徐 誠，邱棟辰，彭雪濤

（江蘇中煙工業(yè)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(yè)中的煙草物料存儲設備，其在生產(chǎn)流程中，發(fā)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(chǎn)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(chǎn)有著重要的作用，主要體現(xiàn)在：煙草存儲柜的顯示剩料量是生產(chǎn)調(diào)度人員安排生產(chǎn)計劃的重要依據(jù)，調(diào)度人員會根據(jù)剩料量信息安排當日的生產(chǎn)任務以及生產(chǎn)順序，以確保下游生產(chǎn)線不會斷料停機。若是剩料量不能夠準確顯示，調(diào)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(chǎn)線中半成品庫存數(shù)量，既不符合生產(chǎn)企業(yè)精益生產(chǎn)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(diào)度人員工作效率與企業(yè)整體生產(chǎn)效益方面具有重大意義。

1 現(xiàn)狀分析

目前絕大部分煙草工業(yè)企業(yè)對于儲存柜的剩料量計算都采用鏈板計數(shù)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(shù)一個批次感應開關感應到的鏈板數(shù)量，通過將已感應到的鏈板數(shù)量和一個批次的鏈板數(shù)量作計算就可以得出目前的剩料量。該方法結(jié)構(gòu)簡易，計算方法簡單，但經(jīng)常出現(xiàn)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(xiàn)的上下振動的現(xiàn)象。由于設備在運行時易發(fā)生振動，而金屬鏈板為軟性鏈接，因此易出現(xiàn)上下振動的現(xiàn)象。當振動現(xiàn)象恰好出現(xiàn)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(qū)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(qū)動停止后，底帶篷布存在向后收縮的現(xiàn)象，當恰好有底帶鏈板在收縮過程中經(jīng)過感應開關時，則會導致感應開關的多感現(xiàn)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(qū)動底帶電機，再由底帶電機帶動鏈條，驅(qū)動底帶將煙草物料從存儲柜的一端送出。根據(jù)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(qū)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(gòu)建一種以變頻器數(shù)據(jù)為基礎的煙草存儲柜剩料量計算方法。該方法的優(yōu)勢：僅需要在丹佛斯變頻器中讀取相應數(shù)據(jù)，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?shù)木取?/p>

2.1 能量模型構(gòu)建

根據(jù)煙草物料存儲柜的運行方式可知，在一整個周期中，電機驅(qū)動軸做功減去傳動過程中的損耗，應當?shù)扔隍?qū)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(chǎn)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(shù)；W電機軸上總功為電機驅(qū)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(nèi)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(zhì)量；m 為每份煙草物料質(zhì)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(shù)；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(qū)動軸所做功；M物料為存儲柜中煙草物料的總質(zhì)量；M底帶為底帶質(zhì)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(shù)；r 為鏈輪半徑；L 為一周期內(nèi)底帶前進的總長度；K傳動為為傳動系數(shù)；K系數(shù)為等式中固定常數(shù)所決定的綜合系數(shù)。

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(qū)動軸所做功；M物料為存儲柜中煙草物料的總質(zhì)量；M底帶為底帶質(zhì)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(nèi)底帶前進的總長度；K系數(shù)為等式中固定常數(shù)所決定的綜合系數(shù)。

2.2 PLC 程序設計

2.2.1 關鍵參數(shù)計算程序

根據(jù)上述等式計算剩料量計算，就必須要解決關鍵參數(shù)K系數(shù)與底帶質(zhì)量M底帶的計算問題。對于關鍵參數(shù)K系數(shù)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(zhì)量；M2為第二次時存儲柜中總質(zhì)量；M底帶為底帶質(zhì)量；L 為一周期內(nèi)底帶前進的總長度；K系數(shù)為等式中固定常數(shù)所決定的綜合系數(shù)。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(shù)，因此可以很容易求出關鍵參數(shù)K系數(shù)。而在得出K系數(shù)之后，便可以求得底帶質(zhì)量M底帶的數(shù)值。具體程序如圖1 所示。

圖1 關鍵參數(shù)計算程序

2.2.2 剩料量計算程序

在求得關鍵參數(shù)與相應數(shù)據(jù)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(jié)果與討論

3.1 結(jié)果驗證

為了驗證剩料量功能，采用剩料量顯示值與現(xiàn)場估算值比對的方式對剩料量運行情況進行驗證，實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) %

3.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并不能完全擬合實際數(shù)值，而實驗數(shù)據(jù)在實際數(shù)據(jù)周圍附近呈現(xiàn)出沒有規(guī)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(shù)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(jù)其內(nèi)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(tài)、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(shù)據(jù)，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)的基本需要，且不會出現(xiàn)突然整體失效的情況，因此具有較高的可靠性。

4 結(jié)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(shù)據(jù)。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(nèi)物料分布狀態(tài)、機械設備磨損情況、變頻器提供數(shù)據(jù)誤差等因素的影響。