烟草制丝运输带智能防堵料控制系统设计

张艺辉 谢枫燃 施旭东 吕思博

（云南省红塔集团玉溪卷烟厂，云南 玉溪 653100）

0 引言

生产线上，叶片输送采用的方式大多为带式输送机、振动输送机、提升机、管道输送机等。中控室计算机通过控制网络可分别实现各输送机的单机和组合控制，进而实现设备的连续自动化生产[1]。目前制丝生产线普遍采用流水线作业，因工艺要求和生产流程所制，所采用的运输带数量较多且布局紧凑，同时受制于现场环境，堵料时所用的疏通时间较长，严重影响了生产进程。

目前运输带多为固定频率运行，也无堵料监测功能。在生产过程中，当外部原因导致运输带落料口物料高度较高时，如果生产人员没有及时发现，非常容易造成物料堵塞。流量较大的运输带一旦发生堵塞，物料会在短时间内大量堆积，堵塞疏通难度大，疏通时间长。严重时运输带会被拉断或者电机堵转跳闸停机，严重影响了生产连续性、生产效率、工艺质量和设备使用寿命。

针对该类运输带进行智能化防堵料控制升级改造显得尤为重要，该智能控制系统结合变频器通过PLC 控制使运输带具有变频调速功能，输送速度可以根据料位高度实时可调，最终实现运输带智能识别堵料报警、自动调控速疏通的功能，减少堵料风险，保证生产的连续性和产品质量。

1 智能防堵料装置的结构与工作原理

1.1 智能防堵料控制的原理

在落料口处加装基于超声波传感器的料位高度智能控制报警装置，运输带前端设置分料活门和缓冲喂料机。超声波传感器根据料位检测高度自动识别堵料情况，发生堵料后及时通过声光报警通知操作人员，同时系统自行将活门切换到喂料机中，将后续来料暂存入缓冲喂料机中，防止继续来料加剧堵塞。根据超声波传感器监测的料层高度识别出堵料的严重程度，并分等级，如轻度、中度、重度。根据不同的堵料程度运输带自行调整速度，步进减速。由于前端来料被切断了，后端的运输带速度没变且速度比控制运输带速度大，可以极大地降低堵料风险。必要时也可进行反转操作。为人员疏通赢得时间，避免出现完全堵死的情况，缩短疏通时间。堵塞疏通后，运输带物料高度恢复正常，活门切换到正常进料模式，喂料机自动启动将缓存物料加入运输带。

1.2 智能防堵料装置的结构

如图1 所示，智能防堵料装置由超声波料位高度监测传感器、PLC 控制器、缓冲喂料机、压缩空气电磁阀及转换活门、变频调速器及运输带电机、声光报警器构成。

图1 智能防堵料装置工作构成示意图

综上原理所述，当位于落料口的超声波料位高度传感器监测到运输带上物料高度较高，有发生堵料风险时，传感器立即向PLC控制器发送报警信号。当PLC 控制器持续收到超声波传感器发送的报警信号并且报警信号的持续时间≥ 60s时，PLC 控制器立即启动防堵料控制程序。打开压缩空气电磁阀控制活门转换，将后续来料暂存入缓冲喂料机中，同时根据堵料情况控制变频器使运输带电机步进降速，减小后续来料流量，为疏通赢得时间，避免造成堵死，减小疏通难度并且输出声光报警，提醒操作工对堵料问题进行排查处理。待堵料故障排除后，缓冲喂料机启动将物料均匀返加，运输带匀速步进恢复至正常流量，从而保证生产的连续性和产品质量。

2 装置的安装

2.1 料位高度监测传感器的选型与安装

由于制丝车间具有湿度大、灰尘大、温度高及加工物料牌号多样化等特点。为了从根本上解决运输带堵料报警慢、疏通难等问题，该智能防堵料控制系统研发需要满足的条件包括新增器件少、程序算法控制精度高、可以满足不同牌号物料的流量要求和质量特性等要求。同时，加装新的控制系统后设备运行效率应得到大幅提高，使用寿命明显增长并且维护保养工作快速简单，在日常的使用维护中，减少备件的更换费用，极大地节约车间的人力物力财力等。

目前市面上的高度监测传感器根据测量原理可分为：红外线传感器、超声波传感器、光学传感器等。结合制丝线所处环境考虑，该装置最终选用超声波料位高度监测传感器。超声波测量是一种典型的非接触式的测量，使之能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用[2]。相比于其他非接触式测量系统，如红外系统、光学系统等，其具有指向性强、精度高、穿透性强等优点且造价便宜、结构简单、易于操作。同时该类型传感器不惧暗光环境，在灰尘或高湿环境下对传感器的测量也基本没有影响，特别适合制丝线现场环境使用。后期根据具体场景需要也可替换或加装图像传感器，以满足更多设备使用。如图2 所示，超声波传感器具体型号为UC2000-30GM-IUR2-V15，外表为带螺纹的圆柱状，其直径为30.0 mm，长度为141.5 mm。该传感器体型小巧便于安装，性能稳定，对外界环境因素变化有很好的抗干扰能力。检测范围为80 mm～2 000 mm，盲区为0 mm～80 mm，响应延时最小65 ms，其精度符合测量要求。

图2 超声波料位高度监测传感器结构示意图（单位：mm）

安装位置在运输带上方支撑杆正中处，如图3 所示。

图3 超声波料位高度监测传感器安装位置示意和现场安装图

2.2 缓冲喂料机及转换活门的安装

使用不锈钢板分料活门，安装在前端运输带和控制运输带之间，使用压缩空气电磁阀控制活门转换。在活门另一侧加装缓冲喂料机。安装完成后，活门的两种控制状态分别对应正常模式与堵料模式。

2.3 安装细节

安装细节一：超声波料位高度监测传感器与PLC 之间的电源和信号电缆必须是屏蔽电缆并且与动力电缆分开布线，防止相互干扰[3]。

安装细节二：超声波料位高度监测传感器的安装支架必须牢固可靠，防止震动出现误动作并且将声光报警灯安装在操作工容易看到的位置。

安装细节三：缓冲喂料机前的分料活门及配件必须可靠耐用，通过迅速精确的转换动作确保物料运输通道切换的顺利通畅。

安装细节四：根据现场环境和设备布局，若原有隔离开关离操作工位较远，可根据实际情况加装双隔离开关方便操作人员使用，确保堵料时能及时切断所控设备安装细节如图4 所示。

图4 安装细节示意图

3 控制实现

3.1 控制算法说明

控制系统采用超声波测距的方式为系统采集运输带上的物料高度信息，通过有效的算法实时监测物料高度是否处于标准范围内，一旦超出范围并达到预设持续时间便自行启动智能报警疏通程序。

具体来说，该智能防堵料控制系统判断堵料与否主要取决于一段时间内运输带上的物料总量，可通过西门子S7-300 型PLC 基于流量计算公式得出：出料流量=M（质量）/H（时间）=[V（体积）×ρ（密度）]/[S（距离）/v（速度）]=[W（带宽）×h（料高）×S（距离）×ρ（密度）]×[v（速度）/S（距离）]=W（带宽）×h（料高）×ρ（密度）×v（速度）=W（带宽）×h（料高）×ρ（密度）×f（运输带电机频率）×v（每1Hz 的底带速度）。

流量公式中的几个核心参数：流量值，W（带宽）为固定值，不同牌号的烟丝密度ρ（密度）查阅相关工艺资料可知，h（料高）是超声波传感器实时测量得到的数值，v（每1Hz 的储柜带带速度）通过测量实验可得。因此，所述的f（运输带电机频率）理论值即可根据超声波传感器测量的h（料高）进行实时计算得出.该值与正常输送物料时的标准值进行比较可得出底带运输频率的高低，过低说明前端来料较多可调运输带后端无堵料风险；过高说明前端来料较少可调运输带前端有堵料风险，从而进行堵料风险智能预判。

3.2 控制过程说明

如图5 所示：1） 转换活门和预备喂料机。当发生“Ⅰ级堵料”时，在PLC 控制器控制下，自动开启转换活门，将前端来料先预储于预备喂料机中，直至疏通运输带恢复正常后，预备喂料机开启，将物料均匀反加。2） 超声波料位监测传感器监测运输带料位高度。基于料位高度经屏蔽电缆及时向PLC 控制器作出相应反馈。PLC 控制器根据超声波料位监测传感器所监测的料位高度判定运输带的运行情况，将运输带运行情况分为“正常运输、Ⅰ级堵料、Ⅱ级堵料、Ⅲ级堵料”。并根据堵料级别进行相应的报警降速和停机处理。3） 变频调速器根据堵料层级作相应的降速处理。降速分为“Ⅰ级降速、Ⅱ级降速”，在PLC 控制器控制下，根据堵料层级进行步进降速。当发生“Ⅱ级堵料”时自动开启“Ⅱ级降速”，经“Ⅱ级降速”后料位高度降低，判定为“Ⅰ级堵料”，从而自动调整为“Ⅰ级降速”，直至料位高度小于等于所设正常运行的料位高度后恢复正常速度。从而实现堵料级别低时自动疏通功能。当发生“Ⅲ级堵料”时，立即停机，进行人工处理。

图5 智能防堵料装置控制过程示意图

本地CPU 与远程CPU 之间通过西门子I-Device 通信协议进行实时数据传输，本地子站上装有触摸屏，实现了本地监控和远程监控的多重控制模式。控制程序使用博图软件自主编写，使用结构化编程方式，做成一个独立的功能块，方便主程序调用，迁移性好，方便推广使用。硬件利用原有PLC 输入输出模块和控制网络。新增了超声波传感器和变频器，其他控制器件利用原有PLC 输入输出模块和控制网络，与主控制程序紧密结合，改进的成本低，运用效果好，推广方便。

4 结语

该智能控制系统能够通过实时监测运输带料位高度，快速有效地识别运输带的堵料情况并及时报警。根据堵料程度自行调速进行疏通，极大地降低了堵料风险，缩短了堵料疏通时间，提高生产效率，有效地保证了生产的连续性和工艺指标的稳定性，保证了产品质量。