以变频器为基础的烟草储柜剩料量计算方法

徐 诚，邱栋辰，彭雪涛

（江苏中烟工业有限责任公司南京卷烟厂，江苏南京 210000）

0 引言

烟草存储柜是一种被广泛应用于烟草工业中的烟草物料存储设备，其在生产流程中，发挥着烟草半成品的暂时存放、烟草醇化处理以及将烟草物料进行均匀混合等作用，是烟草生产加工中不可缺少的设备。

烟草存储柜的实时剩料量的准确性对于烟草的实际生产有着重要的作用，主要体现在：烟草存储柜的显示剩料量是生产调度人员安排生产计划的重要依据，调度人员会根据剩料量信息安排当日的生产任务以及生产顺序，以确保下游生产线不会断料停机。若是剩料量不能够准确显示，调度人员就必须进行人工估算，并留出尽可能充分的裕度，一方面大幅增加人员的工作强度；另一方面也在无形中增加了产线中半成品库存数量，既不符合生产企业精益生产的原则，又容易因此造成库存半成品过多而造成超过存储时间要求的情况。因此，准确可靠的储存柜剩料量在提升调度人员工作效率与企业整体生产效益方面具有重大意义。

1 现状分析

目前绝大部分烟草工业企业对于储存柜的剩料量计算都采用链板计数的方法。储存柜的底带与底部众多长条形金属链板相连，该金属链板相对底带为横向布置，固定间隔安装在底带上，起到支撑底带的作用。利用链板间间隔相等这一特点，通过在底带下方加装感应开关，计数一个批次感应开关感应到的链板数量，通过将已感应到的链板数量和一个批次的链板数量作计算就可以得出目前的剩料量。该方法结构简易，计算方法简单，但经常出现剩料量计量失效的问题。失效原因主要有以下两个：

（1）底带链板出现的上下振动的现象。由于设备在运行时易发生振动，而金属链板为软性链接，因此易出现上下振动的现象。当振动现象恰好出现在金属感应开关工位处时，则容易造成链板与感应开关距离过远，从而导致漏感，导致剩料量计量失准。

（2）底带篷布弹性形变因素。在电机驱动底带前进时，由于底带篷布具有较大的弹性，因此在电机驱动停止后，底带篷布存在向后收缩的现象，当恰好有底带链板在收缩过程中经过感应开关时，则会导致感应开关的多感现象，导致剩料量计量不准。

2 解决方案

烟草存储柜的运行方式是由丹佛斯变频器驱动底带电机，再由底带电机带动链条，驱动底带将烟草物料从存储柜的一端送出。根据能量守恒定律，在储存柜的整个运行周期中，电机所做有效功应当与驱动底带与存储柜烟丝前进所消耗的能量相等。因此，在理论上应当能够建立一个能量守恒等式。

烟草存储柜的能量消耗必然与存储柜运行距离相关，因此必然可以构建一种以变频器数据为基础的烟草存储柜剩料量计算方法。该方法的优势：仅需要在丹佛斯变频器中读取相应数据，不需要额外的机械设备以及电子元件，具有高可靠性的特点；通过提高能量消耗模型准确度的方法，使得该计算方法能够拥有相当的精度。

2.1 能量模型构建

根据烟草物料存储柜的运行方式可知，在一整个周期中，电机驱动轴做功减去传动过程中的损耗，应当等于驱动烟草物料以及底带前进所做的功。而由于储柜底带安装于金属链板之上，链板又与链条相连，并最终通过链条上的滚动轴套被安置于轨道之中，因此在理想情况之下，设备运行时底带前进的摩擦力将由滚动轴套产生，其必然符合滚动摩擦计算公式。所得能量等式：

式中：K传动为传动系数；W电机轴上总功为电机驱动轴所做功；W底带为克服底带前进所消耗的功；W烟草物料为克服物料前进所消耗的功；L 为一周期内底带前进的总长度；P瞬时为电机轴上所读出的瞬时功率；Σt瞬时为电机累积做功时间；M底带为底带质量；m 为每份烟草物料质量，l 为每份烟草物料前进的距离，G 为重力加速度；U 为滚动摩擦因数；r 为链轮半径。

由于烟草存储柜的进柜方式为铺料车往复铺料，因此烟草物料可以近似被看作为均匀分布在存储柜中，能量等式可以简化为：

式中：W烟草物料为一个周期中，W电机轴上总功为电机驱动轴所做功；M物料为存储柜中烟草物料的总质量；M底带为底带质量；P瞬时为电机轴上所读出的瞬时功率；Σt瞬时为电机累积做功时间；G 为重力加速度；U 为滚动摩擦因数；r 为链轮半径；L 为一周期内底带前进的总长度；K传动为为传动系数；K系数为等式中固定常数所决定的综合系数。

特别是当存储柜运行至中途，对应的剩料量公式应为下列方程：

式中：P下料为当前存储柜已运行百分比；W烟草物料为一个周期中，W电机轴上总功为电机驱动轴所做功；M物料为存储柜中烟草物料的总质量；M底带为底带质量；P瞬时为电机轴上所读出的瞬时功率；Σt瞬时为电机累积做功时间；L 为一周期内底带前进的总长度；K系数为等式中固定常数所决定的综合系数。

2.2 PLC 程序设计

2.2.1 关键参数计算程序

根据上述等式计算剩料量计算，就必须要解决关键参数K系数与底带质量M底带的计算问题。对于关键参数K系数的求解，可以通过采集两个整批次信息的方式进行计算，具体等式如下：

简化后即：

式中：W1为第一次整周期轴上总功；W2为第二次整周期轴上总功；M1为第一次时存储柜中总质量；M2为第二次时存储柜中总质量；M底带为底带质量；L 为一周期内底带前进的总长度；K系数为等式中固定常数所决定的综合系数。由于W1、W2、M1、M2均可以通过已有设备进行测量，而L 为存储柜固定参数，因此可以很容易求出关键参数K系数。而在得出K系数之后，便可以求得底带质量M底带的数值。具体程序如图1 所示。

图1 关键参数计算程序

2.2.2 剩料量计算程序

在求得关键参数与相应数据后，对当前剩料量进行计算，所设计程序如图2 所示。

图2 剩料量计算程序

3 结果与讨论

3.1 结果验证

为了验证剩料量功能，采用剩料量显示值与现场估算值比对的方式对剩料量运行情况进行验证，实验数据见表1，证明储柜剩料量计算比较准确，达到了设计目标。

表1 验证数据 %

3.2 数据分析

以变频器为基础得烟草存储柜计算方法所得出得实验数据并不能完全拟合实际数值，而实验数据在实际数据周围附近呈现出没有规律的波动。推测有以下3 个原因：

（1）存储柜中物料分布的影响。由于存储柜中的物料为近似均匀铺料，并不绝对均匀，因此式（5）只是近似等式，并不能完全描述存储柜的实际情况，造成剩料量计算值与实际值存在差异。

（2）设备不均匀磨损的影响。由于存储柜在长时间的运行之后，机械设备必然存在一定程度的磨损情况，因此对于K系数而言，可能在整个运行周期中不能处处相等，因此造成了计算值的一定误差。

（3）由变频器提供的轴上功率误差。由变频器所提供的电机轴上功率是变频器根据其内置程序所计算得出，其计算值仅能精确到0.1 W，而其采样周期为40 Hz，因此必然会对本文所提出的剩料量计算方法造成误差。

对于以变频器为基础得烟草存储柜计算方法而言，其相较于严格的剩料量测量方法存在精度上的劣势，其精度受到存储柜运行状态、机械设备磨损情况、电机工作效率等一系列因素的影响。但是其能够在不增加额外设备的情况下，得出一个相对可靠的剩料量数据，能够满足企业生产的基本需要，且不会出现突然整体失效的情况，因此具有较高的可靠性。

4 结论

本文所提出的以变频器为基础得烟草存储柜计算方法，能够在不增加额外设备的情况下提供一种精度更高、具有高可靠性的剩料量数据。但相较于严格的剩料量测量方法仍存在精度上的不足，其精度主要受到存储柜内物料分布状态、机械设备磨损情况、变频器提供数据误差等因素的影响。