梗絲氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

摘要：通過對原有氣力輸送系統(tǒng)存在的問題進行分析，提出在原有風(fēng)送系統(tǒng)上進行基于ＰＬＣ的在線變頻控制改進，并在優(yōu)化控制檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上由現(xiàn)場試驗方法得出梗絲氣力輸送的關(guān)鍵參數(shù)——輸送風(fēng)速的最優(yōu)值，從而穩(wěn)定和提高了煙廠梗絲加工質(zhì)量，同時降低了能源消耗，并展望了其推廣使用價值。

關(guān)鍵詞：梗絲質(zhì)量；輸送風(fēng)速；變頻控制；ＰＬＣ；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：ＴＨ１３８文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）14－2970-03

Ｏｐｔｉｍｉｚｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｍｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ

ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ，Ｌ?譈 Ｚｈｏｎｇ－ｃｈｕａｎｇ，ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ－ｈｕａ，ＹＡＮＧ Ｈｕａｎ－ｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｅ－ｊｕｎ

（Ｗｕｈａｎ Ｃｉｇａｒｅｔｔｅ Ｆａｃｔｏｒｙ， Ｈｕｂｅｉ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｏｂａｃｃｏ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００５１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｗｉｎｄ－ｓｅｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｓｔｅｍ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｔｅｍｓ ｓｉｌｋ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ； ｗｈｉｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎａｌ ｖａｌｕｅ ｗａｓ ｖｉｅｗｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｔｅｍ ｑｕａｌｉｔｙ； ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ； ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ； ＰＬＣ； ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

與其他的輸送方式相比，氣力輸送結(jié)構(gòu)簡單、管道布置靈活操作和維修方便，特別是在車間內(nèi)部應(yīng)用時可以將輸送過程與工藝過程相結(jié)合，簡化工藝過程和設(shè)備［１］，還能實現(xiàn)松散、去雜、降低水分等制煙工藝目的，已逐漸成為卷煙廠的專業(yè)設(shè)備。

１原系統(tǒng)存在問題分析

目前武漢卷煙廠梗絲氣力輸送系統(tǒng)工藝流程如圖１所示。由圖１可知，烘梗絲機出來的梗絲經(jīng)Ｍ１４振動輸送機送入風(fēng)選室，風(fēng)選室的作用主要是將雜物風(fēng)選篩除并將梗絲松散，而且方便操作人員觀察梗絲風(fēng)送情況，在離心風(fēng)機Ｍ１０的作用下，梗絲通過管道在落料器Ｍ４５處落下進入下一個工序。

原系統(tǒng)的調(diào)節(jié)主要是變閥控制，即依靠維修人員對離心風(fēng)機進風(fēng)管道上的閥門的開度進行手動調(diào)節(jié)來達到改變管道內(nèi)梗絲風(fēng)送速度。但這種調(diào)節(jié)方式存在著以下幾個缺點：①模糊性。由于梗絲類別的不同，根據(jù)生產(chǎn)工藝加工出來的梗絲水分也略有不同，即風(fēng)送顆粒的重量不同，此時相應(yīng)的輸送風(fēng)速也不一樣，但目前沒有在線速度或流量的檢測儀器，只能靠操作員的感官來判斷風(fēng)送的質(zhì)量，沒有一個具體的指標來衡量風(fēng)送的優(yōu)劣。②操作性差。舊系統(tǒng)采用管道中加手動風(fēng)門進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)一般是在風(fēng)機開啟的情況下進行的，風(fēng)阻大維修人員調(diào)節(jié)不方便且風(fēng)速范圍不易把握。③不穩(wěn)定性。由于梗絲類別的不同，對風(fēng)送要求也不一樣。在風(fēng)門不變的情況下設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)生變化（除塵布袋不透氣、風(fēng)選室網(wǎng)板堵塞等）也會帶來風(fēng)速的變化。④能耗大。由于風(fēng)門要調(diào)節(jié)，所以風(fēng)門的開度不會全開，一般在７０％到９０％之間，但風(fēng)機的功率基本不變，存在著虛耗電能的現(xiàn)象，而風(fēng)機類設(shè)備一般功率比較大，耗電量大。

以上缺陷具體反映在梗絲加工生產(chǎn)中，就是當(dāng)風(fēng)送效果不理想時需要較長的時間調(diào)節(jié)且調(diào)節(jié)精確度差，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。并且對于不同類別的梗絲沒有一個可掌握的工藝指標和可視化的監(jiān)控手段，造成梗絲風(fēng)送質(zhì)量不穩(wěn)定，且不易控制。

２優(yōu)化原理及改造方案

根據(jù)氣力輸送的相關(guān)理論和試驗優(yōu)化理論，卷煙廠氣力輸送系統(tǒng)的應(yīng)用好壞，主要有兩個衡量指標：能耗、輸送后的煙絲的質(zhì)量。其中，能耗的相關(guān)理論現(xiàn)在已經(jīng)很完善了，能耗指標可以用整個管道的壓降來衡量，壓降越小，能耗越低［２］。輸送后的煙絲的質(zhì)量主要是根據(jù)煙絲的造碎度來衡量。造碎度在卷煙廠是通過整絲率和碎絲率來分析和比較的。借鑒國內(nèi)氣力輸送在相似領(lǐng)域中的經(jīng)驗，選定輸送風(fēng)速和輸送比作為控制因子，其中以煙絲的造碎度作為主要的優(yōu)化指標。

在梗絲風(fēng)送工序上，其主要工序任務(wù)是剔除梗簽和梗絲內(nèi)的雜物，其重要指標為風(fēng)選室內(nèi)風(fēng)速。實踐證明風(fēng)選室風(fēng)速在４ ｍ／ｓ左右時才能達到剔除梗簽輸送梗絲的要求，風(fēng)速過高，選不出雜物，風(fēng)速過低，帶不走物料。但在實際生產(chǎn)過程中，此風(fēng)速常因整個系統(tǒng)因素不斷變化要通過調(diào)整才能保證，如除塵布帶阻力變化、系統(tǒng)漏風(fēng)等，這些都是不可避免也很難及時調(diào)整的干擾因素。當(dāng)調(diào)節(jié)不及時或來料情況變化時，就會出現(xiàn)風(fēng)速過高造碎大或風(fēng)速過低帶不走物料兩種情況發(fā)生，為了避免這種情況，我們作出如下改進，試圖通過在線ＰＬＣ變頻控制來彌補系統(tǒng)變化，以保證風(fēng)選速度。

２．１能耗優(yōu)化

將原系統(tǒng)的變閥控制改為變頻控制，變閥調(diào)節(jié)就是利用改變管道閥門的開度，來調(diào)節(jié)風(fēng)機的流量。變閥調(diào)節(jié)時，風(fēng)機的功率基本不變，風(fēng)機的性能曲線不變，而管道阻力特性曲線發(fā)生變化，風(fēng)機的性能曲線與新的管道阻力特性曲線的交點處就是新的工作點。

變頻調(diào)節(jié)就是利用改變性能曲線方法來改變工作點，變速調(diào)節(jié)中沒有附加阻力，是比較理想的一種調(diào)節(jié)方法。通過變頻器改變電源的工作頻率，從而實現(xiàn)對交流電機的無級調(diào)速。風(fēng)機采用變速調(diào)節(jié)時，其效率幾乎不變，流量隨轉(zhuǎn)速按一次方規(guī)律變化，而軸功率按三次方規(guī)律變化。同時采用變頻調(diào)節(jié)，可以降低風(fēng)機的噪聲，減輕磨損，延長使用壽命。風(fēng)機軸功率Ｐ＝ＫｐＱＨ／ηf，式中，Ｐ——軸功率，Ｑ——流量，Ｈ——壓力，ηf——風(fēng)機效率，Ｋｐ——計算常數(shù)；流量、壓力、軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：Ｑ１／Ｑ２＝ｎ１／ｎ２；Ｈ１／Ｈ２＝（ｎ１／ｎ２）２；Ｐ１／Ｐ２＝（ｎ１／ｎ２）３。

電機以定速運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量典型的方法是采用擋板控制。根據(jù)擋板在風(fēng)道中的安裝位置可分為出口擋板控制和入口擋板控制，采用擋板控制時，當(dāng)擋板關(guān)小則增加風(fēng)阻，且不能在寬范圍調(diào)節(jié)風(fēng)量。例如，要求風(fēng)量在８０％的情況下，電機消耗的功率約為９０％，能量損失嚴重。風(fēng)機在變速狀態(tài)下運行，保持擋板全開，通過改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量，采用變頻控制時，電動機消耗的功率＝（８０％）３≈５０％，與其他控制相比，轉(zhuǎn)速控制的節(jié)電效果十分明顯。

２．２風(fēng)速優(yōu)化

從理論上講，輸送風(fēng)速只要大于物料粒子的沉降速度，物料就能被吹動，但生產(chǎn)實踐證明風(fēng)送系統(tǒng)的風(fēng)速有時要大于沉降速度的數(shù)倍甚至十倍方能正常工作，否則物料在管底沉積易造成管路堵塞，但風(fēng)速過高會增加梗絲水分的散失和造碎，達不到剔除梗簽和雜物的效果，而且會增加系統(tǒng)的阻力，還會加劇管道的磨損和動力消耗，并增加噪音。因此風(fēng)速應(yīng)適當(dāng)選取，根據(jù)流體力學(xué)的原理［３］和我廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，為保證風(fēng)分箱４ ｍ／ｓ風(fēng)選速度，回風(fēng)管風(fēng)速為１５～２２ ｍ／ｓ為佳。

２．２．１控制系統(tǒng)改造在梗絲風(fēng)送的回風(fēng)管道上增加風(fēng)速檢測儀器（帶模擬量４～２０ ｍＡ輸出），這是由儀器的安裝環(huán)境所決定的，因為回風(fēng)管的氣流無物料而更潔凈，再將回風(fēng)風(fēng)速轉(zhuǎn)化成物料管風(fēng)速，在梗絲風(fēng)選室處安裝顯示表頭準確顯示回風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)，風(fēng)機變頻改造選用ＡＢ公司的１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ變頻器。１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ變頻器提供非常簡便的參數(shù)設(shè)定和操作，控制方法新穎、應(yīng)用靈活并且功能卓越。

１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ變頻器通過車間原有ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ現(xiàn)場總線與ＰＬＣ通訊，實現(xiàn)對電機的控制，可讀取變頻器狀態(tài)字、運行頻率、變頻器溫度及電機電流等大量過程參數(shù)；同時，也實現(xiàn)了對電機的遠程啟動、停止和頻率的實時控制［４］。使用網(wǎng)絡(luò)通訊比傳統(tǒng)的控制方式具有下述優(yōu)點：接線數(shù)量減少、采集變頻器的數(shù)據(jù)多、抗干擾能力強等。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ網(wǎng)絡(luò)用于簡單的、工業(yè)用的設(shè)備（如變頻器、傳感器等）與高級設(shè)備（如控制器）之間的連接。基于標準的控制域技術(shù)，這一開放的網(wǎng)絡(luò)提供了許多廠商設(shè)備之間的可相互操作性，其中包括１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ變頻器的通訊。本項目中梗絲風(fēng)送風(fēng)機控制用變頻器通過１２０３－ＧＫ５通訊模塊與主控ＰＬＣ基架中的１７５６－ＤＮＢ模板連接，與ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ５５５５進行通訊。此種控制方式可以通過相應(yīng)的編程軟件察看或修改１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ變頻器內(nèi)部的三百多條參數(shù)，如電機的電流、溫度、轉(zhuǎn)速等都可以由ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集獲得，只需在控制室觸摸屏或監(jiān)控機上遠程更改參數(shù)即可［５］。梗絲風(fēng)送風(fēng)機通過１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ變頻器得到了智能化控制。同時風(fēng)送系統(tǒng)也通過此次改造整合到了車間原有集控系統(tǒng)上，減少了人工干預(yù)，提高了設(shè)備自動化程度。

系統(tǒng)改造后梗絲風(fēng)送風(fēng)機采用變頻器控制，由操作人員在監(jiān)控機上設(shè)置風(fēng)速，通過ＰＬＣ進行ＰＩＤ運算，運算結(jié)果通過ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ網(wǎng)絡(luò)輸出給變頻器，控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，然后通過風(fēng)速儀來在線檢測實際風(fēng)速，將測得的數(shù)據(jù)傳給ＰＬＣ從而實時修正風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，進行風(fēng)速精確、穩(wěn)定控制。圖２表示梗絲氣力輸送系統(tǒng)的控制框架。

２．２．２變頻控制可行性論證車間多采用離心式通風(fēng)機，梗絲風(fēng)送風(fēng)機相關(guān)參數(shù)：流量為１０ ９５０ ｍ３／ｈ，全壓為５ ７７０Ｐａ，密度為１．２ ｋｇ／ｍ３，轉(zhuǎn)速為１．４７×１０３ ｒ／ｍｉｎ，電機型號為Ｙ２００Ｌ－４，電機功率為３０ｋＷ，除塵器為扁布袋式，過濾面積為９０ ｍ２，處理風(fēng)量為８ １００ ｍ３／ｈ，物料管徑為４００ ｍｍ。

根據(jù)車間現(xiàn)有設(shè)備的實際情況，我們選擇通過變頻器改變電機的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過核算風(fēng)機葉輪的機械強度和電動機的功率，發(fā)現(xiàn)變頻改變電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整范圍不會超過電機及風(fēng)機的設(shè)計允許值。而且風(fēng)機的轉(zhuǎn)速不超過該型號風(fēng)機的額定最高速度。為明了在線風(fēng)速（回風(fēng)風(fēng)速）和離線風(fēng)速（實際管道風(fēng)速）及變頻器頻率之間的關(guān)系，我們采用了日本ＫＡＮＯＭＡＸ加野Ａ５４２風(fēng)速計對分選箱上端的風(fēng)管段風(fēng)速進行測量，通過不斷的改變變頻器的輸出頻率，記錄下此時的在線風(fēng)速和離線風(fēng)速，繪制出三者之間的關(guān)系圖（圖３）。由圖３得知，在變頻器頻率輸出為３５．００Ｈｚ到５０．００Ｈｚ這一段里（３５．００Ｈｚ以下的時候風(fēng)速很小，不滿足生產(chǎn)要求），在線風(fēng)速和離線風(fēng)速基本是呈線性變化的，而且在線風(fēng)速與離線風(fēng)速兩條線大致是平行的，這就說明，通過變頻控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速進而控制實際管道風(fēng)速的思路完全可行。

２．２．３風(fēng)速參數(shù)試驗及選擇在系統(tǒng)硬件改造完成后，在新的氣力輸送系統(tǒng)上我們對梗絲的造碎度與風(fēng)速之間的關(guān)系做了對比試驗，試驗選擇梗絲風(fēng)送速度１５ ~２２ ｍ／ｓ間進行，為了更好地反映出輸送風(fēng)速與造碎度的關(guān)系，取輸送風(fēng)速為橫坐標，煙絲造碎度為縱坐標［６］，繪出輸送風(fēng)速與煙絲造碎度的關(guān)系如圖４。由圖４可以看出，隨著輸送風(fēng)速的增加，煙絲的造碎度是迅速增大的。反之，輸送風(fēng)速越低，梗絲的造碎度相對理想。但在試驗中，當(dāng)選用輸送風(fēng)速＜１５．０ ｍ／ｓ時，有時有少許合格梗絲會在風(fēng)選中被剔除沉降出來。故輸送風(fēng)速最佳選用范圍不小于１５．０ ｍ／ｓ，但為保持氣力輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，克服因生產(chǎn)過程中煙絲切絲大小波動的影響，為了生產(chǎn)安全和操作控制方便，取輸送風(fēng)速１５．５～１６．５ ｍ／ｓ為最優(yōu)值。在試驗中，沒有發(fā)現(xiàn)煙絲的造碎度隨著輸送比的改變有著明顯的變化。

３結(jié)語

梗絲氣力輸送系統(tǒng)經(jīng)采用ＰＬＣ技術(shù)改造和參數(shù)優(yōu)化后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間明顯增快，由于風(fēng)送參數(shù)選擇合適，整個氣力輸送系統(tǒng)運行比較平穩(wěn)，當(dāng)產(chǎn)生系統(tǒng)變化時，也能及時達到工序風(fēng)速要求，因風(fēng)送系統(tǒng)故障影響停機時間明顯降低。尤其可喜的是將梗絲風(fēng)送改造整合到車間集控系統(tǒng)中后，操作人員能方便地根據(jù)實際生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)風(fēng)送速度，慢慢地在生產(chǎn)中摸索出了一套自己的控制經(jīng)驗。從風(fēng)選室剔出的物料情況來看，雜物和梗頭較改造以前多了，梗絲少了，而且風(fēng)送兩頭的水分散失也較以前波動小。生產(chǎn)效率和梗絲質(zhì)量得到較大的提高。由于氣力輸送系統(tǒng)在國內(nèi)還有眾多卷煙廠使用，還有其他如煙葉、煙梗、膨脹絲的氣力輸送，因而推廣應(yīng)用ＰＬＣ變頻技術(shù)，改造原有系統(tǒng)，并不斷摸索總結(jié)最佳風(fēng)送參數(shù)，可獲得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

［１］ 李勇． 粉粒狀固體物料氣力輸送［Ｊ］． 硫磷設(shè)計與粉體工程 ，２００２（５）：４４－４９．

［２］ 錢東平，程慶會． 降低氣力輸送小麥能耗的試驗研究［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，２００３，19（３）：１０８－１１０．

［３］ 陳克城． 流體力學(xué)實驗技術(shù)［Ｍ］． 北京：機械工業(yè)出版社，１９８５．

［４］ ROCKWELL AUTOMATION. 1336 PLUSⅡ user manual［Ｍ］． USA：Rockwell International Corporation. 1999.

［５］ ROCKWELL AUTOMATION. Device Net network system［Ｍ］． USA：Rockwell International Corporation. 2005.

［６］ 周暉． 卷煙廠的氣力輸送技術(shù)應(yīng)用參數(shù)設(shè)計優(yōu)化［Ｄ］． 南昌：南昌大學(xué)，２００５．

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文