制丝车间用储柜出料智能控制系统的制作方法
【专利摘要】提供一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其根据制丝车间湿度大、灰尘大、温度高等特点，采用超声波测距的方式为系统采集储柜内的物料高度信息。系统包括超声波传感器，超声波传感器安装于储柜出料口的顶端，进行物料的料高的数据的实时采集；数据处理控制终端连接超声波传感器，获得实时的物料的料高的数据，数据处理控制终端根据物料的料高而实时对底带电机的频率进行控制，从而控制出料流量，系统优选采用PID闭环控制算法进行控制。解决传统控制过程中储柜底带采用恒定速度时，出柜物料流量与后端物料流量不同步，流量不稳定，设备不得不频繁启停的问题。
【专利说明】
制丝车间用储柜出料智能控制系统
技术领域
[0001]本实用新型属于烟草电气的制丝车间储柜出料智能控制领域，用于提高制丝车间储柜出料均匀性和设备运行效率，彻底解决了制丝车间流水线生产过程中由于储柜出料控制精度低，前后工序流量不匹配而导致的设备频繁启停等问题。
【背景技术】
[0002]在烟草行业中，制丝车间原储柜底带电机采用固定频率进行出料，而通过查阅相关资料以及对我厂制丝车间实践分析，在制丝车间中原有储柜采用固定速度出料的控制方式存在以下具体的使用问题:制丝车间不同牌号的物料密度和蓬松程度不一样，在储柜使用固定频率出料过程中虽然不同牌号物料的出料体积相同，但是不同牌号的物料的出料重量就不同了。在后端工序中对流量的监控是使用电子称对流过物料进行实时称重，并根据重量调整电子称上的皮带速度以此控制流量来达到设定值。采用固定的出料速度并不能满足不同的牌号生产要求，会使得流量波动较大，这种波动越到后端设备越被放大。因为制丝车间为流水线生产模式，其前后端工序的物料流量需要有一个很好的匹配，才能使前后工序紧密的衔接在一起，当前端流量过大，就会出现供过于求，后端设备不能及时运走，前端工序设备不得不停机等待后端工序“消化”一段时间，容易造成后端工序设备阻塞。一旦阻塞就要投入大量的物力人力进行疏通，同时物料要重新进行降级返掺，造成人力、物力、财力的损耗。当前端流量过小，就会出现供不应求，这时后端工序设备不得不停机等待前端工序设备的物料输送，容易造成断料，导致物料在工艺判定要求中批不合格，给制丝的加工工艺和成品质量造成严重影响。所以储柜的底带出料电机和后端工序设备不得不频繁的启停，才能保证流量不至于过大或过小。采用固定出料速度是一种粗放式的控制方法，出料均匀性差，物料流量波动大，既不经济方便，也不高效。给生产连续性和产品的质量特性以及设备运行效率、使用寿命都带来了严重的影响。设备经常的频繁启停，严重地降低了设备部件使用寿命，造成设备故障率较高，故障时间较长，备件更换费用居高不下。同时，还对制丝流水线生产加工的连续性和物料品质产生严重的不良影响。这是长期困扰设备管理人员和设备保养人员的问题。
[0003]根据以上实际情况，研究一种简单方便、高效经济的储柜出料智能控制系统，在制丝车间是十分必要的，它将对制丝车间物料加工品质的提升，生产控制精度和设备维护保养的提尚广生革命性的意义。
【实用新型内容】
[0004]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，本实用新型提供一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其新增器件少，控制精度高。
[0005]本实用新型使用超声波传感器，其测距精度高，指向性强，反应灵敏，安装方便，计算简单，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，对外界环境温度变化引起的误差较小等特点能很好的满足制丝车间的环境要求和控制实用要求。
[0006]本实用新型的基本方案能够确保:其通过超声波传感器对料高进行流量控制，从而可以满足不同牌号物料的流量要求和质量特性，同时，加装新的控制系统后设备运行效率得到大幅提高，使用寿命明显增长，维护保养工作变得快速简单，在日常的使用维护中，备件的更换费用也得到有效的降低，极大的节约了车间的人力物力财力。
[0007]另外本实用新型还进一步优化有:在控制算法上使用PID闭环控制算法，以设定流量为基准，超声波传感器实时监测料层厚度，根据底带电机频率计算出实时出料流量。出料流量与设定流量进行比较，当出料流量比设定流量高时，控制器会立即对底带变频器值进行计算修正，使底带速度降低，以降低出料流量。当出料流量比设定流量低时，控制器就会增加变频器值，使底带速度提高，提高出料流量，以此保证流量始终保持在设定值上，优化解决传统储柜出料控制精度低，出料均匀性差，流量波动大，设备启停频繁而导致的运行效率低，使用寿命短，维护保养费用高的问题，对生产和设备管理具有革命性的意义。
[0008]本实用新型通过下列技术方案完成:
[0009]—种制丝车间用储柜出料智能控制系统，包括超声波传感器、数据处理控制终端、底带电机的变频器；
[0010]超声波传感器安装于储柜出料口的顶端，进行物料的料高的数据的实时采集；
[0011]数据处理控制终端为PLC可编程控制器，PLC可编程控制器连接超声波传感器、底带电机的变频器，PLC可编程控制器根据获得实时的物料的料高而控制底带电机的频率。
[0012]优选地，数据处理控制终端采用西门子S7-300型PLC。
[0013]优选地，所述的超声波传感器通过支架安装于储柜顶端，支架一端固定于储柜，另一端开有安装孔，用于固定超声波传感器。
[0014]优选地，前端数据采集设备采用至少3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器，3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器分别安装于储柜出料口的顶端的左、中、右部进行数据的实时采集，3个超声波传感器的安装高度相同，数据处理控制终端对获得的不同传感器的数据进行取平均值处理。
[0015]优选地，所述的圆柱状超声波传感器(2)，其直径为30mm，长度为141.5mm，型号为UC2000-30GM-1UR2-V15。
[0016]优选地，圆柱状超声波传感器的支架为带螺纹孔，厚度为2mm的长方形不锈钢支架
(3)，其长宽尺寸为80mmX 250mm;支架设有用于安装超声波传感器的螺纹孔(4)，直径为31mm，螺纹孔中心距支架顶端距离为30mm，另外支架上用于固定支架的两个螺丝孔(5)，直径为6.2mm，位于距支架底端60mm处，两孔中心的间距为40mm，两孔中心分别距支架两侧边的边距为20mm，用M6的螺栓进行装配。
[0017]优选地，所述的储柜为长方体储柜(I )，其宽度为3190mm，柜深为900mm; 3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器垂直于储柜底带平面通过支架分别安装于储柜出料口的左、中、右部的顶端，其相间两个超声波传感器的距离为1100mm，左右两边的超声波传感器距储柜两侧边距离均为495mm，3个超声波传感器均在同一高度，最低点与储柜底带平面的垂直距离为1050mm。
[0018]优选地，数据处理控制终端包括数据采集模块、出料流量控制模块、电机频率控制输出模块；
[0019]数据采集模块连接超声波传感器，将超声波传感器采集到的实时的物料的料高的数据发送给出料流量控制模块；
[0020]出料流量控制模块内置运算公式为:f=出料流量/(W*h*P*v)，
[0021]其中:W——柜宽、h——料高、P——物料密度、f——底带电机频率、V——每I Hz的底带速度，出料流量为系统的定量设定值，物料密度、每IHz的底带速度也通过系统的输入进行设定为定量，底带电机频率为实时变量，获得的运算结果输出给电机频率控制输出模块；
[0022]电机频率控制输出模块根据出料流量控制模块得到的数值连接变频器对底带电机的电机频率进行实时控制。
[0023]优选地，控制系统的出料流量控制模块包括PID控制单元;控制系统包括输入终端。
[0024]优选地，控制系统包括本地CPU、远程CPU，本地CPU、远程CPU之间通过西门子1-Device通讯协议能进行实时数据传输，本地子站上装有触摸屏。
[0025]本实用新型的设计思路为:
[0026]I)由于制丝车间湿度大、灰尘大、温度高等特点，选用测距精度高，指向性强，反应灵敏，安装方便，计算简单，对外界环境温度变化引起误差较小的超声波传感器来监测储柜内物料的高度，同时根据选定的超声波测距装制作一款简单轻便，超声波传感器能在上面调整高度的支架，便于在安装过程中调试。
[0027]2)在储柜柜头的左、中、右部使用支架等高安装3个垂直于储柜底带的超声波传感器，实时测量同一横截面积下3个点的物料高度，然后取平均值作为当时的物料高度h(料尚)O
[0028]3)物料高度h (料高)通过超声波传感器测量出来后，根据当时的底带电机频率f I(储柜底带电机频率)计算出实时出料流量。
[0029]本实用新型采用超声波测距的方式为系统采集储柜内的物料高度信息，超声波传感器安装于储柜出料口的顶端，进行物料的料高的数据的实时采集;数据处理控制终端连接超声波传感器，获得实时的物料的料高的数据，数据处理控制终端根据物料的料高而实时对底带电机的频率进行控制，从而控制出料流量，系统优选采用PID闭环控制算法进行控制。解决传统控制过程中储柜底带采用恒定速度时，出柜物料流量与后端物料流量不同步，流量不稳定，设备不得不频繁启停的问题。
【附图说明】
[0030]图1为本实用新型的一个实施例的储柜柜头示意图；
[0031 ]图2为本实用新型的一个实施例的超声波传感器示意图；
[0032]图3为本实用新型的一个实施例的超声波传感器支架示意图；
[0033]图4为本实用新型的一个实施例的超声波传感器安装示意图；
[0034]图5为本实用新型的一个实施例的数据控制终端内部结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]现结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步地说明。
[0036]制丝车间用储柜出料智能控制系统，用于制丝储柜底带出料速度的控制，其特征在于，包括前端数据采集设备和数据处理控制终端，数据采集部分采用3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器进行数据的实时采集;数据处理及控制部分使用西门子S7-300型PLC，根据料高进行储柜底带速度控制。
[0037]数据处理控制终端包括数据采集模块、出料流量控制模块、电机频率控制输出模块;数据采集模块连接超声波传感器，将超声波传感器采集到的实时的物料的料高的数据发送给出料流量控制模块；出料流量控制模块内置运算公式为:f=出料流量/(W*h*P*v)，其中:W——柜宽、h——料高、P——物料密度、f——底带电机频率、V——每IHz的底带速度，出料流量为系统的定量设定值，物料密度、每IHz的底带速度也通过系统的输入进行设定为定量，底带电机频率为实时变量，获得的运算结果输出给电机频率控制输出模块;电机频率控制输出模块根据出料流量控制模块得到的数值连接底带电机对电机频率进行实时控制。超声波传感器通过支架安装于储柜顶端，支架一端固定于储柜，另一端开有安装孔，用于固定超声波传感器。在控制系统中设置物料密度识别单元，对于P-物料密度，不同牌号的物料在生产过程中对应着不同的编号，物料密度识别单元对物料的牌号具有读取、判断功能，其配置为识别当前物料牌号和物料密度值并发送给出料流量控制模块。
[0038]控制系统采用西门子S7-300型PLC进行数据分析计算和底带出料速度控制，控制算法基于流量计算公式:出料流量=M(重量)/H(时间)= [V(体积)*P(密度)]/[S(距离)/v(速度)] = [W(柜宽)*h(料高)*S(距离)*P(密度)]*[v(速度)/S(距离)]=W(柜宽)*h(料高)*P(密度)*v(速度)=W(柜宽)*h(料高)*P(密度)*f(底带电机频率)*v(每IHz的底带速度)。
[0039]流量公式中的几个参数值分别是:为了保证前后端工序流量一致，出料流量设定值应该等于后端工序流量值12000kg/h，W(柜宽)为3190mm，不同牌号的烟丝密度P(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IHz的储柜底带速度)通过实验测量可得。测量得到储柜底带以80Hz的频率运行I米的距离所需要时间为52S，因此V(每IHz的储柜底带速度)=[1/(52*80)]*3600 = 0.865111/取扑。汽储柜底带电机频率)为需要控制的变量值，f (储柜底带电机频率)=12000/(3.19*0.865*P(密度)*h(料高))=4348.85/(Ρ(密度)*h(料高))。
[0040]f (储柜底带电机频率)的控制是采用PID闭环控制算法根据超声波传感器测量的h(料高)进行实时调整，h (料高)高时f (储柜底带电机频率)就自动增加，h (料高)低时f (储柜底带电机频率)就自动减小，以确保流量稳定在要求的设定值上。
[0041]如图1、图2，测量储柜宽度为3190_，深度为900_，储柜参数主要用于计算物料出料流量。选定新增超声波传感器型号为UC2000-30GM-1UR2-V15，外表带螺纹的圆柱状，其直径为30_，长度为141.5mm。其体型小巧便于安装，性能稳定，对外界环境因素变化有很好的抗干扰能力。
[0042]如图3、图4，根据超声波传感器外形尺寸设计制作了传感器支架，其厚度为2mm长宽尺寸为80mmX 250mm，支架上有一个用于安装超声波传感器的螺纹孔，直径为31mm，螺纹孔中心距支架顶端距离为30mm，另外有两个用于固定支架的螺丝孔，直径为6.2mm，位于距支架底端60mm处，两孔中心的间距为40mm，两孔中心分别距支架两侧边的边距为20mm。根据储柜宽度和支架尺寸在柜头画线打眼，3个支架使用M6的螺栓紧固在储柜柜头的左、中、右部，相间两个支架间距离为1100mm，左右两边的支架距储柜两侧边距离均为495mm。安装好支架后直接将超声波传感器旋转拧入支架螺纹孔中，调整距离使3个传感器距储柜底部距离均为1050mm，然后把传感器数据线沿储柜线槽接入控制柜内，测试线路是否接通。
[0043]如图5，出料瞬时实际流量与设定流量进行比较，并将误差输送到系统中的PID控制器中，计算出新的修正频率f (储柜底带电机频率)后反馈到储柜底带电机的变频器上，从而将流量调整到设定值上，形成一个PID闭环控制系统。出料流量=W(柜宽)*h(料高)*p(密度)*f(底带电机频率)*v(每IHz的底带速度)，通过换算f (储柜底带电机频率)=4348.85/(P(密度)*h(料高))。而不同牌号的物料在生产过程中对应着不同的生产编号，在控制系统中加入编号读取、判断功能，系统就可以识别当前物料牌号和P(密度)值。剩下的h(料高)参数与可控的f (底带电机频率)成反比关系，使f (底带电机频率)实时跟随h(料高)变化调整，就能实现针对不同牌号的物料，不同的物料厚度，控制系统智能的自动调整出料速度，让出料流量稳定在设定流量上，减少流量波动和设备启停次数。
[0044]需要说明的是，也可以不采用PID而实现对底带电机的频率调节。
[0045]需要说明的是，在基本方案中，PLC可编程控制器的频率控制为料高超过设定值则底带速度加快，反之则变慢，虽然不是最优的控制效果，也可以解决现有的储柜环境恶劣不好控制、流量波动大的基本的技术问题。
[0046]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本案的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本案进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本案的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本案技术方案的精神，其均应涵盖在本案请求保护的技术方案范围当中。
【主权项】
1.一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，包括超声波传感器、数据处理控制终端、底带电机的变频器； 超声波传感器安装于储柜出料口的顶端，超声波传感器进行物料的料高的数据的实时米集； 数据处理控制终端为PLC可编程控制器，PLC可编程控制器连接超声波传感器、底带电机的变频器，PLC可编程控制器根据获得实时的物料的料高而控制底带电机的频率。2.根据权利要求1所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，数据处理控制终端采用西门子S7-300型PLC。3.根据权利要求1所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，所述的超声波传感器通过支架安装于储柜顶端，支架一端固定于储柜，另一端开有安装孔，用于固定超声波传感器。4.根据权利要求1至3任一所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，前端数据采集设备采用至少3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器，3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器分别安装于储柜出料口的顶端的左、中、右部进行数据的实时采集，3个超声波传感器的安装高度相同，数据处理控制终端对获得的不同传感器的数据进行取平均值处理。5.根据权利要求4所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，所述的圆柱状超声波传感器(2)，其直径为30mm，长度为141.5臟，型号为1^2000-3061-11^2-￥15。6.根据权利要求4所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，圆柱状超声波传感器的支架为带螺纹孔，厚度为2mm的长方形不锈钢支架(3)，其长宽尺寸为80_X250mm;支架设有用于安装超声波传感器的螺纹孔(4)，直径为31_，螺纹孔中心距支架顶端距离为30mm，另外支架上用于固定支架的两个螺丝孔(5)，直径为6.2mm，位于距支架底端60mm处，两孔中心的间距为40mm，两孔中心分别距支架两侧边的边距为20mm，用M6的螺栓进行装配。7.根据权利要求1至3任一所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，所述的储柜为长方体储柜(I)，其宽度为3190mm，柜深为900mm； 3个规格型号相同的圆柱状超声波传感器垂直于储柜底带平面通过支架分别安装于储柜出料口的左、中、右部的顶端，其相间两个超声波传感器的距离为1100mm，左右两边的超声波传感器距储柜两侧边距离均为495mm，3个超声波传感器均在同一高度，最低点与储柜底带平面的垂直距离为1050mmo8.根据权利要求1至3任一所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，数据处理控制终端包括数据采集模块、出料流量控制模块、电机频率控制输出模块； 数据采集模块连接超声波传感器，将超声波传感器采集到的实时的物料的料高的数据发送给出料流量控制模块； 出料流量控制模块内置运算公式为:f=出料流量/(W*h*P*v)， 其中:W——柜宽、h一一料高、P——物料密度、f——底带电机频率、V一一每IHz的底带速度，出料流量为系统的定量设定值，物料密度、每IHz的底带速度也通过系统的输入进行设定为定量，底带电机频率为实时变量，获得的运算结果输出给电机频率控制输出模块； 电机频率控制输出模块根据出料流量控制模块得到的数值连接变频器对底带电机的电机频率进行实时控制。9.根据权利要求8所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，控制系统的出料流量控制模块包括PID控制单元;控制系统包括输入终端。10.根据权利要求1所述的一种制丝车间用储柜出料智能控制系统，其特征在于，控制系统包括本地CPU、远程CPU，本地CPU、远程CPU之间通过西门子1-Device通讯协议能进行实时数据传输，本地子站上装有触摸屏。
【文档编号】G05B19/418GK205540236SQ201620280887
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】赵德蓉, 祁跃东, 孙绍波, 徐仁辉, 杨燕平, 施旭东, 尹招然
【申请人】红塔烟草(集团)有限责任公司