張凱， 韓良， 孫小肖

（東南大學(xué)機械工程學(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)配的自動化控制受到重視[4]。自動調(diào)配裝置不僅會極大程度提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度，也能促進企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大、經(jīng)濟效益的提高[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、運行可靠、控制功能完善的優(yōu)勢。能夠通過觸摸屏提供良好的人機界面[7]，不僅能夠方便地實施液位控制，同時能夠直觀顯示監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，并且當發(fā)生異常狀況時發(fā)出報警信號[8]。這樣的自動控制裝置，相對于落后的人工控制，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 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 調(diào)香室結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)的機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。

由于要針對不同容量的混合液進行攪拌，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，通過地秤實時反饋攪拌罐及內(nèi)部液體的總質(zhì)量。隔膜泵安裝在進料口，用于泵入甘油酯及香精。電磁閥安裝在攪拌罐入口處，用于細調(diào)流量時的點動控制。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

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。選用泵為氣動隔膜泵，實物圖如圖2所示。該隔膜泵具有密封性和自吸功能；可以空運行，而不會有危險；無需潤滑，維修簡便，不會由于滴漏污染工作環(huán)境[10]。

圖2 氣動隔膜泵安裝實物圖

1.2 攪拌罐的設(shè)計

本設(shè)計中一共涉 及 100 L、200 L、400 L、600 L四個不同尺寸的攪拌罐，但其內(nèi)部構(gòu)造基本相同。構(gòu)造包括主罐體、攪拌電動機、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；攪拌電動機位于罐體軸心位置；攪拌裝置為葉輪，安裝在攪拌電動機下側(cè)，由攪拌電動機帶動旋轉(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、手動閥采用316L不銹鋼，支架采用304不銹鋼。結(jié)構(gòu)設(shè)計人性化，可操作性強。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

本系統(tǒng)的閉環(huán)反饋由地秤實現(xiàn)。地秤的主要元件為包括壓敏電阻在內(nèi)的電橋電路。當壓敏電阻外部壓力變化時，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將實時接收的數(shù)字量與手動輸入的預(yù)期值進行比較，當實際稱重接近預(yù)期稱重時則通過電磁閥進行點動，使液體質(zhì)量精確達到預(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。整個系統(tǒng)以地秤稱重作為反饋，地秤和PLC實時通信并輸出實時質(zhì)量。

對應(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

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

本系統(tǒng)的操作流程如下：1）用戶選擇“清洗香精管道”及對應(yīng)攪拌罐型號，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”及對應(yīng)攪拌罐型號，打開對應(yīng)球閥，此時用于清洗的甘油酯將會被排出；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實時檢測質(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，PLC開啟點動模式，此時電磁閥根據(jù)定時時間持續(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

本系統(tǒng)的定量供給系統(tǒng)中，其電路主要涉及氣動隔膜泵的空氣壓縮機、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弱電控制強電的繼電器。

表2 不同點動時長對應(yīng)點動供液實驗結(jié)果

其中空氣壓縮機在工作時間內(nèi)均處于通電狀態(tài)，氣動隔膜泵通過氣路兩位兩通閥控制啟停。控制氣動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)信號由PLC給出。

3 實驗研究

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

針對定量供給系統(tǒng)不同的點動時長，進行點動實驗。實驗時連續(xù)點動5次，并取其平均值。由于地秤的分度值在0.1 kg，如果每次點動的點動量小于0.1 kg，則該點動時長適用于本系統(tǒng)。實驗結(jié)果如表2所示。

通過以上實驗結(jié)果，最終選定點動時長為70 ms。此時每次點動的供液量小于0.1 kg，所以不會因為點動而導(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，著重針對用戶的操作方便和系統(tǒng)安全、系統(tǒng)精度，將電氣化、自動化器件應(yīng)用于本系統(tǒng)的開發(fā)，就此開發(fā)出集型號選擇、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)查和實驗驗證了設(shè)計的可行性和準確性。