陳華斌

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蕪湖卷煙廠，安徽蕪湖 241003）

0 引言

流量是卷煙制絲工藝的重要過程控制指標，實物流量穩(wěn)定性是制絲線加工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前，原料自身容重特性的大差異和工藝設(shè)計對流量控制范圍的寬要求，超出了傳統(tǒng)計量管設(shè)備的性能：①容重差異，蕪湖卷煙廠葉片預(yù)處理段葉片以單等級形式通過加料前計量設(shè)備，單等級葉片之間容重差異大（極差2～3 倍），導(dǎo)致電子秤皮帶速率變化超出設(shè)備規(guī)定的極限范圍，葉片流量控制精度產(chǎn)生波動；②流量差異，蕪湖卷煙廠梗絲摻配比例范圍跨度大，摻配流量極差將近9 倍，是提升輔料摻配精度的一大技術(shù)瓶頸。

擬研發(fā)一種新型自調(diào)節(jié)容積式計量管，采用合理的機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)計量管出料高度與厚度同步可調(diào)的功能。提出根據(jù)電子皮帶秤速率信號來調(diào)節(jié)計量管的容積變化，實現(xiàn)計量管的在線流量實時精確控制，具有容重、流量變化的自適應(yīng)能力，能夠消除因原料容重變化、流量變化造成的流量波動和斷流現(xiàn)象，提高了制絲線過程加工流量控制精度。

1 流量控制理論

制絲線典型流量控制系統(tǒng)主要由喂料機、計量管、電子皮帶秤三大設(shè)備組成：喂料機用于供應(yīng)物料，保證來料的充足；計量管用于限制體積流量；電子皮帶秤用于計量和控制質(zhì)量流量。

（1）電子皮帶秤。電子皮帶秤是一種質(zhì)量流量控制裝置。利用杠桿原理，在連續(xù)運行的皮帶下面安裝杠桿裝置，杠桿的承載面是滾筒，當(dāng)皮帶在上面走過時，減少皮帶與承載面摩擦造成的計量誤差。當(dāng)物料經(jīng)過時，計量托輥檢測到皮帶機上的物料重量通過杠桿作用于稱重傳感器，產(chǎn)生一個正比于皮帶載荷的電壓信號。在電子皮帶秤上有一個稱重傳感器裝在稱重框架上，工作時，將檢測到皮帶上的物料重量送入稱重儀表，同時由測速傳感器測量皮帶輸送機的速度信號也送入稱重儀表，儀表將速度信號與稱重信號進行積分處理，得到瞬時流量及累計量。制絲線上的電子皮帶秤，普遍采用雙托輥雙傳感器稱量形式，稱量框架用高精度的十字扭簧支撐，設(shè)有皮帶自動張緊機構(gòu)，能自動調(diào)節(jié)皮帶所需的張力和位置，非接觸式智能糾偏系統(tǒng)執(zhí)行糾偏更加可靠。

（2）計量管。計量管又稱限量管，是一種體積流量控制裝置，計量管的兩側(cè)配有光柵/光電管，根據(jù)光柵/光電管的高度控制喂料機提升帶進料的速度，保證計量管始終保持充足高度的物料，從而確保出料高度的均勻一致。從外觀看，計量管相當(dāng)于一個長方體的開口容器，其容積相對恒定，單位時間內(nèi)通過的體積取決于電子皮帶秤的帶速，因此是一種恒體積控制裝置。

（3）流量控制原理。根據(jù)電子皮帶秤和計量管的工作原理，典型流量控制系統(tǒng)的流量Q（t）=q（t）v（t）=whρ（t）v（t）。其中，q 是稱量區(qū)間內(nèi)單位長度皮帶上的重量；v 是皮帶運行的速率，以下簡稱帶速；w 是計量管的寬度；h 是計量管的出料高度；ρ 是物料容重，即單位體積的物料質(zhì)量；t 是時間。

2 實際應(yīng)用

根據(jù)物料的自身容重特性和工藝設(shè)定流量情況，分析流量控制原理在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

2.1 容重差異大的批內(nèi)生產(chǎn)

物料流量Q 依據(jù)牌名的工藝標準設(shè)定，計量管寬度w 為固定值，出料高度h 相對固定，有=定值，即容重ρ和電子皮帶秤帶速v 成反比關(guān)系。換言之，為保證流量恒定，各組分容重ρ 的變化，依靠電子皮帶秤調(diào)節(jié)帶速v 的變化來控制，容重越大，帶速越小；反之，容重越小，帶速越大。但是電子皮帶秤帶速是有一定線性區(qū)間范圍的，過大或過小都不利于稱量的控制。尤其是容重過小，就會出現(xiàn)電子皮帶秤以最高速率運行，仍無法達到設(shè)定流量的現(xiàn)象，造成瞬時流量大幅波動。低容重?zé)熑~下降時重力不足，物料垂直下落的速度，一旦跟不上電子皮帶秤上物料水平移動的高速度，就很容易導(dǎo)致物料架空，造成堵料斷流。

2.2 流量差異大的批間生產(chǎn)

依據(jù)工藝標準可知，不同牌名的物料流量Q 設(shè)定值不同，計量管寬度w 為固定值，出料高度h 相對固定，分以下兩種情況分析：

（1）如果批間牌名更換時，流量大幅變化，容重相同或接近，則為定值。即物料流量Q 和電子皮帶秤帶速v 成正比關(guān)系。換言之，不同牌名物料流量Q的變化，依靠電子皮帶秤調(diào)節(jié)帶速v 的變化來控制，流量越小帶速越?。环粗?，流量越大帶速越大。同樣，若是流量增幅過大，就可能會出現(xiàn)電子皮帶秤以最高速度運行，仍無法達到設(shè)定流量的現(xiàn)象，造成流量大幅波動。

（2）如果批間牌名更換時，流量大幅變化，容重也有變化，則為定值。當(dāng)Q 和ρ 同向變化，變化幅度一致或接近時，基本不變，則電子皮帶秤在許可帶速范圍內(nèi)自動運行。當(dāng)Q 和ρ 反向變化，且變化幅度較大時，若取得一個相當(dāng)小的值，即牌名更換為一種小流量且高容重物料時，電子皮帶秤帶速就會處于極低的速率，不利于設(shè)備的穩(wěn)定運行；若取一個相當(dāng)大的值，即牌名更換為一種大流量且低容重物料時，電子皮帶秤可能會以最高速度運行，仍無法達到設(shè)定流量，導(dǎo)致流量大幅波動。

2.3 流量控制研究結(jié)論

結(jié)合生產(chǎn)的流量控制理論分析，可以得出當(dāng)前流量控制存在的不足：①批內(nèi)生產(chǎn)，小容重組分存在電子皮帶秤速度超限風(fēng)險，這是牌名內(nèi)低容重組分煙葉流量控制不穩(wěn)定和計量管堵料斷流的原因；②批間生產(chǎn)，流量增幅過大存在電子皮帶秤速度超限風(fēng)險，這是低容重?zé)熑~受流設(shè)定量影響大的原因所在。

3 新型流量控制原理設(shè)計

傳統(tǒng)流量控制單一依靠電子皮帶秤的速度的調(diào)節(jié)功能來實現(xiàn)，存在的問題是一旦物料的容重和流量產(chǎn)生大幅變化，就超出了電子皮帶秤的調(diào)節(jié)范圍，無法滿足流量控制要求。依靠更換電子皮帶秤的減速機，提高電子皮帶秤帶速的工作范圍，是一種改進思路，雖然能緩解低容重物料大流量生產(chǎn)存在的問題，但是會帶來負面問題，高容重物料小流量生產(chǎn)時，電子皮帶秤的變頻器就會工作在極低的頻率，存在設(shè)備損壞的危險，得不償失。綜合考慮，只有讓電子皮帶秤工作在其帶速設(shè)計范圍的中間區(qū)域，才是最優(yōu)選擇。本項目設(shè)定電子皮帶秤帶速的最佳工作范圍為最大帶速vmax的50%～80%，由Q（t）=whρ（t）v（t），在限定了帶速v 的最佳范圍后，進一步作如下設(shè)計分析∈［0.5vmax，0.8vmax］。

（1）對于容量差異大的批內(nèi)情形。在帶速v 的范圍確定的前提下，隨著ρ 的大幅變化，若要持續(xù)保持流量Q 的穩(wěn)定，則需增加一個調(diào)節(jié)變量來抵消容重ρ 的大幅變化。物料流量Q 是工藝標準確定的，影響生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，不可更改；容重ρ 是物料自身的物理特性，無法更改。因此，只有從計量管的技術(shù)參數(shù)上尋找突破口，由于電子皮帶秤的寬度固定，與其銜接的計量管寬度w 相應(yīng)就無法調(diào)整，因此只能依靠調(diào)節(jié)計量管的出料高度h，才能確保電子皮帶秤的帶速v 不超限。

（2）對于流量差異大的批間情形。隨著流量Q 的大幅變化，若要保證帶速v 保持在最佳工作范圍內(nèi)，也需要增加一個變量來抵消流量和容重的變化。

在以上分析的基礎(chǔ)上，提出一種新型流量控制原理，將傳統(tǒng)流量控制方式中的計量管出料高度，由一個定值h 轉(zhuǎn)化為一個變量h（t），由此提出新型流量控制原理計算式：Q（t）=wh（t）ρ（t）v（t）。即：將傳統(tǒng)流量控制由單一地依靠電子皮帶秤帶速調(diào)節(jié)的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娮悠С訋俸陀嬃抗芨叨裙餐{(diào)節(jié)，豐富了流量控制的手段，也彌補了傳統(tǒng)流量控制的不足。

4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動精確調(diào)整出料高度，是需要設(shè)計研發(fā)新型計量管才能實現(xiàn)的。為了滿足設(shè)計需求，需依據(jù)新型流量控制原理來設(shè)計新型計量管的機械結(jié)構(gòu)，重點是設(shè)計容積可變結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)型計量管在生產(chǎn)時，出料高度是相對固定的，其內(nèi)部容積是相對固定的。根據(jù)新型流量控制原理要求，通過計量管出料高度的變化，實現(xiàn)計量管存料量可變或出料量可變，使得計量管由傳統(tǒng)的恒體積控制裝置，轉(zhuǎn)變?yōu)樽凅w積控制裝置。為此選定雙滑塊結(jié)構(gòu)作為新型計量管的容積可變結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)計量管的出料高度和計量管厚度同步、同幅可調(diào)，既能起到排料、壓料作用，又能滿足流量控制要求。

5 電控系統(tǒng)設(shè)計

采用帶正反轉(zhuǎn)及速度調(diào)節(jié)功能的減速電機作為驅(qū)動機構(gòu)，固定在壓輥高度可調(diào)節(jié)的驅(qū)動軸上；在壓輥高度行程上安裝上下限位開關(guān)，防止超調(diào)。生產(chǎn)過程中，如果電子皮帶秤帶速處于最佳工作范圍內(nèi)，則依靠電子皮帶秤自身調(diào)節(jié)；如果帶速調(diào)到設(shè)定極限依然滿足不了流量要求，則控制驅(qū)動電機導(dǎo)通一定時間，抬高或壓低壓輥高度，然后檢測帶速變化，如帶速回到合理范圍內(nèi)，則停止調(diào)節(jié)，否則繼續(xù)調(diào)節(jié)壓輥高度，直至觸發(fā)極限位。依據(jù)新型流量控制原理以及速度調(diào)節(jié)優(yōu)先的控制原則，提出一種新型流量控制方法：當(dāng)物料容重或流量變化時，系統(tǒng)檢測電子皮帶秤帶速，如在最佳范圍內(nèi)，依靠電子皮帶秤帶速自動調(diào)節(jié)來保持流量穩(wěn)定；如大于最佳范圍的上限，增大出料高度直至帶速回到最佳范圍內(nèi)；如小于最佳范圍下限，減小出料高度直至帶速回到最佳范圍，如此往復(fù)調(diào)節(jié)。

6 結(jié)語

研究取得了可觀的質(zhì)量效益，在初始的超低容重組分生產(chǎn)時，項目實施前有明顯的流量顯著下降的現(xiàn)象，項目實施后這一現(xiàn)象得到徹底消除，新型計量管發(fā)揮了在線流量調(diào)節(jié)作用。計量管的截面由傳統(tǒng)計量管上下等寬的矩形變成了上窄下寬的梯形，由于計量管的容積變化，同樣流量的低容重物料通過電子皮帶秤的水平速度降低，而且始終控制在合理的范圍內(nèi)，使得計量管內(nèi)物料下落速度和電子皮帶秤上物料的水平速度能夠更好地匹配，堵料風(fēng)險也大幅降低。

鑒于新型計量管的應(yīng)用取得了良好的實際效果，制絲線梗絲摻配工序亟需應(yīng)用這一成果。梗絲摻配電子皮帶秤作為配比秤，實時跟蹤葉絲主秤的流量，按照摻配比例實施計算梗絲摻配流量。由于梗絲摻配的比例跨度大，根據(jù)工藝標準，蕪湖卷煙廠梗絲摻配的流量范圍在350～3000 kg/h，最小流量與最大流量相差近9 倍，由于傳統(tǒng)型計量管只能依靠電子皮帶秤的帶速變化來吸納流量變化，而梗絲摻配流量變化的跨度較大，要想通過一臺電子皮帶秤來實現(xiàn)，就需要讓電子皮帶秤的變頻器在5 Hz 的頻率左右工作，才能滿足小流量的生產(chǎn)要求，大大增加了設(shè)備損壞的風(fēng)險。該設(shè)計開發(fā)的新型計量管，可以推廣應(yīng)用到梗絲摻配工序，具體應(yīng)用方法：由電子皮帶秤帶速變化吸納流量的變化4 倍左右，再依靠計量管出料高度的調(diào)節(jié)來吸納剩下2 倍左右的流量波動，這樣就能實現(xiàn)梗絲摻配流量的良好控制。