烟丝秤流量自动控制系统的研究

洪凯强，王淼森，陈荣峰，侯明涛，张红梅

(1.广东中烟工业有限责任公司广州卷烟厂，广东 广州 510385； 2.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州450002)

烟丝秤流量自动控制系统的研究

洪凯强1，王淼森2，陈荣峰1，侯明涛2，张红梅2

(1.广东中烟工业有限责任公司广州卷烟厂，广东 广州 510385； 2.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州450002)

为解决卷烟制丝生产线由于设定值与实际来料流量之间存在差异，导致经常发生烘丝段设备防堵料停机或掺配加香段断流等影响生产的问题。根据实际生产工艺，通过估算喂料机内的实际烟丝存量，根据配方参数确定其控制值，增大喂料机烟丝极限装存量以及在一定条件下提前结束喂料机预填充状态等方法，提出了自动控制的解决方案。该控制系统通过SIMULINK模拟仿真获得较佳控制参数。进而在PLC中编制了自动控制程序并在实际生产应用。实际应用表明烘丝段和掺配加香段的生产变得更加顺畅和紧凑，提高了生产效率和减少了工人的劳动强度。

烟丝秤；喂料机；自动控制；仿真

在烟草制丝生产线上，流量控制一般采用控制型电子皮带秤加喂料机、计量管的恒流量供料控制系统，以实现对物料流量的有效控制[1]。由于烘丝机在生产过程中停机会对烟丝水分造成较大影响，而加香机的入口烟丝流量波动直接影响烟丝加香均匀性，所以烘丝机和加香机入口的恒流量供料控制系统的流量稳定显得尤为重要。在制丝生产线上，烘后烟丝掺配后就直接进入加香机加香。烘后烟丝流量和加香前烟丝流量匹配是制丝生产中的一项重要技术问题。一些企业先后对该系统的喂料仓、计量管、皮带秤等部件或控制参数进行了改进，主要是提高皮带秤传感装置灵敏度和喂料仓的供料能力，以解决皮带秤计量准确性低和供料不足引起的断料等问题[2]。林天勤[3]在加香前的喂料机上增加布料小车，对喂料机料斗进行改造并对皮带秤流量设定值采用程序自动调节逼近烘后流量的控制方式。闫文选[4]针对烟丝直接送至无布料小车的加香前喂料机提升带与底带的结合处的设备结构，对加香前喂料机进出料延时时间、底带反转步进时间和光电控制程序进行了改进，解决了生产过程中喂料机内暂存物料量不稳定的情况，保证了提升物料的均匀性，同时也解决了生产过程中由于喂料机内进料量和出料量不一致而造成的堵料或物料跟不上的问题，保证了生产的连续性。本研究在现有的生产设备工艺基础上，根据生产实际，通过估算喂料机内的实际烟丝存量，以配方参数确定控制值，增大喂料机烟丝极限装存量等方法，提出了自动控制的解决方案，以达到提高生产效率和减少工人劳动强度的目的。

1 制丝的生产工艺

现有制丝生产线烘丝至掺配加香段工艺流程如图1所示(忽略皮带输送机、振槽等输送设备)。整个工艺流程由为烘丝段，掺配加香段和缓冲区域3个部分组成，主机是由HAUNI公司的KLD-2烘丝机和BWE型电子皮带秤、昆船公司的SJ238B型加香机等设备组成，电控系统采用西门子S7 300/400 PLC进行控制。

图1 制丝车间烘丝-掺配加香段的工艺流程Fig.1 General view from drying segment toblending and flavoring segment

在烟草制丝中，喂料机在工序间主要起到暂存、缓冲和稳定物料流量的作用[5]。喂料机、计量管、叶丝皮带秤组成一个制丝线上常见的恒流量控制系统(图2)，喂料机由喂料仓和提升带组成，工作时，喂料仓底带把物料向提升带输送，提升带将物料提升到一定高度后送出至计量管[6]，皮带秤控制烟丝流量，计量管上的光电开关检测物料高度以控制提升带启停，保证供料稳定。

1.喂料仓；2.提升带；3.计量管；4.电子皮带秤；5.料位检测光电开关；6.底带控制光电开关；7.底带。1.Feeder box；2.Steep angle belt；3.Metering tube；4.Metering weighbelt；5.Photoelectric sensors for metering tube；6.Photoelectric sensors for bottom belt；7.Bottom belt.

当喂料机内当前批次的烟丝清空时，系统发出允许烘丝段开始下一批次生产的信号，烘前皮带秤开始投料：烟丝进入烘丝机烘干，HDT皮带秤根据烘后皮带秤的瞬时流量按配方比例进行掺配，掺配后的混合烟丝经风选机充分混合后输入到喂料机中进行预填充。当喂料机预填充完毕且掺配加香段发出允许生产的信号后，喂料机开始出烟。该喂料机在2个工艺段中起缓冲作用。在掺配加香段，梗丝、膨丝根据叶丝秤的瞬时流量按配方比例进行掺配，加香机根据加香前皮带秤的流量按配方比例添加香精，加香后的烟丝进入贮柜存放。

在烘丝、掺配加香工艺段中，烘后皮带秤和加香前皮带秤是计量型电子皮带秤，其它都是恒流型皮带秤，其中烘前皮带秤、叶丝皮带秤的设定流量是人工设定的，其它恒流型皮带秤的设定流量由PLC根据配方参数自动调节。由于烘后烟丝流量呈现无规律的波动[7]，一般在5 000～8 000 kg·h-1之间，叶丝秤的设定流量需要估算烘丝段的烟丝流量(根据烘前皮带秤设定流量、烘丝前后水分、HDT掺配比例、风选机损耗等因素进行预判)及目测喂料机内的烟丝量凭经验进行调节。如果设定固定流量，虽有喂料机作缓冲，但要么设定流量值比实际流量小，导致堵料停机，要么设定值比实际流量大，烟丝不够[3]。由于喂料机上游工序为烘丝段，堵料会造成烘丝机在生产中停机，影响产品质量；下游工序是加香机，影响其加香均匀性的首要因素就是物料流量的均匀性。所以保持喂料机不堵料、不缺料是保证生产连续性、流量稳定性的关键[4]。

在实际生产中，首先人工将叶丝秤流量设为大于烘丝段烟丝平均流量约500～1 000 kg·h-1的较高值，目的是使喂料机内的烟丝量快速减少又不至于令下游设备塞烟，避免喂料机内的烟丝量过多而导致烘丝段设备防堵料停机；生产一段时间后，目测喂料机内的烟丝量减少到一定程度时，再将叶丝秤流量调整为较接近烘丝段烟丝的平均流量。在生产过程中，经常出现需要多次调节以减少出现堵料停机或缺料的情况，但由于人的主观性、操作的滞后性等原因，这些问题时有发生，直接影响生产效率和产品质量。

2 改进方案及模拟仿真

2.1制定自动控制策略

为避免人工调节烟丝流量时的随意性造成了不良后果，本研究主要对烟丝流量采用自动控制方法并对设备进行了改进。首要任务就是要掌握上下游设备的生产状态，进而采取有效的控制手段。根据设备的实际情况，对整个控制程序的设计包括了如下4个方面：

(1)获取喂料机内的实时烟丝存量T喂料机。利用烘后皮带秤的累积量T烘后、HDT掺配比例PHDT、

烟丝从烘后皮带秤输送到喂料机入口所需要的时间t和叶丝皮带秤的累积量T叶丝，可用程序计算出：

(1)

(2)确定叶丝秤流量设定值及控制策略。根据烘前烟丝流量T烘前、烘丝前烟丝水分M烘前、烘丝后烟丝水分M烘后、HDT掺配比例PHDT、风选机损耗系数K(多个批次的平均值)可估算出烘丝段输出的烟丝流量平均值：

(2)

为避免掺配后的烟丝流量过大导致下游设备塞烟，需要根据香前秤的最大生产能力F加香料前秤max、梗丝掺配比例P梗丝、膨丝掺配比例P膨丝对叶丝秤流量上限F叶丝max进行限制：

(3)

图3 叶丝秤流量自动控制方案示意图Fig.3 General view of the automatic control for the mass flow of cut tobacco

(3)通过调节喂料机的入口满料电眼位置并根据HDT的掺配比例在程序上设置不同的喂料机满料电眼遮挡到底带前进的延时时间[4]，增大喂料机的各牌号烟丝极限装存量至650 kg左右，延长缓冲时间(至少需要6 min)，才能满足转换牌号时的要求。

(4)当掺配加香段已发出允许生产的信号、喂料机内已有一定量的烟丝但尚未预填充完毕时，强制将喂料机的状态转为预填充完毕，立即出烟到掺配加香段开始下一批次的生产，可有效控制喂料机内的烟丝量。

叶丝秤流量自动控制程序流程图如图4所示。

图4 叶丝秤流量自动控制程序框图Fig.4 Block diagram of mass flow automatic control ofcut tobacco metering weighbelt

2.2自动控制方案的模拟仿真及实际应用效果

从图5中可看出，采用自动控制技术后呈现下列3个优点：(1)自动控制的叶丝秤流量峰值比人工设定峰值低约500 kg·h-1，减少了下游工序塞烟的可能性；(2)当生产HDT比例为11.11%的牌号时，改进前喂料机的存量上限约500 kg，改进后增加约150 kg，改进前的缓冲时间约330 s，改进后增加约75 s，可大幅减少因喂料机满载而导致烘丝段防堵料停机的几率；(3)喂料机内的烟丝存量得到有效控制，不会出现存料量过少而导致的流量波动情况。在生产的尾段，喂料机内的烟丝量控制在200 kg左右，比改进前少约150 kg，可提前64 s结束该批次的生产。

图5 人工控制与自动控制系统仿真对比Fig.5 Manual control and automatic control system simulation comparison chart

2.3自动控制方案的扩展

(4)

随机抽取某牌号1个月内10个批次的电子秤有烟时间进行统计，记录其烘前、烘后电子秤有烟的开始、结束时间，计算皮带秤有烟时间并求平均值。

表1 烘丝前、烘丝后电子秤有烟开始、结束、持续时间统计表

图6 估算烘后烟丝累积量与实际烘后烟丝累积量对比Fig.6 Estimated dried tobacco and actual dried tobaccocumulative weight comparison chart

由图6可见，估算值与实际值在162 s处偏差达到最大约70.58 kg并逐渐降低，在295 s时偏差比例降至15.46%，此时实际烘后烟丝累积量为401.97 kg，折算累积量为464.10 kg，所以估算值能替代实际值进行叶丝秤的流量自动控制。将估算的烘后烟丝累积量在SIMULINK中进行模拟仿真，得到了与采用烘后电子秤数据几乎一致的控制效果。

3 结语

在卷烟生产制丝工艺中，物料的连续、稳定供应是保证产品质量的重要前提，因此对物料的流量进行有效的控制，实现上下游设备流量匹配，防止物料堵塞或供应不足，对高生产效能有重要的作用。针对制丝切烘段至掺配加香段物料流量自动匹配控制进行模拟试验分析，直接采用“皮带秤-喂料机-皮带秤”工艺设备中皮带秤的测量数据计算出喂料机内的物料量，可实现对下游皮带秤的流量自动匹配控制；针对“皮带秤-主机-喂料机-

皮带秤”这样的设备结构，根据物料水分的增减、物料的摊薄、物料的损耗等因素对进入喂料机的物料量进行折算并模拟仿真，取得了较好的控制效果，总结制定出一套较为通用的控制技术方案。这一流量自动控制方案可显著降低制丝生产线的堵料、缺料几率，提高产品质量。

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(责任编辑：蒋国良)

Researchontheautomaticcontrolsystemofcuttobaccometeringweighbelt

HONG Kaiqiang1, WANG Miaosen2,CHEN Rongfeng1,HOU Mingtao2, ZHANG Hongmei2

(1.Guangzhou Cigarette Factory, China Tobacco Guangdong Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510385，China； 2.Mechanical and Electrical Engineering College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 45002，China)

The mass flow set point of cut tobacco metering weighbelt in blending and flavoring segment of tobacco primary processing line is manual controlled, anti-block shutdown in drying segment and discontinuous of mass flow in blending and flavoring segment comes up frequently due to the mismatch between set point and actual flow of upstream tobacco mass flow. According to the characteristics of current equipment, four aspects of modification are applied as follows:calculating the actual weight of tobacco in feeder,developing mass flow control plan of cut tobacco metering weighbelt, determining the control parameter according to the recipe, increasing the feeder limited stock,terminating the pre-filling state of feeder when certain conditions are met. The plan is simulated in SIMULINK to get preferred control parameters. Besides, we write control program in the PLC and put it into use, which not only made the producing process become smooth and compact, but also improved the production efficiency and reduced labor intensity.

metering weighbelt of cut tobacco；feeding machine；automatic control；simulation

2016-01-12

河南省烟草公司科技项目( 330754)

洪凯强(1984-)，男，广东梅县人，工程师，硕士，主要从事烟草加工机械方面研究。

张红梅(1973-)，女，河南驻马店人，副教授，硕士生导师。

1000-2340(2016)03-0494-06

TS45

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