電子秤線速率自調節容積式新型計量管開發與應用

陳華斌

（安徽中煙工業有限責任公司蕪湖卷煙廠，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，實物流量穩定性是制絲線加工質量的關鍵環節。當前，原料自身容重特性的大差異和工藝設計對流量控制范圍的寬要求，超出了傳統計量管設備的性能：①容重差異，蕪湖卷煙廠葉片預處理段葉片以單等級形式通過加料前計量設備，單等級葉片之間容重差異大（極差2～3 倍），導致電子秤皮帶速率變化超出設備規定的極限范圍，葉片流量控制精度產生波動；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瓶頸。

擬研發一種新型自調節容積式計量管，采用合理的機械結構和驅動機構，實現計量管出料高度與厚度同步可調的功能。提出根據電子皮帶秤速率信號來調節計量管的容積變化，實現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主要由喂料機、計量管、電子皮帶秤三大設備組成：喂料機用于供應物料，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量流量。

（1）電子皮帶秤。電子皮帶秤是一種質量流量控制裝置。利用杠桿原理，在連續運行的皮帶下面安裝杠桿裝置，杠桿的承載面是滾筒，當皮帶在上面走過時，減少皮帶與承載面摩擦造成的計量誤差。當物料經過時，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，設有皮帶自動張緊機構，能自動調節皮帶所需的張力和位置，非接觸式智能糾偏系統執行糾偏更加可靠。

（2）計量管。計量管又稱限量管，是一種體積流量控制裝置，計量管的兩側配有光柵/光電管，根據光柵/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，計量管相當于一個長方體的開口容器，其容積相對恒定，單位時間內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。根據電子皮帶秤和計量管的工作原理，典型流量控制系統的流量Q（t）=q（t）v（t）=whρ（t）v（t）。其中，q 是稱量區間內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量；t 是時間。

2 實際應用

根據物料的自身容重特性和工藝設定流量情況，分析流量控制原理在實際生產中的應用情況。

2.1 容重差異大的批內生產

物料流量Q 依據牌名的工藝標準設定，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，依靠電子皮帶秤調節帶速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，就會出現電子皮帶秤以最高速率運行，仍無法達到設定流量的現象，造成瞬時流量大幅波動。低容重煙葉下降時重力不足，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，就很容易導致物料架空，造成堵料斷流。

2.2 流量差異大的批間生產

依據工藝標準可知，不同牌名的物料流量Q 設定值不同，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 成正比關系。換言之，不同牌名物料流量Q的變化，依靠電子皮帶秤調節帶速v 的變化來控制，流量越小帶速越小；反之，流量越大帶速越大。同樣，若是流量增幅過大，就可能會出現電子皮帶秤以最高速度運行，仍無法達到設定流量的現象，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自動運行。當Q 和ρ 反向變化，且變化幅度較大時，若取得一個相當小的值，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，不利于設備的穩定運行；若取一個相當大的值，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，仍無法達到設定流量，導致流量大幅波動。

2.3 流量控制研究結論

結合生產的流量控制理論分析，可以得出當前流量控制存在的不足：①批內生產，小容重組分存在電子皮帶秤速度超限風險，這是牌名內低容重組分煙葉流量控制不穩定和計量管堵料斷流的原因；②批間生產，流量增幅過大存在電子皮帶秤速度超限風險，這是低容重煙葉受流設定量影響大的原因所在。

3 新型流量控制原理設計

傳統流量控制單一依靠電子皮帶秤的速度的調節功能來實現，存在的問題是一旦物料的容重和流量產生大幅變化，就超出了電子皮帶秤的調節范圍，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存在的問題，但是會帶來負面問題，高容重物料小流量生產時，電子皮帶秤的變頻器就會工作在極低的頻率，存在設備損壞的危險，得不償失。綜合考慮，只有讓電子皮帶秤工作在其帶速設計范圍的中間區域，才是最優選擇。本項目設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，進一步作如下設計分析∈［0.5vmax，0.8vmax］。

（1）對于容量差異大的批內情形。在帶速v 的范圍確定的前提下，隨著ρ 的大幅變化，若要持續保持流量Q 的穩定，則需增加一個調節變量來抵消容重ρ 的大幅變化。物料流量Q 是工藝標準確定的，影響生產能力和產品質量，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參數上尋找突破口，由于電子皮帶秤的寬度固定，與其銜接的計量管寬度w 相應就無法調整，因此只能依靠調節計量管的出料高度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，也需要增加一個變量來抵消流量和容重的變化。

在以上分析的基礎上，提出一種新型流量控制原理，將傳統流量控制方式中的計量管出料高度，由一個定值h 轉化為一個變量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：將傳統流量控制由單一地依靠電子皮帶秤帶速調節的方式，轉變為由電子皮帶秤帶速和計量管高度共同調節，豐富了流量控制的手段，也彌補了傳統流量控制的不足。

4 機械結構設計

自動精確調整出料高度，是需要設計研發新型計量管才能實現的。為了滿足設計需求，需依據新型流量控制原理來設計新型計量管的機械結構，重點是設計容積可變結構。傳統型計量管在生產時，出料高度是相對固定的，其內部容積是相對固定的。根據新型流量控制原理要求，通過計量管出料高度的變化，實現計量管存料量可變或出料量可變，使得計量管由傳統的恒體積控制裝置，轉變為變體積控制裝置。為此選定雙滑塊結構作為新型計量管的容積可變結構，該結構的優點是能夠實現計量管的出料高度和計量管厚度同步、同幅可調，既能起到排料、壓料作用，又能滿足流量控制要求。

5 電控系統設計

采用帶正反轉及速度調節功能的減速電機作為驅動機構，固定在壓輥高度可調節的驅動軸上；在壓輥高度行程上安裝上下限位開關，防止超調。生產過程中，如果電子皮帶秤帶速處于最佳工作范圍內，則依靠電子皮帶秤自身調節；如果帶速調到設定極限依然滿足不了流量要求，則控制驅動電機導通一定時間，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，則停止調節，否則繼續調節壓輥高度，直至觸發極限位。依據新型流量控制原理以及速度調節優先的控制原則，提出一種新型流量控制方法：當物料容重或流量變化時，系統檢測電子皮帶秤帶速，如在最佳范圍內，依靠電子皮帶秤帶速自動調節來保持流量穩定；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；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，如此往復調節。

6 結語

研究取得了可觀的質量效益，在初始的超低容重組分生產時，項目實施前有明顯的流量顯著下降的現象，項目實施后這一現象得到徹底消除，新型計量管發揮了在線流量調節作用。計量管的截面由傳統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，使得計量管內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，堵料風險也大幅降低。

鑒于新型計量管的應用取得了良好的實際效果，制絲線梗絲摻配工序亟需應用這一成果。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，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要求，大大增加了設備損壞的風險。該設計開發的新型計量管，可以推廣應用到梗絲摻配工序，具體應用方法：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節來吸納剩下2 倍左右的流量波動，這樣就能實現梗絲摻配流量的良好控制。