5）。

表5 改進前后電表總電耗 kW·h

計算可知，3 號線風選每批次節能功耗20.2 kW·h，4 號線風選每批次節能功耗14.92 kW·h。

對比上述兩種驗證方式，發現每批次的節能功耗非常接近，互相佐證了節能功耗數據的準確性。

1、2、3 號線風機功率相同，每批平均節約用電約20 kW·h，按6 月份情況計算3 條線節約用電7200 kW·h。4、5 號線風機功率相同，每批平均節約用電15 kW·h，按6 月份情況計算2 條線節約用電3240 kW·h。因此通過對PLC 控制風機變頻和風門開度的程序進行優化改進，制絲車間風選工序每月可節約用電約10 440 kW·h。僅通過對生產線中一處風機PLC 控制程序的優化便能有效降低能耗，在自動化工廠中還有功率更大的除塵、空調風送系統風機，以及各類由PLC 程序控制啟停和運行頻率的電機設備。通過改進PLC 控制程序對這些設備進行節能優化，對于整個卷煙工廠的節能降耗工作有著重大意義，也是開展節能降耗工作行之有效的一種方法。