李培培

(河南中煙有限責任公司安陽卷煙廠,河南 安陽 455004)

0 引言

松散回潮工藝的核心工作,就是將切片處理之后的煙塊進行松散化處理,借助于蒸汽、水分使得煙葉更具有柔軟性,由此增強片煙的易加工和韌性,為后續(xù)的批量化生產(chǎn)提供重要支持。 隨著煙草行業(yè)與科技不斷進步,新時代對于工藝要求已遠遠不止利用人工來改變串級操控,進而需要研究出一種新型操控系統(tǒng)來提升回潮出口水分的精準性與穩(wěn)定性。

1 松散回潮出口水分控制系統(tǒng)的組成原理

松散回潮出口水分控制系統(tǒng)主要構(gòu)成涉及兩個模塊,即是前室加水、后室水分控制系統(tǒng)。 前者主要構(gòu)成包括專家系統(tǒng)、模糊推理系統(tǒng)、前饋技術(shù)、加水控制器、電磁流量計、噴嘴等,此軟硬件控制系統(tǒng)可用于對煙葉水分加以粗略調(diào)控。 專家系統(tǒng)主要是依據(jù)行業(yè)專家經(jīng)驗,按照水分受到干擾因素的改變,進而為加水系統(tǒng)提供科學決策[1]。 前饋系統(tǒng)根據(jù)煙葉水分、流量等因素,來對理論加水流量進行明確,進而加水系數(shù)可對該流量加以修正。 前饋輸出則能視作加水控制裝置的給定值,后室水分控制系統(tǒng)構(gòu)成則涉及水分儀、控制器、模糊推理系統(tǒng)、氣動薄膜閥等,可以對前室煙葉水分進行精細調(diào)控。 前后室可以進行獨立化工作,并且可以對模糊推理系統(tǒng)進行分時復(fù)用。 前室加水控制系統(tǒng)實現(xiàn)機制:第一步,通過前饋系統(tǒng)對理論加水量進行明確,與此同時,借助專家系統(tǒng)可確定加水系數(shù);第二步,對前饋輸出進行計算,并將其定值用作加水控制器的給定值,該控制器能夠基于給定與實際值偏差,對相應(yīng)的氣動薄膜閥開發(fā)進行PID 調(diào)控,從而對加水流量進行相應(yīng)的控制。 另外,按照偏差及其變化率,并對模糊推理系統(tǒng)進行運用,能夠?qū)铀刂破鞯? 個參量進行在線整定,譬如K1P 等,可以對加水流量進行更為靈敏的調(diào)整。 后室水分控制器實現(xiàn)機制:基于出口水分設(shè)定與實際大小,對相應(yīng)氣動薄膜閥開度進行PID 控制,從而調(diào)控補水量,進而對出口煙葉的水分進行精細化調(diào)整[2]。 另外,基于偏差及其變化率以及模糊推理系統(tǒng)對控制器的參量進行在線整定,有助于增加出口水分控制的穩(wěn)定和精準性,其中參數(shù)涉及K2D、K2P 等。

2 前饋環(huán)節(jié)與專家系統(tǒng)設(shè)計

2.1 前饋環(huán)節(jié)的設(shè)計

各類牌號卷煙分為不同等級,其配方原料由不同廠家所提供,各卷煙水分也有較大差異。 各種牌號卷煙其制作材料中煙草薄片成分多少也有較大差距,需控制被控參數(shù),利用前饋環(huán)節(jié)補償干擾來進行。

入口煙葉量及其水分是可以被檢測的干擾因素,具體可以對理論加水流量進行計算[3]。 對于干料流量而言,就是將入口煙葉的水分百分比進行相減,然后再和入口煙葉流量進行相乘。 對于理論加水流量來說,就是干料流量和入口煙葉水分設(shè)定大小百分數(shù)進行相乘。 另外,將入口煙葉流量和相應(yīng)水分百分比相乘,將兩個乘積結(jié)果進行減法運算。 被控參量涉及許多可以被測量的干擾因素,如蒸汽噴射流量、煙草薄片流量等。 此外,被控參量還涉及難以被檢測的干擾因素,如滾筒內(nèi)部環(huán)境、煙葉自身特點等。 大量經(jīng)驗總結(jié)可知,在滾筒內(nèi)部環(huán)境、煙葉流量、蒸汽噴射流量等參數(shù)整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)時,此時難以測量的干擾因素就是煙葉自身特定。 倘若此時加入理論流量,就容易產(chǎn)生過、欠補償?shù)葐栴}。 為了對前饋調(diào)節(jié)的粗略性進行解決,還需要引入加水系數(shù)(K)來對該理論加水流量進行優(yōu)化。 通常,前饋輸出等于K 和理論加水流量的乘積。在具體生產(chǎn)環(huán)節(jié),可以按照干擾動態(tài)改變,對K 值進行調(diào)整。 倘若該值過高,就容易產(chǎn)生過補償,這樣后室水分控制器就無法相應(yīng)調(diào)整余量。 倘若K 值過低,就容易產(chǎn)生欠補償,借助于后室控制裝置,不易對不足的水分進行補償[4]。 前室控制系統(tǒng)要給煙葉提供增濕水,而后室可以提供的調(diào)節(jié)幅度,僅為1.5 成。 為此,要緊密結(jié)合干擾的動態(tài)改變,對K 系數(shù)進行調(diào)控,從而滿足前后室控制要求。

2.2 專家系統(tǒng)設(shè)計

模擬利用干擾變化加水的決策工程過程的計算機軟件系統(tǒng)即是專家系統(tǒng),主要補充工藝工程師和專家在各種干擾因素干擾時判斷加水系數(shù)的經(jīng)驗,可以像工藝工程師和專家一般在生產(chǎn)時通過干擾變化判斷出加水系數(shù)變化。 解釋機、推理機、知識獲取、人機接口等部分構(gòu)成了專家系統(tǒng),如圖1 所示。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.2.1 推理機

推理機是專家機制的執(zhí)行機制,同樣也是用于各類推理以及研究功能的程序。 給水系統(tǒng)推理一般采取正向推理。 它的工作流程大概為以下幾點:第一,從S7-400PLC 中獲取到和其有關(guān)的加水系數(shù)決策推理資料保存到數(shù)據(jù)庫中,便于后期查看。 第二,推理機在數(shù)據(jù)庫中尋找與加水系統(tǒng)相關(guān)資料,從知識庫中提取相關(guān)信息和記錄條件進行對應(yīng),如果其中有一條規(guī)則是成立的,就必須使全部事實都匹配成功。 如果有一個事實無法成立,就將這個規(guī)則直接跳過,選擇另一個規(guī)則進行匹配。 如果其中某一個規(guī)則與所有事實都匹配成功,就代表這個規(guī)則成立,之后將此規(guī)則保存到數(shù)據(jù)庫內(nèi)。 如果推理完成后仍未獲取加水量系數(shù)決策結(jié)果,則現(xiàn)狀不需對于水量系數(shù)進行改變,就代表加水系數(shù)規(guī)則是完整的。 如果目前加水系數(shù)無法滿足條件,則表示知識庫中沒有此規(guī)則,就需要在加水系數(shù)的知識庫中加入新條件。 第三,應(yīng)該從數(shù)據(jù)庫內(nèi)獲取加水系數(shù)決策推理的結(jié)果,并將它保存到S7-400 PLC 的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

2.2.2 解釋機

向用戶表達轉(zhuǎn)接系統(tǒng)推理過程是解釋機主要功能,以便用戶能夠理解推理中使用的事實前提和推理過程中使用條件。 因為條件是計算機中的記錄,一般是用符號來表達,不是專業(yè)人士無法理解這類符號是何含義[5]。 一旦系統(tǒng)給出結(jié)論后,導(dǎo)出結(jié)論的數(shù)據(jù)與相關(guān)資料以符號語言的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中,并且解釋機會將這些符號語言翻譯成“如果……”形式的語句,并利用人機接口方式提供給用戶查看。

2.2.3 人機接口

用戶與專家系統(tǒng)完成交互頁面就是人機接口,它的功能分為兩個方面:第一是給使用的用戶供給一個解釋機觀察界面。 用戶可以在此界面觀察水系數(shù)變化以及其他信息,有利于將來優(yōu)化水系數(shù)決策。 第二是管理與維護加水系數(shù)決策條件。 用戶可以根據(jù)自身需求更改加水系數(shù)決策條件。

2.2.4 知識獲取

知識獲取模塊的功能是理解或修改為專家要求的內(nèi)部形式所供給的知識,并將其作為新知識添加到知識庫中。 通過在數(shù)據(jù)庫中修改和刪除來完成是此模塊的主要功能。

3 控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

3.1 硬件構(gòu)成

專家系統(tǒng)、上位機以及下位機構(gòu)成了控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)有配備顯示器與PC 機(見圖2)。 上位機現(xiàn)場控制站選擇西門子IPC677C。 S7-400PLC 是下位機操控系統(tǒng)。 S7-400PLC 根本作用就是后室與前室水分控制與收集數(shù)據(jù)。 對前室入口煙葉流量、累積量可以借助于入口電子皮帶秤來進行檢測,同時還利用專門的水分儀,檢測出入口煙葉的水分,這兩個檢測裝置可以相互配合運用,這樣就能為前饋加水運算提供重要的數(shù)據(jù)支持。 前室配置的氣動薄膜閥,可以對加水流量進行動態(tài)控制。 電磁流量可以對加水流量的動態(tài)變化進行檢測。 噴嘴則能將蒸氣和水的混合物更加均勻的作用到煙葉之上。 對于后室控制模塊而言,同樣提供了噴嘴、出口水分儀、氣動薄膜閥模塊等,后者對后室的加水流量進行動態(tài)控制,噴嘴的作用和前室功能基本一致。 水分儀則是對煙葉的出口水分值進行檢測。 另外,該控制系統(tǒng)還集成了CP443-1 通信模塊,其中配置了以太網(wǎng)口,可以和交換機進行直連,專家系統(tǒng)也借助于網(wǎng)絡(luò)端口進行對接,另外,該設(shè)備還提供了PROFIBUS-DP 接口,該設(shè)備能夠和總線耦合裝置進行對接,后者主要涉及出入口水分儀設(shè)備、皮帶秤設(shè)備等,都可以利用此接口與總線進行對接,前、后室氣動薄膜閥則能和總線耦合模塊的PA 端口進行對接,而控制和開關(guān)量檢測信號,則能夠和SM423 IO(數(shù)字型)模塊進行對接[6]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

3.2 軟件組成

控制系統(tǒng)構(gòu)建部分分別為尚未專家系統(tǒng)程序與OLC 等程序。 對于上位WINCC 程序一般是用于監(jiān)控松散回潮過程,開發(fā)采用WINCC7.0。 專家系統(tǒng)主要是由推理求解順序、解釋機程序、知識庫構(gòu)成,主要決策加水系數(shù)。 知識庫、后室水分控制系統(tǒng)以及前室水分控制系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)成PLC 程序,主要是利用梯形圖進行表達。 本文分析重點主要是前后室控制程序。 前室料頭與料尾以及加水控制系統(tǒng)所構(gòu)成前室加水控制程序。 同樣,后室料頭、料尾兩個處理程序以及水分控制系統(tǒng)構(gòu)成后室水分子控制系統(tǒng)。 當煙葉進入滾筒中四分之一位置之前進行的一系列程序就是料頭處理程序。 反之當煙葉在滾筒中還剩四分之三之后要進行的一系列程序就是料尾處理程序[7]。 前室加水控制程序與后室加水控制程序最重要也是最關(guān)鍵一步一定是判斷是料頭還是料尾。 如果在進行料頭料尾工作時,應(yīng)將其進入到對應(yīng)的料頭料尾字程序內(nèi)。 如果未在進行料頭料尾階段,則可以進行正常水分控制操作。

4 結(jié)語

本次研究將PID、模糊推理與專家系統(tǒng)技術(shù)進行結(jié)合,由此開發(fā)出創(chuàng)新的松散回潮出口水分控制系統(tǒng)。在對加水系數(shù)進行控制時,使用了專家系統(tǒng),使得前饋輸出得到更為快速、準確的調(diào)控。 對于前、后室的控制器,都使用了模糊推理技術(shù),并結(jié)合PID 技術(shù)對這兩個模塊相關(guān)參數(shù)進行自適應(yīng)整定,這樣就能對這兩個模塊的控制性能進行顯著提升,同時這種控制技術(shù)與原技術(shù)相比更簡單,通過“前饋-串級”控制模式獲得更為出色的控制效果,很好地消除了原先控制技術(shù)中需要通過人工來對加水系數(shù)進行調(diào)整的問題,使得該控制系統(tǒng)真正實現(xiàn)全自動化,使松散回潮出口水分更加具有精準與穩(wěn)定性。