烟草自动化物流系统中的电气控制系统设计

文/范浩浩

关于烟草物流的定义，广义上是指烟草及其制品、沿用原辅料从生产、收购、储存、运输、加工到销售服务整个过程中物质实体运动以及流通环节的所有附加增值活动；狭义上是指烟草行业基于社会职能分工的不同，工业企业、商业企业及相互之间发生的烟草制品和相关物资实物的移动活动。本文主要探讨的是烟草工业企业（卷烟厂）内部自动化物流的相关情况。

烟草工业企业是中国较早进行自动化物流系统建设的行业之一，经过20多年的发展，已经成为国内物流系统建设的标杆，主要体现在其物流系统自动化程度高、信息完善，涉及企业生产、仓储的方方面面（建有包括原料库、辅料库、成品库、备品备件库、烟丝库、烟叶库、综合库、滤棒库等自动化物流系统）。

烟草工业企业自动化物流系统体系结构为三层结构，最上层为信息管理层，主要由物流管控平台、仓库管理系统（WMS）等组成；中层为监控调度层，主要由监控系统、仓库控制系统（WCS）组成；底层为设备执行层，主要由物流设备、电气控制系统组成。电气控制系统是烟草工业企业自动化物流系统中重要的一环，是物流系统物料运转及物流信息采集和传递的执行机构。

图1： 典型电气控制系统网络配置图

一、电气控制系统的构成与设计

电气控制系统由主控制器（PLC）、控制网络、分布式I/O、驱动系统、检测系统、识别系统、操作终端、低压器件、控制箱柜、电缆桥架等硬件和流程控制、信息控制、人机界面（HMI）、报警信息、接口控制等软件组成。主控制器PLC接收上位计算机WCS系统下达的工作任务，控制各输送设备完成物流任务；同时PLC通过以太网接口模块将任务执行情况及设备工作状态等信息实时反馈给上位计算机系统。

图1是一个典型电气控制系统的网络配置图，主控制器通过控制网络与各分布式控制器件和复杂设备（如穿梭车、堆垛机、机器人、分拣机等）连接通讯，协同完成物流和信息流控制。

电气控制系统设计分为硬件选型图纸设计、软件功能设计两大类。

1.硬件选型设计

根据硬件功能又细分为电机驱动、I/O检测控制、操作终端、低压配电、识别系统、控制箱柜、电缆桥架等硬件的选型、配置。

电机驱动方式有直接馈电驱动、软启动及变频驱动三种方式。I/O检测控制主要对检测开关（光电、接近、行程、安全开关等）信号采集，对执行器件（电磁阀、指示灯）进行输出控制。操作终端是提供给现场操作维护人员使用的人机界面，一般采用触摸屏的方式，操作维护人员可以在操作终端上查看物流任务和设备状态信息，也可以在操作终端上对设备进行在线自动、本地半自动、单机手动模式切换，在不同模式下对设备进行操作。另外，操作终端能够通过声光报警等多媒体方式提示故障报警信息。低压配电是对系统内各用电电压等级（包括380VAC动力电源、220VAC辅助电源和24VDC控制电源）器件进行供配电，并对每级配电进行欠压、过载、过流、短路、漏电等安全保护。识别系统主要有两种方式，一是通过识别物料单元上的条形码获取单元信息或者进行信息核对；二是通过RFID系统识别、更改物料单元信息及信息核对功能。控制箱柜用于安装控制器件，以使其防护等级达到IP54，满足现场控制需求。电缆桥架主要为各控制设备之间的连接电缆提供穿行管道，一般顺物流设备架设。所有设备间用到的电缆全部在桥架内铺设，电缆桥架的设计按照设备数量、用电量等参数设计。

硬件选型完成后，进行图纸设计，包括原理图、接线图、底板安装图、面板安装图、网络拓扑图、电控元件布点图、器件明细表等内容。

2.软件功能设计

一般包括驱动功能模块、故障报警功能模块、信息传递功能模块、识别系统功能模块、设备状态功能模块、通信功能模块、接口功能模块、人机界面设计等。软件程序主要含PLC程序和人机界面程序，PLC程序可以根据功能块特点，灵活采用LAD、FBD、STL、SCL等符合IEC61131-3标准语言进行编写。人机界面程序可以采用WINCC、iFIX、INTOUCH等监控软件平台进行画面设计和脚本设计。如图2。

图2： 软件设计界面示例

二、烟草工业企业物流中电气控制系统的特殊设计

除了以上常规设计外，根据烟草工业企业物流的特点和要求，电气控制系统还需要有针对性地设计。

1.网络平台搭建。

由于卷烟厂内部原料、辅料、成品、备品备件、辅材等的存储、输送、分拣环节较多，流程复杂，需要实时传递各项物流任务信息，信息交互频繁且信息量大。因此，在选择控制网络时，应选择工业以太网构架控制网络平台，另外，由于对电气控制系统的实时性要求，PLC程序扫描周期一般要控制在100ms以内（特殊设备如堆垛机等，需要控制在20ms以内），应采用具有实时通道的工业以太网协议。目前，在烟草工业企业中应用较多的是西门子公司主导的PROFINET协议及罗克韦尔公司主导的ETHERNET/IP协议。

2.根据工艺流程特点进行特殊设计。

例如，在烟叶配方库中，烟叶包按计划按批次从配方库中出到制丝生产线的开包机和切片机处，生产车间对每批次出库烟包的等级、产地、年份、重量和顺序有严格要求，出库烟包要求排序控制，电气控制系统按照WCS下达的指令，对出库穿梭车进行按序控制；同时，电气控制系统通过识别系统（条码扫描仪或RFID读写器）对烟包信息进行出库校验，品规错误或烟包出现霉变等质量问题时要及时剔除问题烟包，并进行紧急补料控制。

又如，在辅料或成品库中，实托盘货物为配盘辅料或成品件烟垛，配盘辅料由各种辅材搭配堆叠而成，成品件烟托盘由28件烟或30件烟分层堆叠而成，在输送设备上运行，尤其是启动、停止时要保证实托盘垛形稳定，不能散垛，不能掉料，因此在驱动控制器件选型时要采用变频驱动方案，使用变频器驱动设备电机，在启动、停止时变换速度，做到缓起缓停，保证托盘垛形完整稳定。

再如，在箱装烟丝、烟叶库中，物流系统不仅实现输送和存储功能，还涉及到烟丝烟叶的生产工艺流程中，如物料装箱、称重、翻箱到料、真空回潮等每个环节都要对物料信息进行更新，采用传统托盘条码识别系统已经不能实现要求。因此，需要采用RFID作为信息识别系统，利用RFID标签能够存储较大容量信息（56-2K字节）而且具有可读可写的特点，把每个工艺流程的信息记录在标签内，再利用RFID读写器通过射频感应原理对标签进行信息读或写操作，完成信息的识别或更新等控制功能。

3.物流和信息流的同步控制。

自动化物流系统在实现物料自动输送、完成各种输送任务的同时，对物流信息也进行信息接收、采集、流转、传递等控制，以使物流系统内信息通畅，消除信息孤岛，最终满足烟草工业企业自动化、信息化的建设要求。电气控制系统的一个重要功能即是完成物流和信息流的同步控制。电气控制系统在控制物料按照预定流程输送的过程中，还在内部通过程序控制信息流与物流的同步运行，物料单元进入输送系统内的起始位置时，上位计算机系统即赋予该物料单元相关信息（如任务号、目标地址、物料类型、物料唯一识别码等），由电气控制系统接收，并在输送系统内物料单元输送时进行实时信息传递，物料单元属性在输送过程中如发生变化（如烟丝箱装入烟丝），相关信息也进行实时更新。物料单元在输送系统内有信息，控制系统才进行相应控制动作，完成输送任务。

4.自动化和信息化的实现，为下一步的智能制造、智慧物流建设打下了坚实基础。

国家正在大力推进工业4.0和《中国制造2025》的建设目标。烟草工业企业是最有可能提前达到这一目标的，因为整个行业经过20多年的物流自动化和信息化建设，已经夯实了工业4.0实现的基础。而电气控制系统将对烟草自动化物流的柔性化、定制化和智能化发挥重要作用。

一是电气控制系统按照功能化、模块化、信息化设计，可以把不同的基本单元设计成功能模块，在未来智能化需求的环境下，只需简单的对这些功能模块进行重组、优化即可。

二是控制网络采用工业以太网架构，使系统具有较强的开放性和可扩展性，未来新的智能化产品可以很轻松地集成在原有网络中来。

三是随着电气自动化产品和技术的不断发展，已经出现了具有智能芯片的下一代控制器件，如可以检测电机运行时间和实时电流的电机启动器、可以提供更多信息使传感器层级达到“可视化”的具有I/O-Link协议的新型传感器。

因此，物流电气控制系统将成为工业4.0物联信息系统(CPS)的组成部分，将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。