储丝柜的烟丝出料量测量技术与应用.docx

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、烟丝计量、烟丝供给。 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 1017左右， 按一柜烟丝 4000kg 计算达 400680kg，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 2005=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： .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 .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 0.5120=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。 .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=1L，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 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 =Gh 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 ，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，故烟丝量计算方程： 图 5 积分平面坐标图 Z1= 0xy dx= 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=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：Z3 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： Z1k12 Z1h xt Z1Z -k12 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 1149*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 12 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 1418 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 x118mm，相对误差1298=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-X2，即误差判别为0.5 x，重量相对误差为0.5 xL。实际理论测定 xL 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 XX 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 400kg680kg 之间，到改进后 的 10kg90kg 之间，烟丝量误差减少达 390590kg。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 2.2x 10x 0.75 x 245x 20x 0.9=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