基于PLC 控制的風(fēng)選機(jī)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

王 晶，盧 潤，余 攀，簡著名，王修君

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430040）

1 現(xiàn)狀調(diào)查

通過統(tǒng)計調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在工廠制絲車間每天的生產(chǎn)中，風(fēng)選工序風(fēng)機(jī)的空載運行時間（首批空車首檢、批次間換批以及最后一批物料放空）較長，且風(fēng)機(jī)運行頻率恒定為40 Hz，電能消耗浪費較大。制絲風(fēng)選工序主要是利用風(fēng)機(jī)在管道內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓，將通過烘絲工序（對煙絲進(jìn)行烘烤，去除葉絲中雜氣，同時使煙絲膨脹）后，煙絲與梗絲的重量差異導(dǎo)致的懸浮速度不同，通過調(diào)節(jié)負(fù)壓將較輕的煙絲向上吸走，并風(fēng)送至后續(xù)生產(chǎn)線，較重的梗絲則向下降落剔除。風(fēng)選工序工作流程如圖1 所示。

2 空載運行原因分析

某卷煙廠制絲車間共5 條煙絲生產(chǎn)線：1、2、3 號線一次風(fēng)選風(fēng)機(jī)功率是75 kW；二次風(fēng)選風(fēng)機(jī)功率為15 kW；4、5 號線一次風(fēng)選風(fēng)機(jī)功率為55 kW，二次風(fēng)選風(fēng)機(jī)功率為15 kW。

（1）為保證設(shè)備運行良好，每天第一批生產(chǎn)前，生產(chǎn)沿線設(shè)備會空車熱機(jī)約30 min，避免設(shè)備故障未及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致的停車。

（2）當(dāng)烘絲工序單元啟動時，風(fēng)機(jī)立即啟動。煙絲從烘前喂料倉經(jīng)HT、烘絲筒進(jìn)入風(fēng)選箱，然后運行至風(fēng)選段，中間有約6 min 的時間風(fēng)機(jī)空運行。另外，為保證烘前喂料倉物料充足，烘絲操作工會提前分?jǐn)辔沽蟼}提升帶開關(guān)，當(dāng)提料時需再次合上，因此操作工的操作習(xí)慣會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)空行時間延長。

（3）當(dāng)烘絲結(jié)束后，煙絲經(jīng)風(fēng)選工序送出至混絲柜中。由于路徑較長，煙絲進(jìn)柜完成需要約10 min，等待關(guān)停混絲柜結(jié)束工單后，風(fēng)機(jī)才停止運行。同樣，操作工關(guān)柜子的時間也會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)空運行時間延長。

（4）每天工作結(jié)束后最后一批生產(chǎn)為將沿線物料徹底跑空，會有約30 min 設(shè)備運行時間，保證沿線不會堆積遺留物料。

由于人為操作控制生產(chǎn)線啟停，具體空載時間存在差異，可通過PLC 編寫程序記錄具體空載運行時間（圖2）。以3、4 號線為例，通過一個月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算得出：每天空載平均運行時間3 號線約為3.88 h；4 號線約為3.5 h。

圖2 停機(jī)時間記錄程序

當(dāng)風(fēng)選電機(jī)處于節(jié)能模式，且電機(jī)處于運行狀態(tài)時，通過TONR-TIME 功能塊（計時器功能塊）開始計時。5 條生產(chǎn)線風(fēng)選風(fēng)機(jī)能耗見表1。若能減少風(fēng)機(jī)運行時間或降低風(fēng)機(jī)頻率，則可以降低風(fēng)機(jī)生產(chǎn)能耗。

表1 風(fēng)選風(fēng)機(jī)能耗

3 改進(jìn)方案分析

可以通過減少空載時間或減小空載時風(fēng)機(jī)的功率，使風(fēng)機(jī)達(dá)到更好的節(jié)能效果。

3.1 減小空載時間

對于煙絲生產(chǎn)車間，存在生產(chǎn)準(zhǔn)時制，換批流程已經(jīng)嚴(yán)格控制了間隔時間，繼續(xù)減少空載時間的余地不大，因此選擇通過減小空載時風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行節(jié)能。

3.2 減小空載時風(fēng)機(jī)功率

減小空載時風(fēng)機(jī)功率有以下3 種方法：

（1）關(guān)停風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)功率較大，頻繁啟停會減少電機(jī)壽命，且電機(jī)啟動過程沖擊電流較大、時間較長，因此關(guān)停風(fēng)機(jī)不可取。

（2）降低風(fēng)機(jī)頻率。降低風(fēng)機(jī)頻率能有效減小風(fēng)機(jī)功率，但針對30 kW 以上的風(fēng)機(jī)，頻率越小散熱效果越差，會對電機(jī)造成損害。因此，對于功率較大的一次風(fēng)選風(fēng)機(jī)不適合采用降低風(fēng)機(jī)頻率的方法，二次風(fēng)選風(fēng)機(jī)可采用降低風(fēng)機(jī)頻率的方式進(jìn)行節(jié)能。

（3）減小風(fēng)門開度。減小風(fēng)門開度能起到一定的節(jié)能作用，節(jié)能效果不如降頻，但不受風(fēng)機(jī)額定功率的限制，因此額定功率較大的一次風(fēng)選風(fēng)機(jī)可采用減小風(fēng)門開度的方式進(jìn)行節(jié)能。

經(jīng)過綜合分析，選擇在空載時的節(jié)能方式為：

（1）一次風(fēng)選進(jìn)行減小風(fēng)門開度。對風(fēng)門不同開度對應(yīng)的電流和功率進(jìn)行對比（表2），最后選擇將空載時一次風(fēng)門的開度減小到10%。

表2 一次風(fēng)選風(fēng)門開度對應(yīng)的電流和功率

（2）二次風(fēng)選降低風(fēng)機(jī)頻率。對不同頻率風(fēng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行對比。風(fēng)機(jī)的運行模式為恒轉(zhuǎn)矩模式，如果頻率過低可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩極限的報警。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（表3），決定將空載時二次風(fēng)選的頻率降低為20 Hz。

表3 二次風(fēng)選不同頻率對應(yīng)的電流、轉(zhuǎn)速和功率

4 改進(jìn)方案實施

4.1 節(jié)能模式判斷切換條件

節(jié)能模式切換條件就是通過PLC 控制程序，設(shè)定風(fēng)機(jī)空載時間開始和結(jié)束的條件點，當(dāng)風(fēng)機(jī)空載運行時則為節(jié)能模式，反之則為生產(chǎn)模式。在煙葉制絲生產(chǎn)中，皮帶電子秤是常用的計量和流量控制的設(shè)備，水分儀是實時檢測生產(chǎn)線上煙葉絲水分的設(shè)備，通過這兩種設(shè)備采集數(shù)據(jù)的反饋則可判斷風(fēng)選工序是否進(jìn)料、風(fēng)機(jī)是否空載運行。當(dāng)生產(chǎn)單元啟動且烘前電子秤累計重量≤200 kg 時，判斷為物料未行進(jìn)至風(fēng)選段，風(fēng)機(jī)處于節(jié)能模式。當(dāng)烘前電子秤累計量≥50 kg，且運行6 min 后，判定物料已經(jīng)行進(jìn)至風(fēng)選段恢復(fù)生產(chǎn)模式；需要摻兌保養(yǎng)煙絲（生產(chǎn)中設(shè)備上殘留的煙絲，人工清理出來后再次摻兌到生產(chǎn)線中）時手動點擊節(jié)能取消按鈕恢復(fù)生產(chǎn)模式；三烘絲后水分大于4，同樣判斷物料行進(jìn)至風(fēng)選段恢復(fù)生產(chǎn)模式。當(dāng)生產(chǎn)即將結(jié)束時，通過烘絲前后以及風(fēng)選后水分儀讀取的在線物料水份值判斷風(fēng)選段物料已經(jīng)跑空，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換為節(jié)能模式，具體切換條件如圖3 所示。

圖3 工作模式切換條件

圖4 手動操作界面

考慮到存在烘絲摻兌保養(yǎng)煙絲等情況，還在段控畫面中增加了手動取消節(jié)能模式的按鈕，按鈕變綠則表示進(jìn)入節(jié)能模式。

4.2 節(jié)能功耗數(shù)據(jù)采集對比

節(jié)能效果驗證可通過兩種方法相互佐證：①通過PLC 直接讀取丹佛斯變頻器上的風(fēng)機(jī)功率參數(shù)；②讀取風(fēng)選段控機(jī)美塑電表上的總電耗。

編寫PLC 程序讀取電表電耗，通過對節(jié)能前后各一個月的總電耗進(jìn)行對比計算得出每批次的節(jié)能功耗。

（1）通過PLC 讀取的丹佛斯變頻器的輸出功率（表4）。

表4 不同工作模式的變頻器輸出功率 kW

3 號線每天節(jié)能模式使能時間3.88 h，6 月份平均日生產(chǎn)4 批次，風(fēng)選每批次節(jié)能功耗=［（38.5+6.8）-（18.1+1.7）］×/4=19.125 kW·h。

4 號線每天節(jié)能模式使能時間3.5 h，6 月份平均日生產(chǎn)3.6批次，風(fēng)選每批次節(jié)能功耗=［（21.2+6.03）-（6.8+1.1）］×2.8/3.6=15.034 kW·h。

（2）美塑電表總電耗改進(jìn)前后差值對比（表5）。

表5 改進(jìn)前后電表總電耗 kW·h

計算可知，3 號線風(fēng)選每批次節(jié)能功耗20.2 kW·h，4 號線風(fēng)選每批次節(jié)能功耗14.92 kW·h。

對比上述兩種驗證方式，發(fā)現(xiàn)每批次的節(jié)能功耗非常接近，互相佐證了節(jié)能功耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1、2、3 號線風(fēng)機(jī)功率相同，每批平均節(jié)約用電約20 kW·h，按6 月份情況計算3 條線節(jié)約用電7200 kW·h。4、5 號線風(fēng)機(jī)功率相同，每批平均節(jié)約用電15 kW·h，按6 月份情況計算2 條線節(jié)約用電3240 kW·h。因此通過對PLC 控制風(fēng)機(jī)變頻和風(fēng)門開度的程序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，制絲車間風(fēng)選工序每月可節(jié)約用電約10 440 kW·h。僅通過對生產(chǎn)線中一處風(fēng)機(jī)PLC 控制程序的優(yōu)化便能有效降低能耗，在自動化工廠中還有功率更大的除塵、空調(diào)風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)機(jī)，以及各類由PLC 程序控制啟停和運行頻率的電機(jī)設(shè)備。通過改進(jìn)PLC 控制程序?qū)@些設(shè)備進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，對于整個卷煙工廠的節(jié)能降耗工作有著重大意義，也是開展節(jié)能降耗工作行之有效的一種方法。