煙草自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/范浩浩

關(guān)于煙草物流的定義，廣義上是指煙草及其制品、沿用原輔料從生產(chǎn)、收購(gòu)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工到銷售服務(wù)整個(gè)過(guò)程中物質(zhì)實(shí)體運(yùn)動(dòng)以及流通環(huán)節(jié)的所有附加增值活動(dòng)；狹義上是指煙草行業(yè)基于社會(huì)職能分工的不同，工業(yè)企業(yè)、商業(yè)企業(yè)及相互之間發(fā)生的煙草制品和相關(guān)物資實(shí)物的移動(dòng)活動(dòng)。本文主要探討的是煙草工業(yè)企業(yè)（卷煙廠）內(nèi)部自動(dòng)化物流的相關(guān)情況。

煙草工業(yè)企業(yè)是中國(guó)較早進(jìn)行自動(dòng)化物流系統(tǒng)建設(shè)的行業(yè)之一，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)物流系統(tǒng)建設(shè)的標(biāo)桿，主要體現(xiàn)在其物流系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、信息完善，涉及企業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)的方方面面（建有包括原料庫(kù)、輔料庫(kù)、成品庫(kù)、備品備件庫(kù)、煙絲庫(kù)、煙葉庫(kù)、綜合庫(kù)、濾棒庫(kù)等自動(dòng)化物流系統(tǒng)）。

煙草工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為三層結(jié)構(gòu)，最上層為信息管理層，主要由物流管控平臺(tái)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）等組成；中層為監(jiān)控調(diào)度層，主要由監(jiān)控系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（WCS）組成；底層為設(shè)備執(zhí)行層，主要由物流設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)組成。電氣控制系統(tǒng)是煙草工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)中重要的一環(huán)，是物流系統(tǒng)物料運(yùn)轉(zhuǎn)及物流信息采集和傳遞的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1： 典型電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

一、電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)由主控制器（PLC）、控制網(wǎng)絡(luò)、分布式I/O、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、操作終端、低壓器件、控制箱柜、電纜橋架等硬件和流程控制、信息控制、人機(jī)界面（HMI）、報(bào)警信息、接口控制等軟件組成。主控制器PLC接收上位計(jì)算機(jī)WCS系統(tǒng)下達(dá)的工作任務(wù)，控制各輸送設(shè)備完成物流任務(wù)；同時(shí)PLC通過(guò)以太網(wǎng)接口模塊將任務(wù)執(zhí)行情況及設(shè)備工作狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)反饋給上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖1是一個(gè)典型電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置圖，主控制器通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)與各分布式控制器件和復(fù)雜設(shè)備（如穿梭車、堆垛機(jī)、機(jī)器人、分揀機(jī)等）連接通訊，協(xié)同完成物流和信息流控制。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件選型圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、軟件功能設(shè)計(jì)兩大類。

1.硬件選型設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件功能又細(xì)分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、I/O檢測(cè)控制、操作終端、低壓配電、識(shí)別系統(tǒng)、控制箱柜、電纜橋架等硬件的選型、配置。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有直接饋電驅(qū)動(dòng)、軟啟動(dòng)及變頻驅(qū)動(dòng)三種方式。I/O檢測(cè)控制主要對(duì)檢測(cè)開(kāi)關(guān)（光電、接近、行程、安全開(kāi)關(guān)等）信號(hào)采集，對(duì)執(zhí)行器件（電磁閥、指示燈）進(jìn)行輸出控制。操作終端是提供給現(xiàn)場(chǎng)操作維護(hù)人員使用的人機(jī)界面，一般采用觸摸屏的方式，操作維護(hù)人員可以在操作終端上查看物流任務(wù)和設(shè)備狀態(tài)信息，也可以在操作終端上對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線自動(dòng)、本地半自動(dòng)、單機(jī)手動(dòng)模式切換，在不同模式下對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。另外，操作終端能夠通過(guò)聲光報(bào)警等多媒體方式提示故障報(bào)警信息。低壓配電是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各用電電壓等級(jí)（包括380VAC動(dòng)力電源、220VAC輔助電源和24VDC控制電源）器件進(jìn)行供配電，并對(duì)每級(jí)配電進(jìn)行欠壓、過(guò)載、過(guò)流、短路、漏電等安全保護(hù)。識(shí)別系統(tǒng)主要有兩種方式，一是通過(guò)識(shí)別物料單元上的條形碼獲取單元信息或者進(jìn)行信息核對(duì)；二是通過(guò)RFID系統(tǒng)識(shí)別、更改物料單元信息及信息核對(duì)功能。控制箱柜用于安裝控制器件，以使其防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP54，滿足現(xiàn)場(chǎng)控制需求。電纜橋架主要為各控制設(shè)備之間的連接電纜提供穿行管道，一般順物流設(shè)備架設(shè)。所有設(shè)備間用到的電纜全部在橋架內(nèi)鋪設(shè)，電纜橋架的設(shè)計(jì)按照設(shè)備數(shù)量、用電量等參數(shù)設(shè)計(jì)。

硬件選型完成后，進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，包括原理圖、接線圖、底板安裝圖、面板安裝圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、電控元件布點(diǎn)圖、器件明細(xì)表等內(nèi)容。

2.軟件功能設(shè)計(jì)

一般包括驅(qū)動(dòng)功能模塊、故障報(bào)警功能模塊、信息傳遞功能模塊、識(shí)別系統(tǒng)功能模塊、設(shè)備狀態(tài)功能模塊、通信功能模塊、接口功能模塊、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。軟件程序主要含PLC程序和人機(jī)界面程序，PLC程序可以根據(jù)功能塊特點(diǎn)，靈活采用LAD、FBD、STL、SCL等符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言進(jìn)行編寫。人機(jī)界面程序可以采用WINCC、iFIX、INTOUCH等監(jiān)控軟件平臺(tái)進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)和腳本設(shè)計(jì)。如圖2。

圖2： 軟件設(shè)計(jì)界面示例

二、煙草工業(yè)企業(yè)物流中電氣控制系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)

除了以上常規(guī)設(shè)計(jì)外，根據(jù)煙草工業(yè)企業(yè)物流的特點(diǎn)和要求，電氣控制系統(tǒng)還需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。

1.網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建。

由于卷煙廠內(nèi)部原料、輔料、成品、備品備件、輔材等的存儲(chǔ)、輸送、分揀環(huán)節(jié)較多，流程復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)傳遞各項(xiàng)物流任務(wù)信息，信息交互頻繁且信息量大。因此，在選擇控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)選擇工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)架控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，另外，由于對(duì)電氣控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，PLC程序掃描周期一般要控制在100ms以內(nèi)（特殊設(shè)備如堆垛機(jī)等，需要控制在20ms以內(nèi)），應(yīng)采用具有實(shí)時(shí)通道的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。目前，在煙草工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用較多的是西門子公司主導(dǎo)的PROFINET協(xié)議及羅克韋爾公司主導(dǎo)的ETHERNET/IP協(xié)議。

2.根據(jù)工藝流程特點(diǎn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

例如，在煙葉配方庫(kù)中，煙葉包按計(jì)劃按批次從配方庫(kù)中出到制絲生產(chǎn)線的開(kāi)包機(jī)和切片機(jī)處，生產(chǎn)車間對(duì)每批次出庫(kù)煙包的等級(jí)、產(chǎn)地、年份、重量和順序有嚴(yán)格要求，出庫(kù)煙包要求排序控制，電氣控制系統(tǒng)按照WCS下達(dá)的指令，對(duì)出庫(kù)穿梭車進(jìn)行按序控制；同時(shí)，電氣控制系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)（條碼掃描儀或RFID讀寫器）對(duì)煙包信息進(jìn)行出庫(kù)校驗(yàn)，品規(guī)錯(cuò)誤或煙包出現(xiàn)霉變等質(zhì)量問(wèn)題時(shí)要及時(shí)剔除問(wèn)題煙包，并進(jìn)行緊急補(bǔ)料控制。

又如，在輔料或成品庫(kù)中，實(shí)托盤貨物為配盤輔料或成品件煙垛，配盤輔料由各種輔材搭配堆疊而成，成品件煙托盤由28件煙或30件煙分層堆疊而成，在輸送設(shè)備上運(yùn)行，尤其是啟動(dòng)、停止時(shí)要保證實(shí)托盤垛形穩(wěn)定，不能散垛，不能掉料，因此在驅(qū)動(dòng)控制器件選型時(shí)要采用變頻驅(qū)動(dòng)方案，使用變頻器驅(qū)動(dòng)設(shè)備電機(jī)，在啟動(dòng)、停止時(shí)變換速度，做到緩起緩?fù)＃ＷC托盤垛形完整穩(wěn)定。

再如，在箱裝煙絲、煙葉庫(kù)中，物流系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)輸送和存儲(chǔ)功能，還涉及到煙絲煙葉的生產(chǎn)工藝流程中，如物料裝箱、稱重、翻箱到料、真空回潮等每個(gè)環(huán)節(jié)都要對(duì)物料信息進(jìn)行更新，采用傳統(tǒng)托盤條碼識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)要求。因此，需要采用RFID作為信息識(shí)別系統(tǒng)，利用RFID標(biāo)簽?zāi)軌虼鎯?chǔ)較大容量信息（56-2K字節(jié)）而且具有可讀可寫的特點(diǎn)，把每個(gè)工藝流程的信息記錄在標(biāo)簽內(nèi)，再利用RFID讀寫器通過(guò)射頻感應(yīng)原理對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行信息讀或?qū)懖僮鳎瓿尚畔⒌淖R(shí)別或更新等控制功能。

3.物流和信息流的同步控制。

自動(dòng)化物流系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)輸送、完成各種輸送任務(wù)的同時(shí)，對(duì)物流信息也進(jìn)行信息接收、采集、流轉(zhuǎn)、傳遞等控制，以使物流系統(tǒng)內(nèi)信息通暢，消除信息孤島，最終滿足煙草工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化、信息化的建設(shè)要求。電氣控制系統(tǒng)的一個(gè)重要功能即是完成物流和信息流的同步控制。電氣控制系統(tǒng)在控制物料按照預(yù)定流程輸送的過(guò)程中，還在內(nèi)部通過(guò)程序控制信息流與物流的同步運(yùn)行，物料單元進(jìn)入輸送系統(tǒng)內(nèi)的起始位置時(shí)，上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即賦予該物料單元相關(guān)信息（如任務(wù)號(hào)、目標(biāo)地址、物料類型、物料唯一識(shí)別碼等），由電氣控制系統(tǒng)接收，并在輸送系統(tǒng)內(nèi)物料單元輸送時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息傳遞，物料單元屬性在輸送過(guò)程中如發(fā)生變化（如煙絲箱裝入煙絲），相關(guān)信息也進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。物料單元在輸送系統(tǒng)內(nèi)有信息，控制系統(tǒng)才進(jìn)行相應(yīng)控制動(dòng)作，完成輸送任務(wù)。

4.自動(dòng)化和信息化的實(shí)現(xiàn)，為下一步的智能制造、智慧物流建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

國(guó)家正在大力推進(jìn)工業(yè)4.0和《中國(guó)制造2025》的建設(shè)目標(biāo)。煙草工業(yè)企業(yè)是最有可能提前達(dá)到這一目標(biāo)的，因?yàn)檎麄€(gè)行業(yè)經(jīng)過(guò)20多年的物流自動(dòng)化和信息化建設(shè)，已經(jīng)夯實(shí)了工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。而電氣控制系統(tǒng)將對(duì)煙草自動(dòng)化物流的柔性化、定制化和智能化發(fā)揮重要作用。

一是電氣控制系統(tǒng)按照功能化、模塊化、信息化設(shè)計(jì)，可以把不同的基本單元設(shè)計(jì)成功能模塊，在未來(lái)智能化需求的環(huán)境下，只需簡(jiǎn)單的對(duì)這些功能模塊進(jìn)行重組、優(yōu)化即可。

二是控制網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，未來(lái)新的智能化產(chǎn)品可以很輕松地集成在原有網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。

三是隨著電氣自動(dòng)化產(chǎn)品和技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了具有智能芯片的下一代控制器件，如可以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和實(shí)時(shí)電流的電機(jī)啟動(dòng)器、可以提供更多信息使傳感器層級(jí)達(dá)到“可視化”的具有I/O-Link協(xié)議的新型傳感器。

因此，物流電氣控制系統(tǒng)將成為工業(yè)4.0物聯(lián)信息系統(tǒng)(CPS)的組成部分，將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)性化的產(chǎn)品供應(yīng)。