煙草自動化物流系統(tǒng)中的電氣控制系統(tǒng)設計

文/范浩浩

關于煙草物流的定義，廣義上是指煙草及其制品、沿用原輔料從生產(chǎn)、收購、儲存、運輸、加工到銷售服務整個過程中物質(zhì)實體運動以及流通環(huán)節(jié)的所有附加增值活動；狹義上是指煙草行業(yè)基于社會職能分工的不同，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物資實物的移動活動。本文主要探討的是煙草工業(yè)企業(yè)（卷煙廠）內(nèi)部自動化物流的相關情況。

煙草工業(yè)企業(yè)是中國較早進行自動化物流系統(tǒng)建設的行業(yè)之一，經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為國內(nèi)物流系統(tǒng)建設的標桿，主要體現(xiàn)在其物流系統(tǒng)自動化程度高、信息完善，涉及企業(yè)生產(chǎn)、倉儲的方方面面（建有包括原料庫、輔料庫、成品庫、備品備件庫、煙絲庫、煙葉庫、綜合庫、濾棒庫等自動化物流系統(tǒng)）。

煙草工業(yè)企業(yè)自動化物流系統(tǒng)體系結構為三層結構，最上層為信息管理層，主要由物流管控平臺、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）等組成；中層為監(jiān)控調(diào)度層，主要由監(jiān)控系統(tǒng)、倉庫控制系統(tǒng)（WCS）組成；底層為設備執(zhí)行層，主要由物流設備、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)自動化物流系統(tǒng)中重要的一環(huán)，是物流系統(tǒng)物料運轉(zhuǎn)及物流信息采集和傳遞的執(zhí)行機構。

圖1： 典型電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡配置圖

一、電氣控制系統(tǒng)的構成與設計

電氣控制系統(tǒng)由主控制器（PLC）、控制網(wǎng)絡、分布式I/O、驅(qū)動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、識別系統(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、人機界面（HMI）、報警信息、接口控制等軟件組成。主控制器PLC接收上位計算機WCS系統(tǒng)下達的工作任務，控制各輸送設備完成物流任務；同時PLC通過以太網(wǎng)接口模塊將任務執(zhí)行情況及設備工作狀態(tài)等信息實時反饋給上位計算機系統(tǒng)。

圖1是一個典型電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡配置圖，主控制器通過控制網(wǎng)絡與各分布式控制器件和復雜設備（如穿梭車、堆垛機、機器人、分揀機等）連接通訊，協(xié)同完成物流和信息流控制。

電氣控制系統(tǒng)設計分為硬件選型圖紙設計、軟件功能設計兩大類。

1.硬件選型設計

根據(jù)硬件功能又細分為電機驅(qū)動、I/O檢測控制、操作終端、低壓配電、識別系統(tǒng)、控制箱柜、電纜橋架等硬件的選型、配置。

電機驅(qū)動方式有直接饋電驅(qū)動、軟啟動及變頻驅(qū)動三種方式。I/O檢測控制主要對檢測開關（光電、接近、行程、安全開關等）信號采集，對執(zhí)行器件（電磁閥、指示燈）進行輸出控制。操作終端是提供給現(xiàn)場操作維護人員使用的人機界面，一般采用觸摸屏的方式，操作維護人員可以在操作終端上查看物流任務和設備狀態(tài)信息，也可以在操作終端上對設備進行在線自動、本地半自動、單機手動模式切換，在不同模式下對設備進行操作。另外，操作終端能夠通過聲光報警等多媒體方式提示故障報警信息。低壓配電是對系統(tǒng)內(nèi)各用電電壓等級（包括380VAC動力電源、220VAC輔助電源和24VDC控制電源）器件進行供配電，并對每級配電進行欠壓、過載、過流、短路、漏電等安全保護。識別系統(tǒng)主要有兩種方式，一是通過識別物料單元上的條形碼獲取單元信息或者進行信息核對；二是通過RFID系統(tǒng)識別、更改物料單元信息及信息核對功能。控制箱柜用于安裝控制器件，以使其防護等級達到IP54，滿足現(xiàn)場控制需求。電纜橋架主要為各控制設備之間的連接電纜提供穿行管道，一般順物流設備架設。所有設備間用到的電纜全部在橋架內(nèi)鋪設，電纜橋架的設計按照設備數(shù)量、用電量等參數(shù)設計。

硬件選型完成后，進行圖紙設計，包括原理圖、接線圖、底板安裝圖、面板安裝圖、網(wǎng)絡拓撲圖、電控元件布點圖、器件明細表等內(nèi)容。

2.軟件功能設計

一般包括驅(qū)動功能模塊、故障報警功能模塊、信息傳遞功能模塊、識別系統(tǒng)功能模塊、設備狀態(tài)功能模塊、通信功能模塊、接口功能模塊、人機界面設計等。軟件程序主要含PLC程序和人機界面程序，PLC程序可以根據(jù)功能塊特點，靈活采用LAD、FBD、STL、SCL等符合IEC61131-3標準語言進行編寫。人機界面程序可以采用WINCC、iFIX、INTOUCH等監(jiān)控軟件平臺進行畫面設計和腳本設計。如圖2。

圖2： 軟件設計界面示例

二、煙草工業(yè)企業(yè)物流中電氣控制系統(tǒng)的特殊設計

除了以上常規(guī)設計外，根據(jù)煙草工業(yè)企業(yè)物流的特點和要求，電氣控制系統(tǒng)還需要有針對性地設計。

1.網(wǎng)絡平臺搭建。

由于卷煙廠內(nèi)部原料、輔料、成品、備品備件、輔材等的存儲、輸送、分揀環(huán)節(jié)較多，流程復雜，需要實時傳遞各項物流任務信息，信息交互頻繁且信息量大。因此，在選擇控制網(wǎng)絡時，應選擇工業(yè)以太網(wǎng)構架控制網(wǎng)絡平臺，另外，由于對電氣控制系統(tǒng)的實時性要求，PLC程序掃描周期一般要控制在100ms以內(nèi)（特殊設備如堆垛機等，需要控制在20ms以內(nèi)），應采用具有實時通道的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。目前，在煙草工業(yè)企業(yè)中應用較多的是西門子公司主導的PROFINET協(xié)議及羅克韋爾公司主導的ETHERNET/IP協(xié)議。

2.根據(jù)工藝流程特點進行特殊設計。

例如，在煙葉配方庫中，煙葉包按計劃按批次從配方庫中出到制絲生產(chǎn)線的開包機和切片機處，生產(chǎn)車間對每批次出庫煙包的等級、產(chǎn)地、年份、重量和順序有嚴格要求，出庫煙包要求排序控制，電氣控制系統(tǒng)按照WCS下達的指令，對出庫穿梭車進行按序控制；同時，電氣控制系統(tǒng)通過識別系統(tǒng)（條碼掃描儀或RFID讀寫器）對煙包信息進行出庫校驗，品規(guī)錯誤或煙包出現(xiàn)霉變等質(zhì)量問題時要及時剔除問題煙包，并進行緊急補料控制。

又如，在輔料或成品庫中，實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，在輸送設備上運行，尤其是啟動、停止時要保證實托盤垛形穩(wěn)定，不能散垛，不能掉料，因此在驅(qū)動控制器件選型時要采用變頻驅(qū)動方案，使用變頻器驅(qū)動設備電機，在啟動、停止時變換速度，做到緩起緩停，保證托盤垛形完整穩(wěn)定。

再如，在箱裝煙絲、煙葉庫中，物流系統(tǒng)不僅實現(xiàn)輸送和存儲功能，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、真空回潮等每個環(huán)節(jié)都要對物料信息進行更新，采用傳統(tǒng)托盤條碼識別系統(tǒng)已經(jīng)不能實現(xiàn)要求。因此，需要采用RFID作為信息識別系統(tǒng)，利用RFID標簽能夠存儲較大容量信息（56-2K字節(jié)）而且具有可讀可寫的特點，把每個工藝流程的信息記錄在標簽內(nèi)，再利用RFID讀寫器通過射頻感應原理對標簽進行信息讀或?qū)懖僮鳎瓿尚畔⒌淖R別或更新等控制功能。

3.物流和信息流的同步控制。

自動化物流系統(tǒng)在實現(xiàn)物料自動輸送、完成各種輸送任務的同時，對物流信息也進行信息接收、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)自動化、信息化的建設要求。電氣控制系統(tǒng)的一個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)在控制物料按照預定流程輸送的過程中，還在內(nèi)部通過程序控制信息流與物流的同步運行，物料單元進入輸送系統(tǒng)內(nèi)的起始位置時，上位計算機系統(tǒng)即賦予該物料單元相關信息（如任務號、目標地址、物料類型、物料唯一識別碼等），由電氣控制系統(tǒng)接收，并在輸送系統(tǒng)內(nèi)物料單元輸送時進行實時信息傳遞，物料單元屬性在輸送過程中如發(fā)生變化（如煙絲箱裝入煙絲），相關信息也進行實時更新。物料單元在輸送系統(tǒng)內(nèi)有信息，控制系統(tǒng)才進行相應控制動作，完成輸送任務。

4.自動化和信息化的實現(xiàn)，為下一步的智能制造、智慧物流建設打下了堅實基礎。

國家正在大力推進工業(yè)4.0和《中國制造2025》的建設目標。煙草工業(yè)企業(yè)是最有可能提前達到這一目標的，因為整個行業(yè)經(jīng)過20多年的物流自動化和信息化建設，已經(jīng)夯實了工業(yè)4.0實現(xiàn)的基礎。而電氣控制系統(tǒng)將對煙草自動化物流的柔性化、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、信息化設計，可以把不同的基本單元設計成功能模塊，在未來智能化需求的環(huán)境下，只需簡單的對這些功能模塊進行重組、優(yōu)化即可。

二是控制網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)架構，使系統(tǒng)具有較強的開放性和可擴展性，未來新的智能化產(chǎn)品可以很輕松地集成在原有網(wǎng)絡中來。

三是隨著電氣自動化產(chǎn)品和技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了具有智能芯片的下一代控制器件，如可以檢測電機運行時間和實時電流的電機啟動器、可以提供更多信息使傳感器層級達到“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、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達到快速、有效、個性化的產(chǎn)品供應。