储丝柜的烟丝出料量测量技术与应用

摘　要　储丝柜通常用于存储烟丝，储丝柜用于烟丝出料量测量，是储丝柜应用功能的开发，目的是解决电子皮带秤烟丝计量误差大，维修成本高的实际问题，而储丝柜测量的技术、方法对系统测量准确性有很大的影响。因此储丝柜的烟丝出料量测量方法需要有一定的理论分析依据，如柜内烟丝形状、体积总量、误差分析等，从而能够保证整个系统在技术实施方面具有可能性。在实施过程中涉及了系统的参数调试方法，为实际测量误差的减小提供了保障，使得储丝柜烟丝出料量测量更具有实际意义和使用价值。

　　关键词　烟丝堆积上斜坡　下斜坡　烟丝单位密度

　　1、引言

　　1.1储丝柜与电子皮带秤作用

　　储丝柜用于存储烟丝，在工艺上的作用是将烟丝保存8小时左右，使烟丝掺兑、加香处理后具有一定的醇化作用。储丝柜的另一个作用是烟丝缓存，便于与下道生产车间的调度，而生产调度最常采用的计量设备是电子皮带秤。这样就形成了一个系统：烟丝存储（储丝柜）、烟丝计量（电子皮带秤）、烟丝供给（卷包车间）。

　　1.2电子皮带秤弊端

　　由于烟丝流量控制要求和电子皮带秤的位置原因，在使用中存在二个弊端。

　　弊端一：由电子皮带秤的工作原理可知，使用方法对电子皮带秤的计量精度有很大的影响，特别是带有压力传感器测单位时间烟丝流量的恒速电子皮带秤，在频繁启动的生产运行场合，其烟丝累计量的误差与电子皮带秤启动次数成正比。

　　弊端二：电子皮带秤与储丝柜的距离相差较远，运输带上的滞留烟丝加大了储丝柜出料量的偏差程度。

　　因上述二个原因所构成的相对误差可达10～17％左右，按一柜烟丝4000kg计算达400～680kg，严重地影响了电子皮带秤的即时性、准确性，使得电子皮带秤难以达到应有的标准计量功能，操作工只能经常到储丝柜现场用手拍打柜侧壁，通过听声音来估计出剩余烟丝。另外电子皮带秤存在着故障多、维修成本高，维修难度大，而影响到正常生产秩序。

　　2、储丝柜的出料量测量技术探索

　　2.1方案设想

　　储丝柜能否在正常生产出烟丝的同时，增加具有比较准确的烟丝出料量测量功能，以替代电子皮带秤?这是一个有意义的课题，突破了常规使用秤计量烟丝量的方法，是技术创新的设想。如果可行，将会对操作、控制提供极大方便，对工厂数据记录、统计提供有力的技术保障。

　　2.2储丝柜的烟丝出料量测量分析

　　开发、研究储丝柜具有烟丝出料量测量功能，首先要解决如何测量、其理论依据是什么?

　　举一个例子，有一箱烟包，其体积为固定的长方体，已知重200公斤，将它等比例切割4刀，可以很快的算出每一片为200／5=40公斤重。能否将储丝柜内的烟丝看作是一个大的长方体烟丝包，在已知柜内烟丝总量时，按同样的原理进行计算呢?按照这个例子，首先分析柜内的烟丝体形是否有固定的形状?体积能否预知?是否有其他不确定因素影响测量准确性?

　　2.2.1储丝柜内烟丝物料形状分析

　　分析一下储丝柜的结构：储丝柜由设备内部的烟丝往返小车、运输带、上底带、下底带、柜的物料侧挡板等构成。其具体结构如下储丝柜结构图1所示。

　　图1　储丝柜结构图

　　烟丝从入口处进入至小车上，通过小车的左右往复布料到上层储料底带。当烟丝从上层往下层倒料时，烟丝在下层运输带往上堆积，并通过下层光电开关控制烟丝的物料高度，当到达该高度时，下层储料底带运行，烟丝自然会形成类似长方体的形状特征。所以在每一次完成倒料过程后，对某一个储丝柜烟丝形状的长L不会再增加，烟丝宽度d受限柜两侧挡板不变，高h受控光电开关保持。可见其储丝柜的烟丝形状是确定的，当然在两头有一定的上、下斜坡形状，见烟丝堆积形状图2

　　图2　　烟丝堆积形状图

　　2.2.2储丝柜内烟丝总量分析

　　储丝柜实质是一个存放烟丝的容器，储丝柜内烟丝总量是由前道工序决定的，当烟丝进入柜体完成时，通过本系统对前道工序的网络数据采集，就能够明确知道烟丝的总量，也就是说储丝柜内烟丝总量具有可确定预知的，满足了定量计算的最基本要求。

　　2.2.3储丝柜烟丝出料的测量原理分析

　　由2.2.1和2.2.2章节确定储丝柜内物料的外形，就可以根据进入该柜的烟丝总重量，通过将总重量转换成单位面积重量，在储丝柜烟丝出料的过程中，根据面积变化的关系与出料方向的长度变化量，测量计算出烟丝量，见测量原理图3。

　　图3　　测量原理图

　　2.2.4实际不确定因素分析

　　以上的分析测量模型是建立在比较理想的基础上。有三点：

　　①.实际外形的表面不是很平整的按平整面计算，是否会影响计算准确性?

　　假如在某出料方向的烟丝截面高度差别为 h，而烟丝高度h1，而h1是物料倒料过程中，由光电开关控制，并保持其倒料连续性，因此烟丝表面不平整在各个截面段不会有明显差异。所以其出料方向的截面积大小S是基本不变，烟丝表面不平整不影响上述的测量模型。见烟丝出料方向截面图4。

　　图4　 烟丝出料方向截面图

　　②.烟丝的水分变化是否影响测量准确性?

　　因为烟丝累积量与烟丝的水分大小成正比例关系，因此用体积计算出烟丝量会产生偏差。但会有多大?由储丝柜结构形成的上面开口可知，存有烟丝的储丝柜内，烟丝水分的变化仅仅产生在裸露上表面的部分，若按照表面厚度10mm计算，设烟丝水分变化±0.5％的范围，则对烟丝堆积平均高度为1200mm来说，变化量是0.5％／120=±0.0041％，假如满柜烟丝量是4000kg，则误差±15kg。何况储丝房是封闭的，有保温、保湿，烟丝表面水分变化丝一般小于±0.5％，所以误差远远小于±15kg。实际上要弥补这误差，还可以安装湿度仪进行水分变化补偿。

　　③.储丝柜储料长度检测对烟丝量计算的影响程度

　　计长过程是数字量，从理论上来讲，一个单位长度确定的越小，对烟丝出料量计算越准确。若总长度L，一个单位长度为1，精度=1／L，所以在条件允许的情况下，取合适的单位长度1就能减少烟丝出料量计算的误差。

　　3、储丝柜烟丝出料量具体计算方法

　　3.1储丝柜烟丝形状理论计算方法

　　按照测量准确性的要求，形状的不同，会对计量产生影响。从以上的分析中，已经找到了烟丝堆积的形状特征，即有三个部分组成，“上斜坡、平段、下斜坡”。过程测量烟丝量的方法，应先求出单位面积烟丝量作为常数，再分级计算、求和即：

　　Zt= Zn=Z1+Z2+Z3

　　式中：Z1、Z2、Z3分别代表为上斜坡、平段、下斜坡的某时刻烟丝量，Zt是某时刻的累计烟丝量。

　　3.1.1单位面积密度ρ的计算

　　烟丝在上层往下层送料时，我们对下层运输带进行存储料的长度计量，设平坡长度为L，上斜坡底边长是L1，因为上下斜坡的对称性，下斜坡低边长也是L1，则烟丝体积长度为L1+L，单位面积密度为

　　ρ=G／[（L1+L）h]

　　式中h为烟丝出料方向的截面积高度，G为一柜烟丝的总量

　　3.3.2上斜坡Z1的烟丝量计算

　　原理：将直角三角形作垂直的底边切割成许多微小段，当储丝柜在出料时，通过测定dx的变化来计算直角三角形的面积变化，而单位面积的密度重量可以预先算出，我们设为ρ，那么面积的密度重量乘以斜线所包围的面积就是烟丝累积量。

　　范围直角三角形区域，见积分平面坐标图5。

　　斜线方程：y=kx（k表示直线的斜率），故烟丝量计算方程：

　　图5　　积分平面坐标图

　　Z1=ρ∫　0xy dx=ρ∫　0x k x dx

　　3.3.3平段Z2的烟丝出料量计算

　　范围矩形区域。

　　直线方程：y=h

　　烟丝量计算方程：Z2=ρ∫ax h dx

　　3.3.3下斜坡Z3的烟丝出料量计算

　　烟丝量计算方程：Z3ρ（S -∫bx k h dx）

　　式中S 为直角三角面积

　　4、技术实施和系统工作原理

　　4.1该技术实现办法

　　通过以上分析，要成功地实现储丝柜烟丝出料量测量，就要解决理论转化成硬件能够实现的办法。其中最为关键的是计算公式转换和长度检测的手段。即计算公式必须转换成STEP5编程语言能够运行的、达到控制44个柜的功能。检测长度必须是可靠的、误差尽可能的小。

　　4.1.1进行公式转换

　　由于PLC的STEP5系统的局限，编程语言无法实现积分计算，需将其公式转换成如下：

　　Z1≒k1ρ（ △xt）2

　　Z1≒hρ △xt

　　Z1≒Z -k1ρ（ △xt）2

　　式中△x是一个固定的增量单位长度值，△xt为t时刻的△x增量，k1为调整参数。

　　4.1.2采用结构化编程

　　原系统PLC控制的设备规模比较大，程序内存空间已经无法容纳新增加更多的程序。程序内存空间更换大的卡，系统不支持，而且即使支持也会因程序过大以后，使程序扫描周期延长，不利于信号检测的响应时间要求，容易丢失采用信号。实践中，采用结构化编程，精简了程序长度95％，有效避免了在检测过程中的误差发生。

　　4.1.3动态长度检测技术

　　长度检测的精确程度是直接影响到烟丝量的误差程度。实践中，我们进行了多次试验。方法一：采用接近开关检测储料底带枝条数，由于在运行过程中有跳动，取样信号不稳定，产生多计或少计数现象，不准确。方法二：采用接近开关检测储料底带链条节数，但受链条联接片的影响，检测的脉冲数有干扰，实用性差。方法三、采用接近开关检测储料底带链轮牙齿数，经过选择合适的安装位置，成功地获得准确的脉冲数，消除了各种不可靠因素。

　　4.1.4提高长度检测的精度

　　采用了检测齿轮数，其一个脉冲长度单位是118mm，对于总长在17580mm，产生脉冲数149个，精度为1／149*100％=0.67％，若满柜烟丝4000kg，则一个脉冲产生的误差烟丝量为26.8kg。能否再提高一些精度?

　　图6　 接近开关位置调整图

　　经过实践摸索、分析，原使用一个接近开关检测一个脉冲周期的上升沿开计数方式，改进为：继续延用一个接近开关，通过软件技术的手段，实现对上升沿、下降沿的开、关分别计数。并在接近开关的位置上进行脉冲宽度比的调整，以达到各占1／2的最佳位置，见接近开关位置调整图6。这样产生脉冲数398个，一个脉冲产生的误差烟丝量为13.4kg。

　　4.2系统程序工作原理

　　程序开始通过H1网络采取掺兑烟丝流量数据，直到烟丝入柜完毕，作为烟丝总量存储到该柜的相应数据字中。接着系统倒料开始，将上层烟丝倒至下层，同时启动倒料计长程序，在倒料结束后，根据烟丝形状计算单位密度并保存，等待出料。当有出料信号时，系统测上斜坡长，根据烟丝形状、坡长、密度计算烟丝出料量，保存数据1，并且判断斜坡结束否?是依次类推进入平段计算、最后进入下斜坡计算。在上面三个过程中，需要将三个数据字累加，作为即时烟丝出料量数值，供显示与统计，其程序原理框图见图7。

　　4.3烟丝实物调试测参数

　　在烟丝实物进柜过程中，由于每一个柜内得物料光电开关高度、控制延迟不完全一致，所以斜坡底长也有所差别，经过实际的测定，斜坡底长变化在14～18个脉冲范围之间，因此我们对每一个储丝柜进行了实物测量，确定各柜对应的k1参数运算值，以达到缩小烟丝测量误差。

　　5、储丝柜的烟丝出料误差估计

　　任何测量设备的误差都是不可避免和客观存在的，关键问题误差是否在容许的精度范围内。分析误差，总体有二个部分组成——静态误差和动态误差。

　　5.1静态误差

　　静态误差产生在起始点，也就是开始出料计算时的实际位置偏差，经过实际测定在一个 x脉冲之内，即0＜ x＜118mm，相对误差＜1／298=0.33％。

　　5.2动态误差

　　 x是一个微小长度单位，它受设备检测性能的影响。根据现有设备的特性，计量的过程中，有可能在X与（X+ x）之间仍按照X计算，而形成一个过程的动态误差，它在数值上等于[（X+ x）-X]／2，即误差判别为±0.5 x，重量相对误差为±0.5 x／L。实际理论测定 x／L比值为0.0033，侧重量相对误差在0.17％。

　　6、生产应用及效果

　　6.1生产应用

　　进行部分储丝柜的试验性安装、调试，并进行实际生产远行，柜内烟丝实际量与使用该方法计算出的累计量，误差大为缩小，控制在合理的范围之内。经过相关部门认定，实际符合使用要求，可以正式应用到车间的全部储丝柜。在2006年5月对储丝柜烟丝出料输送设备进行全面调整，拆除了原有8台电子皮带秤、精简了运输带2台。

　　图7　程序原理框图

　　6.2　效果

　　见下列改进前后效果汇总表1。

　　表1　　改进前后效果汇总表

　　比较从改进前的误差在400kg～680kg之间，到改进后的10kg～90kg之间，烟丝量误差减少达390～590kg。节约了10台电动机的电能消耗，按每台2.2kW计算，年节约电费用为2.2（kW）x 10（台）x 0.75 x 245（天）x 20（h）x 0.9（元／kWh）=7.28万元。由于省去了8台电子秤的皮带更换等零配件、人工维修费用支出，按每年每台支出0.83万元，又可节约年费用6.64万元。改进后最大特点是运行故障次数接近零。

　　实践证明系统的合理性且运行稳定、可靠，解决了生产中的实际问题，增加了设备新功能，为生产实时调度统计创造了必要的技术条件，达到了预期测量的效果。

　　参考文献：

　　1.中国仪器仪表2003年第11期　中国机械工业联合会

　　2.过程控制与统计技术2000年8月　中国计量出版社出版

　　3.SIMATIC S5-135U　可编程序控制器操作手册6ES5 988-1UL22C

　　4.1992年9月　西门子中国有限公司

　　5.今日自动化杂志　004年2月／39　www.ab.com／io／1734adaptors.html

推荐访问:烟丝 测量 技术 储丝柜 出料量