基于RFID的智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳會(huì)營，胡镕顯，楊光露

(河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，河南 鄭州 450016)

0 引言

煙草行業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，其一般采用專賣專營、統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)的體制[1]。智能化煙草生產(chǎn)體制的改革相對(duì)比較混亂，各個(gè)生產(chǎn)商都無法控制煙草的生產(chǎn)過程[2]。如今，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，改變了人們傳統(tǒng)的生活節(jié)奏，從而也改變了煙草生產(chǎn)的傳統(tǒng)模式，同時(shí)也出現(xiàn)了很多智能化煙草生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)煙草生產(chǎn)進(jìn)行控制，不僅利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制煙草生產(chǎn)，還通過人工控制生產(chǎn)，提高了煙草企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

在國內(nèi)研究中，洪凱強(qiáng)等[4]采用 PLC技術(shù)的控制原理，設(shè)計(jì)一個(gè)煙絲流量控制系統(tǒng)，以煙絲從入口到出口的行程作為流量控制周期，通過煙絲流速的設(shè)置，計(jì)算出煙絲經(jīng)過定量帶的工作頻率，控制了煙絲的流量，測試結(jié)果顯示，提出的系統(tǒng)可以調(diào)整并控制冰煙絲的流量，有效減少超標(biāo)次數(shù)，但是無法滿足用戶的功能需求。韋文等[5]以工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套節(jié)能控制系統(tǒng)，將服務(wù)器作為節(jié)能控制的轉(zhuǎn)換站，PLC接口通過工業(yè)以太網(wǎng)接入到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集窗口，實(shí)現(xiàn)了各 PLC之間的數(shù)據(jù)通信，以某卷煙廠的除塵機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在相同的工況條件下，可以提高除塵風(fēng)機(jī)的節(jié)電率，具有更好的節(jié)能效果，但是系統(tǒng)的性能無法滿足用戶的需求。

基于以上研究背景，本文將射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)應(yīng)用到了智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從而提高系統(tǒng)的性能。

1 智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要為滿足用戶需求，了解煙草生產(chǎn)過程的特點(diǎn)。系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)具有非常強(qiáng)的實(shí)用性，并聯(lián)合了系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊[6]。煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)包括5個(gè)層次，表現(xiàn)層起到用戶對(duì)系統(tǒng)的通信交互職責(zé)，用戶可以利用瀏覽器將功能指令上傳到系統(tǒng)中，再利用瀏覽器將指令傳輸給應(yīng)用層，最后由應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理[7]。

1.2 智能化煙草生產(chǎn)控制電路設(shè)計(jì)

智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制電路決定煙草生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的可靠性，煙草生產(chǎn)控制電路包括外圍接口電路和控制復(fù)位電路[8]。復(fù)位電路可以在煙草生產(chǎn)控制之前對(duì)系統(tǒng)電路格式化，用于控制電路復(fù)位的芯片通常選擇低功耗的TF9285芯片[9]。煙草生產(chǎn)控制的復(fù)位電路如圖2所示。

圖2 煙草生產(chǎn)控制的復(fù)位電路

考慮到煙草生產(chǎn)控制的復(fù)位電路板在連接時(shí)沒有足夠的串口，需要對(duì)串口的數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展，才能將通信設(shè)備接入到系統(tǒng)中[10]。當(dāng)外圍接口電路的控制中心接收到控制指令之后，可以利用控制信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，并結(jié)合檔位控制，將收集到的智能化煙草生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的主控平臺(tái)中[11]。煙草生產(chǎn)控制的外圍接口電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 外圍接口電路結(jié)構(gòu)

利用智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制的復(fù)位電路和外圍接口電路，設(shè)計(jì)智能化煙草生產(chǎn)控制電路，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2 智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于RFID確定煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制指標(biāo)權(quán)重

考慮到煙草生產(chǎn)過程中的不同控制要素，利用RFID技術(shù)識(shí)別控制要素的重要度特征，并通過兩兩對(duì)比，確定控制指標(biāo)矩陣為

A=(aIJ)n×n

(1)

aIJ為矩陣中第I行第J列的元素；n為矩陣的總行數(shù)和列數(shù)。根據(jù)式(1)的矩陣，可以計(jì)算出煙草生產(chǎn)控制指標(biāo)之間的相對(duì)權(quán)重，并對(duì)控制指標(biāo)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[12]，計(jì)算出每一個(gè)控制指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，即

(2)

aKJ為矩陣中第K行第J列的元素值?？紤]到煙草生產(chǎn)過程中存在很多不可控制的因素，根據(jù)RFID技術(shù)的識(shí)別結(jié)果對(duì)控制指標(biāo)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[13]，即

(3)

CI為第I次驗(yàn)證后得到的一致性檢驗(yàn)結(jié)果；C為煙草生產(chǎn)過程中控制的一致性指標(biāo)；R為控制的隨機(jī)一致性指標(biāo)。

根據(jù)以上計(jì)算，將第K-1層的nK-1個(gè)生產(chǎn)控制元素相對(duì)于頂層權(quán)重的表達(dá)式設(shè)置為

(4)

(5)

(6)

利用RFID技術(shù)識(shí)別了控制要素的重要度特征，通過控制指標(biāo)矩陣的一致性檢驗(yàn)，計(jì)算出每一個(gè)控制指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，確定了煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制指標(biāo)權(quán)重。

2.2 煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

在煙草生產(chǎn)控制器結(jié)構(gòu)中，將生產(chǎn)跟蹤控制器定義為Gc1(s)，Gc2(s)為干擾控制器，Gpe-τs為煙草在生產(chǎn)中的過程模型，Gp為控制過程，R(s)、D(s)和C(s)分別為控制器的輸入值、擾動(dòng)值和輸出值，e-τs為生產(chǎn)控制項(xiàng)。

當(dāng)生產(chǎn)過程Gpe-τs比較準(zhǔn)確時(shí)，R(s)到C(s)之間的傳遞函數(shù)為

(7)

C(s)到D(s)之間的傳遞函數(shù)為

(8)

智能化煙草在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設(shè)備可以利用式(9)的模型描述，即

(9)

K為擾動(dòng)參數(shù)；T為控制時(shí)間；s為生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)。

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，煙草生產(chǎn)設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)，控制頻率由可調(diào)參數(shù)λ1決定，當(dāng)可調(diào)參數(shù)λ1接近0時(shí)，煙草生產(chǎn)設(shè)備會(huì)處于最優(yōu)狀態(tài)[15]，那么煙草生產(chǎn)控制器的表達(dá)式為

(10)

對(duì)于干擾控制器Gc2(s)而言，根據(jù)射頻識(shí)別技術(shù)得到干擾控制器的計(jì)算式為

(11)

λ2為可調(diào)參數(shù)，用于優(yōu)化干擾控制器的擾動(dòng)，當(dāng)λ2接近0時(shí)，煙草生產(chǎn)的控制性能處于最優(yōu)狀態(tài)。

干擾控制器Gc2(s)中，對(duì)于生產(chǎn)控制項(xiàng)e-τs而言，可以利用微分形式表示，即

(12)

根據(jù)以上過程，設(shè)計(jì)煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制算法，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能化煙草生產(chǎn)的自動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)測試分析

3.1 測試環(huán)境

系統(tǒng)測試分為功能測試和性能測試，在實(shí)際的測試中，需要考慮到操作平臺(tái)和用戶的不同，加強(qiáng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的適用性和有效性，使得系統(tǒng)可以在不同的操作環(huán)境下進(jìn)行，本文測試采用Windows10操作平臺(tái)的瀏覽器。

3.2 系統(tǒng)功能測試

為了驗(yàn)證用戶登錄管理功能是否正常，實(shí)驗(yàn)中登錄管理對(duì)象為煙草生產(chǎn)經(jīng)理、業(yè)務(wù)員、倉庫管理員以及用戶，驗(yàn)證登錄管理對(duì)象是否可有效操作系統(tǒng)，得到的結(jié)果如表1 所示。

表1 用戶登錄模塊的功能測試結(jié)果

由表1可知，用戶登錄模塊的功能滿足系統(tǒng)的要求。其中，不同用戶的系統(tǒng)管理功能在操作后，均符合預(yù)期的要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，以基礎(chǔ)信息管理中煙草生產(chǎn)業(yè)務(wù)員和用戶為研究對(duì)象，測試系統(tǒng)的可行性，得到的結(jié)果如表2 所示。

表2 基礎(chǔ)信息管理模塊的功能測試結(jié)果

由表2可知，基礎(chǔ)信息管理模塊的功能滿足系統(tǒng)的要求。在不同的用戶基礎(chǔ)信息管理中針對(duì)不同對(duì)象的操作符合系統(tǒng)的預(yù)期要求，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

3.3 系統(tǒng)性能測試

在系統(tǒng)性能測試中，利用吞吐量和響應(yīng)時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，衡量系統(tǒng)的性能。吞吐量指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)成功傳送的數(shù)據(jù)量，吞吐量越大說明系統(tǒng)的性能越好，反之則差；響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)從接收用戶請(qǐng)求到應(yīng)答的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間越短說明系統(tǒng)性能越好，反之則差。引入基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)和基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)作對(duì)比，測試了3個(gè)系統(tǒng)的吞吐量和響應(yīng)時(shí)間情況，3個(gè)系統(tǒng)的吞吐量測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的吞吐量測試結(jié)果

由圖4可知，隨著用戶請(qǐng)求指令的數(shù)量增加，3個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的吞吐量在逐漸增加，基于PLC技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的吞吐量偏低，在6 000 ～12 000 B/s之間，基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的吞吐量稍有提高，在10 000 ～18 000 B/s之間，而本文系統(tǒng)的吞吐量是最高的，在16 000 B/s以上，原因是本文系統(tǒng)能夠利用射頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別用戶的請(qǐng)求，從而提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

由圖5可知，在900個(gè)用戶請(qǐng)求指令中，3個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間越來越長，基于PLC技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)和基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間方面的性能較差，最長的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了50 s和30 s，而本文系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間一直穩(wěn)定在10 s以內(nèi)，說明本文系統(tǒng)憑借著射頻識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢，縮短了響應(yīng)時(shí)間，從而提高了系統(tǒng)性能。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于RFID的智能化煙草生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在功能和性能方面都可以滿足用戶的需求。