基于专家系统的烟草松散回潮出口水分控制系统设计

李培培

(河南中烟有限责任公司安阳卷烟厂,河南 安阳 455004)

0 引言

松散回潮工艺的核心工作,就是将切片处理之后的烟块进行松散化处理,借助于蒸汽、水分使得烟叶更具有柔软性,由此增强片烟的易加工和韧性,为后续的批量化生产提供重要支持。 随着烟草行业与科技不断进步,新时代对于工艺要求已远远不止利用人工来改变串级操控,进而需要研究出一种新型操控系统来提升回潮出口水分的精准性与稳定性。

1 松散回潮出口水分控制系统的组成原理

松散回潮出口水分控制系统主要构成涉及两个模块,即是前室加水、后室水分控制系统。 前者主要构成包括专家系统、模糊推理系统、前馈技术、加水控制器、电磁流量计、喷嘴等,此软硬件控制系统可用于对烟叶水分加以粗略调控。 专家系统主要是依据行业专家经验,按照水分受到干扰因素的改变,进而为加水系统提供科学决策[1]。 前馈系统根据烟叶水分、流量等因素,来对理论加水流量进行明确,进而加水系数可对该流量加以修正。 前馈输出则能视作加水控制装置的给定值,后室水分控制系统构成则涉及水分仪、控制器、模糊推理系统、气动薄膜阀等,可以对前室烟叶水分进行精细调控。 前后室可以进行独立化工作,并且可以对模糊推理系统进行分时复用。 前室加水控制系统实现机制:第一步,通过前馈系统对理论加水量进行明确,与此同时,借助专家系统可确定加水系数;第二步,对前馈输出进行计算,并将其定值用作加水控制器的给定值,该控制器能够基于给定与实际值偏差,对相应的气动薄膜阀开发进行PID 调控,从而对加水流量进行相应的控制。 另外,按照偏差及其变化率,并对模糊推理系统进行运用,能够对加水控制器的3 个参量进行在线整定,譬如K1P 等,可以对加水流量进行更为灵敏的调整。 后室水分控制器实现机制:基于出口水分设定与实际大小,对相应气动薄膜阀开度进行PID 控制,从而调控补水量,进而对出口烟叶的水分进行精细化调整[2]。 另外,基于偏差及其变化率以及模糊推理系统对控制器的参量进行在线整定,有助于增加出口水分控制的稳定和精准性,其中参数涉及K2D、K2P 等。

2 前馈环节与专家系统设计

2.1 前馈环节的设计

各类牌号卷烟分为不同等级,其配方原料由不同厂家所提供,各卷烟水分也有较大差异。 各种牌号卷烟其制作材料中烟草薄片成分多少也有较大差距,需控制被控参数,利用前馈环节补偿干扰来进行。

入口烟叶量及其水分是可以被检测的干扰因素,具体可以对理论加水流量进行计算[3]。 对于干料流量而言,就是将入口烟叶的水分百分比进行相减,然后再和入口烟叶流量进行相乘。 对于理论加水流量来说,就是干料流量和入口烟叶水分设定大小百分数进行相乘。 另外,将入口烟叶流量和相应水分百分比相乘,将两个乘积结果进行减法运算。 被控参量涉及许多可以被测量的干扰因素,如蒸汽喷射流量、烟草薄片流量等。 此外,被控参量还涉及难以被检测的干扰因素,如滚筒内部环境、烟叶自身特点等。 大量经验总结可知,在滚筒内部环境、烟叶流量、蒸汽喷射流量等参数整体上处于稳定状态时,此时难以测量的干扰因素就是烟叶自身特定。 倘若此时加入理论流量,就容易产生过、欠补偿等问题。 为了对前馈调节的粗略性进行解决,还需要引入加水系数(K)来对该理论加水流量进行优化。 通常,前馈输出等于K 和理论加水流量的乘积。在具体生产环节,可以按照干扰动态改变,对K 值进行调整。 倘若该值过高,就容易产生过补偿,这样后室水分控制器就无法相应调整余量。 倘若K 值过低,就容易产生欠补偿,借助于后室控制装置,不易对不足的水分进行补偿[4]。 前室控制系统要给烟叶提供增湿水,而后室可以提供的调节幅度,仅为1.5 成。 为此,要紧密结合干扰的动态改变,对K 系数进行调控,从而满足前后室控制要求。

2.2 专家系统设计

模拟利用干扰变化加水的决策工程过程的计算机软件系统即是专家系统,主要补充工艺工程师和专家在各种干扰因素干扰时判断加水系数的经验,可以像工艺工程师和专家一般在生产时通过干扰变化判断出加水系数变化。 解释机、推理机、知识获取、人机接口等部分构成了专家系统,如图1 所示。

图1 专家系统结构原理

2.2.1 推理机

推理机是专家机制的执行机制,同样也是用于各类推理以及研究功能的程序。 给水系统推理一般采取正向推理。 它的工作流程大概为以下几点:第一,从S7-400PLC 中获取到和其有关的加水系数决策推理资料保存到数据库中,便于后期查看。 第二,推理机在数据库中寻找与加水系统相关资料,从知识库中提取相关信息和记录条件进行对应,如果其中有一条规则是成立的,就必须使全部事实都匹配成功。 如果有一个事实无法成立,就将这个规则直接跳过,选择另一个规则进行匹配。 如果其中某一个规则与所有事实都匹配成功,就代表这个规则成立,之后将此规则保存到数据库内。 如果推理完成后仍未获取加水量系数决策结果,则现状不需对于水量系数进行改变,就代表加水系数规则是完整的。 如果目前加水系数无法满足条件,则表示知识库中没有此规则,就需要在加水系数的知识库中加入新条件。 第三,应该从数据库内获取加水系数决策推理的结果,并将它保存到S7-400 PLC 的相应数据库内。

2.2.2 解释机

向用户表达转接系统推理过程是解释机主要功能,以便用户能够理解推理中使用的事实前提和推理过程中使用条件。 因为条件是计算机中的记录,一般是用符号来表达,不是专业人士无法理解这类符号是何含义[5]。 一旦系统给出结论后,导出结论的数据与相关资料以符号语言的形式存储在数据库中,并且解释机会将这些符号语言翻译成“如果……”形式的语句,并利用人机接口方式提供给用户查看。

2.2.3 人机接口

用户与专家系统完成交互页面就是人机接口,它的功能分为两个方面:第一是给使用的用户供给一个解释机观察界面。 用户可以在此界面观察水系数变化以及其他信息,有利于将来优化水系数决策。 第二是管理与维护加水系数决策条件。 用户可以根据自身需求更改加水系数决策条件。

2.2.4 知识获取

知识获取模块的功能是理解或修改为专家要求的内部形式所供给的知识,并将其作为新知识添加到知识库中。 通过在数据库中修改和删除来完成是此模块的主要功能。

3 控制系统软硬件实现

3.1 硬件构成

专家系统、上位机以及下位机构成了控制系统。专家系统有配备显示器与PC 机(见图2)。 上位机现场控制站选择西门子IPC677C。 S7-400PLC 是下位机操控系统。 S7-400PLC 根本作用就是后室与前室水分控制与收集数据。 对前室入口烟叶流量、累积量可以借助于入口电子皮带秤来进行检测,同时还利用专门的水分仪,检测出入口烟叶的水分,这两个检测装置可以相互配合运用,这样就能为前馈加水运算提供重要的数据支持。 前室配置的气动薄膜阀,可以对加水流量进行动态控制。 电磁流量可以对加水流量的动态变化进行检测。 喷嘴则能将蒸气和水的混合物更加均匀的作用到烟叶之上。 对于后室控制模块而言,同样提供了喷嘴、出口水分仪、气动薄膜阀模块等,后者对后室的加水流量进行动态控制,喷嘴的作用和前室功能基本一致。 水分仪则是对烟叶的出口水分值进行检测。 另外,该控制系统还集成了CP443-1 通信模块,其中配置了以太网口,可以和交换机进行直连,专家系统也借助于网络端口进行对接,另外,该设备还提供了PROFIBUS-DP 接口,该设备能够和总线耦合装置进行对接,后者主要涉及出入口水分仪设备、皮带秤设备等,都可以利用此接口与总线进行对接,前、后室气动薄膜阀则能和总线耦合模块的PA 端口进行对接,而控制和开关量检测信号,则能够和SM423 IO(数字型)模块进行对接[6]。

图2 控制系统硬件构成

3.2 软件组成

控制系统构建部分分别为尚未专家系统程序与OLC 等程序。 对于上位WINCC 程序一般是用于监控松散回潮过程,开发采用WINCC7.0。 专家系统主要是由推理求解顺序、解释机程序、知识库构成,主要决策加水系数。 知识库、后室水分控制系统以及前室水分控制系统等系统构成PLC 程序,主要是利用梯形图进行表达。 本文分析重点主要是前后室控制程序。 前室料头与料尾以及加水控制系统所构成前室加水控制程序。 同样,后室料头、料尾两个处理程序以及水分控制系统构成后室水分子控制系统。 当烟叶进入滚筒中四分之一位置之前进行的一系列程序就是料头处理程序。 反之当烟叶在滚筒中还剩四分之三之后要进行的一系列程序就是料尾处理程序[7]。 前室加水控制程序与后室加水控制程序最重要也是最关键一步一定是判断是料头还是料尾。 如果在进行料头料尾工作时,应将其进入到对应的料头料尾字程序内。 如果未在进行料头料尾阶段,则可以进行正常水分控制操作。

4 结语

本次研究将PID、模糊推理与专家系统技术进行结合,由此开发出创新的松散回潮出口水分控制系统。在对加水系数进行控制时,使用了专家系统,使得前馈输出得到更为快速、准确的调控。 对于前、后室的控制器,都使用了模糊推理技术,并结合PID 技术对这两个模块相关参数进行自适应整定,这样就能对这两个模块的控制性能进行显著提升,同时这种控制技术与原技术相比更简单,通过“前馈-串级”控制模式获得更为出色的控制效果,很好地消除了原先控制技术中需要通过人工来对加水系数进行调整的问题,使得该控制系统真正实现全自动化,使松散回潮出口水分更加具有精准与稳定性。