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您当前的位置： 一种具备负载均衡功能的风机吸风系统的制作方法
2021-01-07 15:01:00|
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本发明涉及风机通用技术领域，尤其涉及一种具备负载均衡功能的风机吸风系统。
背景技术：
卷烟机是烟草企业生产卷烟产品的设备之一，卷烟机生产所需材料包括烟丝、水松纸、滤棒、卷烟纸和胶水等。其中烟丝的供应是采用风力送丝，即风机提供负压，使和风机连接的送丝管道充满负压空气，送丝管道另一端的储丝柜内的烟丝受吸风影响，伴随着负压空气经送丝管道进入卷烟机(以下简称负载)的集丝箱，如图1所示。负载和风机的连接方式通常采用点对点的对应连接，而且这种对应连接一般是几台负载对应一台风机，风机提供的负压空气(总管负压)提供各个负载要料过程的吸风量，若吸风量不平衡就会直接导致其中某一台负载或若干个负载要料过程受阻或异常，不仅造成烟丝造碎率偏高，而且会造成负载停机而影响生产。为此，如何平衡负载之间的吸风量，保证每台负载完整、有效的完成烟丝要料是研究风机吸风系统稳定性的关键和难题。
传统的卷烟风机吸风系统包括风机、吸风管道、稳流器等。该工作模式是当负载需要负压空气时，一个或若干个负载会发送要料信号给风机，风机在正确接收到信号后开始工作，风机产生负压空气在吸风管道内流通，负压空气伴随着烟丝就被送到了吸风管道另一端的负载。这种风机吸风系统具有明显的弊端：一是该工作模型的负载对应关系往往为三台负载对应一台大功率的风机，三台负载需要的风量与风机提供的风量刚好匹配，供需平衡，此时风机处在满负荷状态。但若其中有一台或几台负载没有运行，自然这些负载也不需要吸风量，但风机提供的吸风风量仍旧保持满负荷状态，此时吸风管道内的风量就太大了，造成风量不平衡，这样就会影响那些仍然还在运行的负载，即负载不均衡，结果不仅由于风量太大造成烟丝造碎率上升，还会因为吸风管道内产生“絮流”而缩短风机使用寿命。二是该工作模式的负载与风机的信号对接关系是点对点关系，即一台或多台负载发出要料信号与一台风机接收要料信号可能发生在相同或不同时刻，若发生在相同时刻，多台负载要料信号会发生重叠，导致多台负载发出的信号相互干扰，这样会造成风机短时间内多次启停，不仅会产生“絮流”，而且会损坏风机。
参考国内其它类似的资料，对此提出的方法有很多。例如：华北电力大学(马燕峰、陈磊等.基于负载均衡的含风电场电力系统优化调度方法[j].电网技术,2018,9)提出一种常规机台出力的重调度方法，并将其应用于风火系统调度系统中，通过负载均衡算法的应用，常规机台能有效平衡风电爬坡事件发生引起的风电功率缺额，保证系统爬坡容量的实际需求。
陕西师范大学(陈杰,李尊朝.多分支吸风管路压力损失及平衡的计算机处理[j].陕西师大学报：自然科学版,1996,1)提出了多分支吸风管路压力损失及平衡计算的数学模型，可快速准确地进行风道系统的设计计算。
华中科技大学(黄禹,徐中等.贯流风叶自动动平衡策略与实现[j].机床与液压,2017,4)构建了贯流风叶动平衡测量及校正系统，极大提高了贯流风叶产品的合格率。
成都第二纺织厂(张涛.用节点阻力平衡原理设计均匀吸风管道[j].纺织学报,1990,11)提出了用节点阻力平衡原理和计算汇流三通阻力等公式设计均匀吸风管道的方法，用该方法进行优化设计可使吸风管道均匀吸风程度提高，阻力损失减少。
这些方法均是直接改造风道管路和风机的硬件结构，这就需要投入大量的资金和时间。同时，采用节点阻力损失部分吸风量来实现负载均衡，这对于在大功率风机吸风系统中会造成较大的能量损耗。此外，这些方法是采用提高风机功率的方法，这对于烟丝的工艺要求，容易造成烟丝造碎率增高，因此，上述方法有一定的局限性。
技术实现要素：
鉴于上述，本发明提供了一种具备负载均衡功能的风机吸风系统，该风机吸风系统能够满足多台负载所需风量总量始终均衡风机提供的风量总量，并使单台负载要料过程保持完整，单台负载所需烟丝造碎率符合要求。
本发明提供的技术方案为：
一种具备负载均衡功能的风机吸风系统，其特征在于，包括通信信号连接器、负载故障通讯器、通信信号滤波器、时间控制器、负载信号缓存器，其中：
所述通信信号连接器用于接收负载和风机之间的信号，并将一台负载信号与风机进行连接；
所述负载故障通讯器用于检测负载通信故障和/或控制负载断电；
所述通信信号滤波器用于对负载信号进行滤波以滤除噪声信号；
所述时间控制器用于计时和控制系统内的时间、应用循环、逻辑控制；
所述负载信号缓存器用于暂存负载在等待与风机连接过程中的负载信号；
所述风机吸风系统的负载均衡策略包括基于能量检测的负载均衡策略，具体包括：
通信信号连接器接收负载发送的负载信号后，系统将测量负载信号的能量值，比较所述能量值与给定能量阈值以确定负载信号是否真实存在，其中，所述能量值包括电流值和电压值，所述负载信号是一种混合信号，包含噪声信号和由电压信号和电流信号组成的矢量信号。
还包括基于匹配的滤波检测的负载均衡策略、基于特征感知的负载均衡策略以及基于周期频谱检测的负载均衡策略。
与现有技术相比，本发明具有有益效果至少包括：
该风机吸风系统可以灵活实现负载与风机之间的供需平衡。即在若干台负载与风机对应连接状态下，风机通过感知负载能量信号，检测出负载实际运行状态，风机自动降低或提高风量供应，从而灵活实现风量的供需平衡。
同时，该风机吸风系统可以有效避免信号重叠。即在若干台负载同时发出要料信号并尝试与一台风机进行信号连接时，风机通过过滤掉不匹配信号，感知特征信号，从而有效避免负载信号重叠和互相干扰。
此外，该风机吸风系统可以保证高效平稳运行。即在若干台负载间歇要料过程中，风机通过自动检测负载信号的周期频谱规律，风机适时与负载建立信号连接，从而使风机始终高效和平稳运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是背景技术中负载和风机的连接方式示意图；
图2是实施例提供的具备负载均衡功能的风机吸风系统中吸风控制总成的外观示意图；
图3是实施例提供的具备负载均衡功能的风机吸风系统中吸风控制总成的内部布局图；
图4是实施例提供的通信信号连接器的示意图；
图5是实施例提供的负载故障通讯器的示意图；
图6是实施例提供的滤波检测的流程图；
图7是实施例提供的单工检测流程图；
图8是实施例提供的双工检测流程图；
图9是实施例提供的辨别单工检测和双工检测的流程图；
图中所示附图标记如下：
1、液晶屏2、通讯接口3、电源接口4、散热风扇
5、保险丝6、主板6.1、散热片6.2、pci插槽7、时间控制器8、滤波器9、负载信号缓存器
10、通信信号连接器11、负载故障通讯器
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例提供的具备负载均衡功能的风机吸风系统是在原有系统结构的基础上增加了一个吸风控制总成的硬件结构，如图2和图3所示，该硬件结构包括：通信信号连接器、负载故障通讯器、通信信号滤波器、时间控制器、负载信号缓存器，相关硬件部件之间通过网线或通讯电缆实现有效连接，同时还增加了基于这些硬件结构才能实现的负载均衡策略。
其中，所述的通信信号连接器用来接收负载和风机之间的信号，并尝试将一台负载的要料信号与风机进行连接，尝试次数为三次，通信信号连接器的连接方式采用点对点连接方式，连接的数据格式采用十六进制码。若通信信号连接器尝试连接负载不成功或尝试连接超过三次后，通信信号连接器自动断开与当前负载的连接，并尝试将下一台负载的要料信号与风机进行连接。若通信信号连接器尝试连接负载成功，则建立一条当前负载与风机之间的数据连接线，并发送负载相应若干信号给风机。通信信号连接器采用pic插卡形式安装于控制总成内的主板上，其结构如图4所示。
所述的负载故障通讯器用来在当前负载与风机尝试连接不成功时，负载故障通讯器能够实时显示故障位置及故障代码，并且在已经连接成功的负载突发故障或负载通信信号突发断开或丢失时，负载故障通讯器能够使当前负载断电，从而不影响其他负载连接。负载故障通讯器采用pic插卡形式安装于控制总成内的主板上，其结构如图5所示。
所述的通信信号滤波器用来转换负载的通信信号，使信号不失真，并且能够屏蔽无用信号，防止负载与风机之间尝试连接的过程中不受到其他信号的干扰而导致连接不成功。其结构如3所示。
所述的时间控制器采用可编程继电器，用来计时和控制系统内的时间、应用循环、逻辑控制等。其结构如图3所示。
所述的负载信号缓存器用来储存负载在等待与风机连接过程中的要料信号，或是负载在排除等待连接过程中的其它信号。负载信号缓存器为容量32kb的可擦除储存器，当储存容量不够而导致数据溢出时，则无法再进行储存。其结构如图3所示。
基于上述这些硬件结构才能实现的负载均衡策略包括基于能量检测的负载均衡策略、基于匹配的滤波检测的负载均衡策略、基于特征感知的负载均衡策略以及基于周期频谱检测的负载均衡策略。采用的负载均衡策略不是用来大范围改造风道管路和风机，而是通过现有的硬件条件来检测负载发送的能量信号和感知负载中矢量信号来识别负载的工作状态并间接控制风机风量的传送，以此达到供给负载吸风风量均匀的目的。
采用的负载均衡策略不是阻断风道一部分管路或损失一部分的吸风风量，而是采用滤波器来检测和匹配负载的发送信号，实现信号定时和载波同波，以此达到供给负载吸风风量均匀的目的。
采用的负载均衡策略不是通过提高风机工作功率或更换大功率风机来达到供给负载吸风充分、完整的目的，而是利用负载周期性要料的规律，通过识别和接收负载信号的频谱来检测负载的工作状态，实现风机循环提供吸风，以此达到供给负载吸风风量均匀的目的。下面针对每种负载均衡策略进行详细说明。
所述基于能量检测的负载均衡策略，具体包括：
通信信号连接器接收负载发送的负载信号后，系统将测量负载信号的能量值，比较所述能量值与给定能量阈值以确定负载信号是否真实存在，其中，所述能量值包括电流值和电压值，所述负载信号是一种混合信号，包含噪声信号和由电压信号和电流信号组成的矢量信号。
具体地，所述基于能量检测的负载均衡策略的检测过程为：
通信信号连接器在接收到负载发送的负载信号后，系统对负载信号依次进行模数转换、数字化处理后，将获得的数字信号通过快速傅里叶变换转换成矩阵，对矩阵求平方后再求平均获得能量值，比较该能量值与给定能量阈值，从而确定能量值对应的期望信号是否真实存在，当能量值对应的期望信号存在时，确定负载与风机处于连接状态。
其中，期望信号即实际运行的负载信号(负载运行会产生电流值和电压值)，通过比较能量值与给定能量阈值可以排除没有实际运行的负载和其它噪声信号。具体算法为：
s(f)＝select(r*(f)＝＝s(t))
其中，r(t):混合信号，r*(f):傅里叶变换后信号，r(f1):电流信号，r(f2):电压信号，s(f):负载实际运行信号，s(t):系统给定能量阈值。
针对基于匹配的滤波检测的负载均衡策略，当负载与风机尝试进行信号连接的过程中，会有许多噪声信号(负载和风机都会产生噪声信号)，通信信号滤波器在响应后从这些信号中过滤掉噪声信号后得到实际有用的信号并进行最优检测，再来匹配负载若干个实际运行信号。假设通信信号滤波器通过接收负载混合信号r(t)，并经过傅里叶变换后得到信号r*(f)，则匹配的滤波信号如下：
其中，n(t):噪声信号，y(f):匹配的滤波信号，y(t0):初始滤波信号，y(t):随机信号。
所述的匹配的滤波信号在求得后即可以进行滤波检测，如图6所示，具体地，所述基于匹配的滤波检测过程为：
通信信号连接器在接收到负载发送的负载信号后，系统对负载信号依次进行模数转换、数字化处理后，将获得的数字信号传送给通信信号滤波器进行滤波处理，获得滤波信号，然后通过滤波信号和脉冲响应之间进行kmp匹配检测，以获得负载实际运行信号，根据该负载实际运行信号确定负载与风机的连接状态。其算法如下：
特别说明的是为了简要说明，图6中只举例了三个负载，实际工况中负载有一个或若干个。
在进行基于匹配的滤波检测的负载均衡策略时，需要时间控制器实施信号定时和载波同步，若干个负载信号暂时被储存在负载信号缓存器中。但是，储存容量不得高于32kb，否则会造成信号的数据溢出，造成信号丢失。
针对基于特征感知的负载均衡策略，当负载在运行中会产生矢量信号(电压信号和电流信号等)和大量噪声信号，这些信号都会发送给风机，而其中只有矢量信号才是有效的，由于矢量信号和噪声信号的统计协方差是不同的，所以利用这个性质来检测风机接收信号中矢量信号的存在。具体地，具体地，基于特征感知检测过程包括：
通信信号连接器在接收到负载发送的负载信号(包括矢量信号和噪声信号)后，系统将负载信号作为特征信号进行连续采样，取得多个采样样本后，系统将多个采样样本进行统计协方差矩阵运算，获得矩阵运算的特征值，根据该特征值进行单工检测和双工检测，并比较该特征值与给定特征阈值，以确定负载与风机的连接状态。
风机接收到的混合信号r(t)＝y(t)+n(t)，当混合信号作为特征信号被采样时，则采样混合信号r(k)为：r(k)＝y(k)+n(k)，式中y(k)为采样随机信号，n(k)为加性高斯噪声的样本量。
采样混合信号必须采集若干个当前负载发送的信号作为样本量进行检测，这样可使信号特征明显。为此，考虑l个采样样本量，定义如下特征向量：
它们的关系是：
式中il是一个l*l的单位矩阵，其中仅当没有信号和仅有白噪声时，rr才是一个对角矩阵。
针对统计协方差矩阵，通过矩阵运算的特征值检测可分为两类。如图7所示，一类是单工检测，即负载预先发送混合信号给风机，这个混合信号包括要料地址(十六进制码)、要料时间、延时时间、设定牌号等特征值，这个混合信号发给风机后，风机不会立即响应，若此时有别的负载已经与风机建立信号连接，那么这台负载就进入排队状态(该台负载信号暂存在负载信号缓存器中)，一直等到风机处于空闲状态，这台负载才尝试与风机建立信号连接。这种单工检测适用于点对点的连接形式。优点是信号连接稳定，负载要料过程比较完整；缺点是风机工作效率较低，频繁启停，无法满足多台负载循环要料需要。
如图8所示，另一类是双工检测，即负载不是预先发送信号给风机，而是实时与风机进行信号交互，负载会不间断地将吸风量、烟丝容量、当前牌号(区别于单工检测的设定牌号，当前牌号由系统检测)等特征值发送给风机，风机将该台负载或若干台负载都进行排队状态(该台负载或若干台负载的特征信号都暂存在负载信号缓存器中)，同时风机会根据当前负载排队状态和自身风机功率、牌号匹配、送风量等特征值进行估算，然后选择时机与该台负载或若干台负载进行连接或断开，风机与这些负载的连接是循环连接的，即若有一台负载与风机断开连接了，风机就立即选择另一台排队的负载建立信号连接，待先前断开连接的负载需要连接时，再根据排队状态适时与该台负载建立信号连接。这种双工检测适用于多点连接形式，优点是风机工作效率高，启停次数很少，可以满足多个负载循环要料的需要，缺点是对通讯的硬件要求较高，否则容易在信号交互过程中信号特征值丢失。
特别说明的是为了简要说明，图8中只举例了三个负载，实际工况中负载有一个或若干个。
所述基于特征感知的负载均衡策略中，
假设h0是负载发送特征值信号的事件，h1是风机发送或接收特征值信号的事件，包括单工检测和双工检测的错误检测或称为虚检的概率p1为：
p1＝(t＞t|h0→h1)
正确检测的概率p2为：
p2＝(t＞t|h1→h0)
所述的虚检概率设置阈值t，令(λ1,λ2...λl)是负载发送的特征值，则基于单工或双工检测特征值的算法为：
式中t表示风机信号特征值，t表示虚检概率设置的阈值，l表示样本量，tl表示有l个样本的阈值，若λl＞tl，则t视为一个双工检测，其负载与风机的信号特征值由协方差矩阵统计产生；若λl＜tl，则t视为一个单工检测，其负载的信号特征值由协方差矩阵产生，但风机的信号特征值无法直接统计得出，则根据负载的信号特征值通过最大拟合估算方法获得风机信号特征值，即假设负载已存在包含了各个特征值的矢量信号，风机在未和负载建立信号连接的情况下，采用拟合估算求得负载特征值，以便风机在空闲时能够快速与负载建立连接，拟合估算方法为：
其中，σn表示第n个有限元；il表示一个l*l的单位矩阵。
通过特征值t来辨别单工检测和双工检测的流程图如图9所示。
针对基于周期频谱检测的负载均衡策略。当负载在运行中，它的要料过程不是连续的，而是间歇的，这个过程是有周期性的，所以负载发送的信号频谱也是有周期性的，例如负载的载波信号频谱、脉冲信号频谱等。风机可以利用负载这种特点来适时与负载建立信号连接。
具体地，基于周期频谱检测过程为：
通信信号连接器在接收到负载发送的周期性的负载信号后，系统将负载信号转换为在一个周期内且包括周期信号的函数集，再通过快速傅里叶变换并加入周期频率得到频谱函数，最后通过判断频谱函数的趋向来检测负载与风机的连接状态。
基于周期频谱检测的特点是风机可以仅采用所接收负载信号的频谱就可以识别和完成检测。所述基于周期频谱检测的负载均衡策略中，假设风机接收到负载的混合信号r(t)的自相关函数r’(t)定义为：
其中，z(t)表示载波信号，m(t)表示脉冲信号，y(t)表示随机信号；
负载的混合信号r(t)的自相关函数r’(t)表示在一个周期t内的混合信号函数集，通过快速傅里叶变换并加入周期频率α得到频谱相关函数
频谱相关函数
上述具备负载均衡功能的风机吸风系统可以灵活实现负载与风机之间的供需平衡。即在若干台负载与风机对应连接状态下，风机通过感知负载能量信号，检测出负载实际运行状态，风机自动降低或提高风量供应，从而灵活实现风量的供需平衡。
同时，该风机吸风系统可以有效避免信号重叠。即在若干台负载同时发出要料信号并尝试与一台风机进行信号连接时，风机通过过滤掉不匹配信号，感知特征信号，从而有效避免负载信号重叠和互相干扰。
此外，该风机吸风系统可以保证高效平稳运行。即在若干台负载间歇要料过程中，风机通过自动检测负载信号的周期频谱规律，风机适时与负载建立信号连接，从而使风机始终高效和平稳运行。
总之，该风机吸风系统具有能量损耗小、风量均匀稳定、送丝过程完整可靠并且使用范围广、改造成本低、后期维护便捷等特点。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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