基于專家系統(tǒng)的煙草松散回潮出口水分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李培培

(河南中煙有限責(zé)任公司安陽(yáng)卷煙廠,河南 安陽(yáng) 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(jìn)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(qiáng)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(jìn)步,新時(shí)代對(duì)于工藝要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止利用人工來(lái)改變串級(jí)操控,進(jìn)而需要研究出一種新型操控系統(tǒng)來(lái)提升回潮出口水分的精準(zhǔn)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(gè)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(jì)、噴嘴等,此軟硬件控制系統(tǒng)可用于對(duì)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(yàn),按照水分受到干擾因素的改變,進(jìn)而為加水系統(tǒng)提供科學(xué)決策[1]。 前饋系統(tǒng)根據(jù)煙葉水分、流量等因素,來(lái)對(duì)理論加水流量進(jìn)行明確,進(jìn)而加水系數(shù)可對(duì)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(dòng)薄膜閥等,可以對(duì)前室煙葉水分進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。 前后室可以進(jìn)行獨(dú)立化工作,并且可以對(duì)模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行分時(shí)復(fù)用。 前室加水控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制:第一步,通過前饋系統(tǒng)對(duì)理論加水量進(jìn)行明確,與此同時(shí),借助專家系統(tǒng)可確定加水系數(shù);第二步,對(duì)前饋輸出進(jìn)行計(jì)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(shí)際值偏差,對(duì)相應(yīng)的氣動(dòng)薄膜閥開發(fā)進(jìn)行PID 調(diào)控,從而對(duì)加水流量進(jìn)行相應(yīng)的控制。 另外,按照偏差及其變化率,并對(duì)模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用,能夠?qū)铀刂破鞯? 個(gè)參量進(jìn)行在線整定,譬如K1P 等,可以對(duì)加水流量進(jìn)行更為靈敏的調(diào)整。 后室水分控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)制:基于出口水分設(shè)定與實(shí)際大小,對(duì)相應(yīng)氣動(dòng)薄膜閥開度進(jìn)行PID 控制,從而調(diào)控補(bǔ)水量,進(jìn)而對(duì)出口煙葉的水分進(jìn)行精細(xì)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(duì)控制器的參量進(jìn)行在線整定,有助于增加出口水分控制的穩(wěn)定和精準(zhǔn)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(jì)

2.1 前饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

各類牌號(hào)卷煙分為不同等級(jí),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(hào)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(bǔ)償干擾來(lái)進(jìn)行。

入口煙葉量及其水分是可以被檢測(cè)的干擾因素,具體可以對(duì)理論加水流量進(jìn)行計(jì)算[3]。 對(duì)于干料流量而言,就是將入口煙葉的水分百分比進(jìn)行相減,然后再和入口煙葉流量進(jìn)行相乘。 對(duì)于理論加水流量來(lái)說,就是干料流量和入口煙葉水分設(shè)定大小百分?jǐn)?shù)進(jìn)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(gè)乘積結(jié)果進(jìn)行減法運(yùn)算。 被控參量涉及許多可以被測(cè)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(cè)的干擾因素,如滾筒內(nèi)部環(huán)境、煙葉自身特點(diǎn)等。 大量經(jīng)驗(yàn)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(shí),此時(shí)難以測(cè)量的干擾因素就是煙葉自身特定。 倘若此時(shí)加入理論流量,就容易產(chǎn)生過、欠補(bǔ)償?shù)葐栴}。 為了對(duì)前饋調(diào)節(jié)的粗略性進(jìn)行解決,還需要引入加水系數(shù)(K)來(lái)對(duì)該理論加水流量進(jìn)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(dòng)態(tài)改變,對(duì)K 值進(jìn)行調(diào)整。 倘若該值過高,就容易產(chǎn)生過補(bǔ)償,這樣后室水分控制器就無(wú)法相應(yīng)調(diào)整余量。 倘若K 值過低,就容易產(chǎn)生欠補(bǔ)償,借助于后室控制裝置,不易對(duì)不足的水分進(jìn)行補(bǔ)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(dòng)態(tài)改變,對(duì)K 系數(shù)進(jìn)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(jì)

模擬利用干擾變化加水的決策工程過程的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)即是專家系統(tǒng),主要補(bǔ)充工藝工程師和專家在各種干擾因素干擾時(shí)判斷加水系數(shù)的經(jīng)驗(yàn),可以像工藝工程師和專家一般在生產(chǎn)時(shí)通過干擾變化判斷出加水系數(shù)變化。 解釋機(jī)、推理機(jī)、知識(shí)獲取、人機(jī)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(jī)

推理機(jī)是專家機(jī)制的執(zhí)行機(jī)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(diǎn):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(kù)中,便于后期查看。 第二,推理機(jī)在數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找與加水系統(tǒng)相關(guān)資料,從知識(shí)庫(kù)中提取相關(guān)信息和記錄條件進(jìn)行對(duì)應(yīng),如果其中有一條規(guī)則是成立的,就必須使全部事實(shí)都匹配成功。 如果有一個(gè)事實(shí)無(wú)法成立,就將這個(gè)規(guī)則直接跳過,選擇另一個(gè)規(guī)則進(jìn)行匹配。 如果其中某一個(gè)規(guī)則與所有事實(shí)都匹配成功,就代表這個(gè)規(guī)則成立,之后將此規(guī)則保存到數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)于水量系數(shù)進(jìn)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(wú)法滿足條件,則表示知識(shí)庫(kù)中沒有此規(guī)則,就需要在加水系數(shù)的知識(shí)庫(kù)中加入新條件。 第三,應(yīng)該從數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)內(nèi)。

2.2.2 解釋機(jī)

向用戶表達(dá)轉(zhuǎn)接系統(tǒng)推理過程是解釋機(jī)主要功能,以便用戶能夠理解推理中使用的事實(shí)前提和推理過程中使用條件。 因?yàn)闂l件是計(jì)算機(jī)中的記錄,一般是用符號(hào)來(lái)表達(dá),不是專業(yè)人士無(wú)法理解這類符號(hào)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(hào)語(yǔ)言的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,并且解釋機(jī)會(huì)將這些符號(hào)語(yǔ)言翻譯成“如果……”形式的語(yǔ)句,并利用人機(jī)接口方式提供給用戶查看。

2.2.3 人機(jī)接口

用戶與專家系統(tǒng)完成交互頁(yè)面就是人機(jī)接口,它的功能分為兩個(gè)方面:第一是給使用的用戶供給一個(gè)解釋機(jī)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(lái)優(yōu)化水系數(shù)決策。 第二是管理與維護(hù)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(shí)獲取

知識(shí)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(shí),并將其作為新知識(shí)添加到知識(shí)庫(kù)中。 通過在數(shù)據(jù)庫(kù)中修改和刪除來(lái)完成是此模塊的主要功能。

3 控制系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件構(gòu)成

專家系統(tǒng)、上位機(jī)以及下位機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)有配備顯示器與PC 機(jī)(見圖2)。 上位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制站選擇西門子IPC677C。 S7-400PLC 是下位機(jī)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(duì)前室入口煙葉流量、累積量可以借助于入口電子皮帶秤來(lái)進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)還利用專門的水分儀,檢測(cè)出入口煙葉的水分,這兩個(gè)檢測(cè)裝置可以相互配合運(yùn)用,這樣就能為前饋加水運(yùn)算提供重要的數(shù)據(jù)支持。 前室配置的氣動(dòng)薄膜閥,可以對(duì)加水流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。 電磁流量可以對(duì)加水流量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行檢測(cè)。 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(duì)于后室控制模塊而言,同樣提供了噴嘴、出口水分儀、氣動(dòng)薄膜閥模塊等,后者對(duì)后室的加水流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,噴嘴的作用和前室功能基本一致。 水分儀則是對(duì)煙葉的出口水分值進(jìn)行檢測(cè)。 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(jī)進(jìn)行直連,專家系統(tǒng)也借助于網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行對(duì)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(jìn)行對(duì)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(jìn)行對(duì)接,前、后室氣動(dòng)薄膜閥則能和總線耦合模塊的PA 端口進(jìn)行對(duì)接,而控制和開關(guān)量檢測(cè)信號(hào),則能夠和SM423 IO(數(shù)字型)模塊進(jìn)行對(duì)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(duì)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(jī)程序、知識(shí)庫(kù)構(gòu)成,主要決策加水系數(shù)。 知識(shí)庫(kù)、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(jìn)行表達(dá)。 本文分析重點(diǎn)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(gè)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(dāng)煙葉進(jìn)入滾筒中四分之一位置之前進(jìn)行的一系列程序就是料頭處理程序。 反之當(dāng)煙葉在滾筒中還剩四分之三之后要進(jìn)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(jìn)行料頭料尾工作時(shí),應(yīng)將其進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的料頭料尾字程序內(nèi)。 如果未在進(jìn)行料頭料尾階段,則可以進(jìn)行正常水分控制操作。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究將PID、模糊推理與專家系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)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(duì)加水系數(shù)進(jìn)行控制時(shí),使用了專家系統(tǒng),使得前饋輸出得到更為快速、準(zhǔn)確的調(diào)控。 對(duì)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(duì)這兩個(gè)模塊相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)整定,這樣就能對(duì)這兩個(gè)模塊的控制性能進(jìn)行顯著提升,同時(shí)這種控制技術(shù)與原技術(shù)相比更簡(jiǎn)單,通過“前饋-串級(jí)”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(lái)對(duì)加水系數(shù)進(jìn)行調(diào)整的問題,使得該控制系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化,使松散回潮出口水分更加具有精準(zhǔn)與穩(wěn)定性。