优化设计六年级上册 [梗丝气力输送系统优化设计]

　　摘要：通过对原有气力输送系统存在的问题进行分析，提出在原有风送系统上进行基于ＰＬＣ的在线变频控制改进，并在优化控制检测系统的基础上由现场试验方法得出梗丝气力输送的关键参数――输送风速的最优值，从而稳定和提高了烟厂梗丝加工质量，同时降低了能源消耗，并展望了其推广使用价值。
　　关键词：梗丝质量；输送风速；变频控制；ＰＬＣ；参数优化
　　中图分类号：ＴＨ１３８文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）14－2970-03
　　
　　Ｏｐｔｉｍｉｚｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｍｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
　　
　　ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ，Ｌ?� 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
　　
　　与其他的输送方式相比，气力输送结构简单、管道布置灵活操作和维修方便，特别是在车间内部应用时可以将输送过程与工艺过程相结合，简化工艺过程和设备［１］，还能实现松散、去杂、降低水分等制烟工艺目的，已逐渐成为卷烟厂的专业设备。
　　１原系统存在问题分析
　　目前武汉卷烟厂梗丝气力输送系统工艺流程如图１所示。由图１可知，烘梗丝机出来的梗丝经Ｍ１４振动输送机送入风选室，风选室的作用主要是将杂物风选筛除并将梗丝松散，而且方便操作人员观察梗丝风送情况，在离心风机Ｍ１０的作用下，梗丝通过管道在落料器Ｍ４５处落下进入下一个工序。
　　原系统的调节主要是变阀控制，即依靠维修人员对离心风机进风管道上的阀门的开度进行手动调节来达到改变管道内梗丝风送速度。但这种调节方式存在着以下几个缺点：①模糊性。由于梗丝类别的不同，根据生产工艺加工出来的梗丝水分也略有不同，即风送颗粒的重量不同，此时相应的输送风速也不一样，但目前没有在线速度或流量的检测仪器，只能靠操作员的感官来判断风送的质量，没有一个具体的指标来衡量风送的优劣。②操作性差。旧系统采用管道中加手动风门进行调节，调节一般是在风机开启的情况下进行的，风阻大维修人员调节不方便且风速范围不易把握。③不稳定性。由于梗丝类别的不同，对风送要求也不一样。在风门不变的情况下设备的工作状态发生变化（除尘布袋不透气、风选室网板堵塞等）也会带来风速的变化。④能耗大。由于风门要调节，所以风门的开度不会全开，一般在７０％到９０％之间，但风机的功率基本不变，存在着虚耗电能的现象，而风机类设备一般功率比较大，耗电量大。
　　以上缺陷具体反映在梗丝加工生产中，就是当风送效果不理想时需要较长的时间调节且调节精确度差，影响生产的连续性。并且对于不同类别的梗丝没有一个可掌握的工艺指标和可视化的监控手段，造成梗丝风送质量不稳定，且不易控制。
　　２优化原理及改造方案
　　根据气力输送的相关理论和试验优化理论，卷烟厂气力输送系统的应用好坏，主要有两个衡量指标：能耗、输送后的烟丝的质量。其中，能耗的相关理论现在已经很完善了，能耗指标可以用整个管道的压降来衡量，压降越小，能耗越低［２］。输送后的烟丝的质量主要是根据烟丝的造碎度来衡量。造碎度在卷烟厂是通过整丝率和碎丝率来分析和比较的。借鉴国内气力输送在相似领域中的经验，选定输送风速和输送比作为控制因子，其中以烟丝的造碎度作为主要的优化指标。
　　在梗丝风送工序上，其主要工序任务是剔除梗签和梗丝内的杂物，其重要指标为风选室内风速。实践证明风选室风速在４ ｍ／ｓ左右时才能达到剔除梗签输送梗丝的要求，风速过高，选不出杂物，风速过低，带不走物料。但在实际生产过程中，此风速常因整个系统因素不断变化要通过调整才能保证，如除尘布带阻力变化、系统漏风等，这些都是不可避免也很难及时调整的干扰因素。当调节不及时或来料情况变化时，就会出现风速过高造碎大或风速过低带不走物料两种情况发生，为了避免这种情况，我们作出如下改进，试图通过在线ＰＬＣ变频控制来弥补系统变化，以保证风选速度。
　　２．１能耗优化
　　将原系统的变阀控制改为变频控制，变阀调节就是利用改变管道阀门的开度，来调节风机的流量。变阀调节时，风机的功率基本不变，风机的性能曲线不变，而管道阻力特性曲线发生变化，风机的性能曲线与新的管道阻力特性曲线的交点处就是新的工作点。
　　变频调节就是利用改变性能曲线方法来改变工作点，变速调节中没有附加阻力，是比较理想的一种调节方法。通过变频器改变电源的工作频率，从而实现对交流电机的无级调速。风机采用变速调节时，其效率几乎不变，流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按三次方规律变化。同时采用变频调节，可以降低风机的噪声，减轻磨损，延长使用寿命。风机轴功率Ｐ＝ＫｐＱＨ／ηf，式中，Ｐ――轴功率，Ｑ――流量，Ｈ――压力，ηf――风机效率，Ｋｐ――计算常数；流量、压力、轴功率与转速的关系：Ｑ１／Ｑ２＝ｎ１／ｎ２；Ｈ１／Ｈ２＝（ｎ１／ｎ２）２；Ｐ１／Ｐ２＝（ｎ１／ｎ２）３。
　　电机以定速运转，调节风机风量典型的方法是采用挡板控制。根据挡板在风道中的安装位置可分为出口挡板控制和入口挡板控制，采用挡板控制时，当挡板关小则增加风阻，且不能在宽范围调节风量。例如，要求风量在８０％的情况下，电机消耗的功率约为９０％，能量损失严重。风机在变速状态下运行，保持挡板全开，通过改变风机转速来调整风量，采用变频控制时，电动机消耗的功率＝（８０％）３≈５０％，与其他控制相比，转速控制的节电效果十分明显。
　　２．２风速优化
　　从理论上讲，输送风速只要大于物料粒子的沉降速度，物料就能被吹动，但生产实践证明风送系统的风速有时要大于沉降速度的数倍甚至十倍方能正常工作，否则物料在管底沉积易造成管路堵塞，但风速过高会增加梗丝水分的散失和造碎，达不到剔除梗签和杂物的效果，而且会增加系统的阻力，还会加剧管道的磨损和动力消耗，并增加噪音。因此风速应适当选取，根据流体力学的原理［３］和我厂的生产经验，为保证风分箱４ ｍ／ｓ风选速度，回风管风速为１５～２２ ｍ／ｓ为佳。
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　　１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ变频器通过车间原有ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线与ＰＬＣ通讯，实现对电机的控制，可读取变频器状态字、运行频率、变频器温度及电机电流等大量过程参数；同时，也实现了对电机的远程启动、停止和频率的实时控制［４］。使用网络通讯比传统的控制方式具有下述优点：接线数量减少、采集变频器的数据多、抗干扰能力强等。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络用于简单的、工业用的设备（如变频器、传感器等）与高级设备（如控制器）之间的连接。基于标准的控制域技术，这一开放的网络提供了许多厂商设备之间的可相互操作性，其中包括１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ变频器的通讯。本项目中梗丝风送风机控制用变频器通过１２０３－ＧＫ５通讯模块与主控ＰＬＣ基架中的１７５６－ＤＮＢ模板连接，与ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ５５５５进行通讯。此种控制方式可以通过相应的编程软件察看或修改１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ变频器内部的三百多条参数，如电机的电流、温度、转速等都可以由ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络的数据采集获得，只需在控制室触摸屏或监控机上远程更改参数即可［５］。梗丝风送风机通过１３３６ ＰＬＵＳ ＩＩ变频器得到了智能化控制。同时风送系统也通过此次改造整合到了车间原有集控系统上，减少了人工干预，提高了设备自动化程度。
　　系统改造后梗丝风送风机采用变频器控制，由操作人员在监控机上设置风速，通过ＰＬＣ进行ＰＩＤ运算，运算结果通过ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络输出给变频器，控制风机转速，然后通过风速仪来在线检测实际风速，将测得的数据传给ＰＬＣ从而实时修正风机的转速，进行风速精确、稳定控制。图２表示梗丝气力输送系统的控制框架。
　　２．２．２变频控制可行性论证车间多采用离心式通风机，梗丝风送风机相关参数：流量为１０ ９５０ ｍ３／ｈ，全压为５ ７７０Ｐａ，密度为１．２ ｋｇ／ｍ３，转速为１．４７×１０３ ｒ／ｍｉｎ，电机型号为Ｙ２００Ｌ－４，电机功率为３０ｋＷ，除尘器为扁布袋式，过滤面积为９０ ｍ２，处理风量为８ １００ ｍ３／ｈ，物料管径为４００ ｍｍ。
　　根据车间现有设备的实际情况，我们选择通过变频器改变电机的转速。经过核算风机叶轮的机械强度和电动机的功率，发现变频改变电机转速的调整范围不会超过电机及风机的设计允许值。而且风机的转速不超过该型号风机的额定最高速度。为明了在线风速（回风风速）和离线风速（实际管道风速）及变频器频率之间的关系，我们采用了日本ＫＡＮＯＭＡＸ加野Ａ５４２风速计对分选箱上端的风管段风速进行测量，通过不断的改变变频器的输出频率，记录下此时的在线风速和离线风速，绘制出三者之间的关系图（图３）。由图３得知，在变频器频率输出为３５．００Ｈｚ到５０．００Ｈｚ这一段里（３５．００Ｈｚ以下的时候风速很小，不满足生产要求），在线风速和离线风速基本是呈线性变化的，而且在线风速与离线风速两条线大致是平行的，这就说明，通过变频控制风机转速进而控制实际管道风速的思路完全可行。
　　２．２．３风速参数试验及选择在系统硬件改造完成后，在新的气力输送系统上我们对梗丝的造碎度与风速之间的关系做了对比试验，试验选择梗丝风送速度１５ ~２２ ｍ／ｓ间进行，为了更好地反映出输送风速与造碎度的关系，取输送风速为横坐标，烟丝造碎度为纵坐标［６］，绘出输送风速与烟丝造碎度的关系如图４。由图４可以看出，随着输送风速的增加，烟丝的造碎度是迅速增大的。反之，输送风速越低，梗丝的造碎度相对理想。但在试验中，当选用输送风速＜１５．０ ｍ／ｓ时，有时有少许合格梗丝会在风选中被剔除沉降出来。故输送风速最佳选用范围不小于１５．０ ｍ／ｓ，但为保持气力输送系统的稳定性，克服因生产过程中烟丝切丝大小波动的影响，为了生产安全和操作控制方便，取输送风速１５．５～１６．５ ｍ／ｓ为最优值。在试验中，没有发现烟丝的造碎度随着输送比的改变有着明显的变化。
　　３结语
　　梗丝气力输送系统经采用ＰＬＣ技术改造和参数优化后，系统调节时间明显增快，由于风送参数选择合适，整个气力输送系统运行比较平稳，当产生系统变化时，也能及时达到工序风速要求，因风送系统故障影响停机时间明显降低。尤其可喜的是将梗丝风送改造整合到车间集控系统中后，操作人员能方便地根据实际生产情况调节风送速度，慢慢地在生产中摸索出了一套自己的控制经验。从风选室剔出的物料情况来看，杂物和梗头较改造以前多了，梗丝少了，而且风送两头的水分散失也较以前波动小。生产效率和梗丝质量得到较大的提高。由于气力输送系统在国内还有众多卷烟厂使用，还有其他如烟叶、烟梗、膨胀丝的气力输送，因而推广应用ＰＬＣ变频技术，改造原有系统，并不断摸索总结最佳风送参数，可获得明显的经济效益和社会效益。
　　
　　参考文献：
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　　［２］ 钱东平，程庆会． 降低气力输送小麦能耗的试验研究［Ｊ］． 农业工程学报，２００３，19（３）：１０８－１１０．
　　［３］ 陈克城． 流体力学实验技术［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，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］ 周晖． 卷烟厂的气力输送技术应用参数设计优化［Ｄ］． 南昌：南昌大学，２００５．
　　
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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