煙草自動化物流系統中的電氣控制系統設計

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、收購、儲存、運輸、加工到銷售服務整個過程中物質實體運動以及流通環節的所有附加增值活動；狹義上是指煙草行業基于社會職能分工的不同，工業企業、商業企業及相互之間發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企業（卷煙廠）內部自動化物流的相關情況。

煙草工業企業是中國較早進行自動化物流系統建設的行業之一，經過20多年的發展，已經成為國內物流系統建設的標桿，主要體現在其物流系統自動化程度高、信息完善，涉及企業生產、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）。

煙草工業企業自動化物流系統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（WMS）等組成；中層為監控調度層，主要由監控系統、倉庫控制系統（WCS）組成；底層為設備執行層，主要由物流設備、電氣控制系統組成。電氣控制系統是煙草工業企業自動化物流系統中重要的一環，是物流系統物料運轉及物流信息采集和傳遞的執行機構。

圖1： 典型電氣控制系統網絡配置圖

一、電氣控制系統的構成與設計

電氣控制系統由主控制器（PLC）、控制網絡、分布式I/O、驅動系統、檢測系統、識別系統、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通過以太網接口模塊將任務執行情況及設備工作狀態等信息實時反饋給上位計算機系統。

圖1是一個典型電氣控制系統的網絡配置圖，主控制器通過控制網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，協同完成物流和信息流控制。

電氣控制系統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

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

電機驅動方式有直接饋電驅動、軟啟動及變頻驅動三種方式。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，對執行器件（電磁閥、指示燈）進行輸出控制。操作終端是提供給現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。低壓配電是對系統內各用電電壓等級（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鋪設，電纜橋架的設計按照設備數量、用電量等參數設計。

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、網絡拓撲圖、電控元件布點圖、器件明細表等內容。

2.軟件功能設計

一般包括驅動功能模塊、故障報警功能模塊、信息傳遞功能模塊、識別系統功能模塊、設備狀態功能模塊、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、煙草工業企業物流中電氣控制系統的特殊設計

除了以上常規設計外，根據煙草工業企業物流的特點和要求，電氣控制系統還需要有針對性地設計。

1.網絡平臺搭建。

由于卷煙廠內部原料、輔料、成品、備品備件、輔材等的存儲、輸送、分揀環節較多，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，在選擇控制網絡時，應選擇工業以太網構架控制網絡平臺，另外，由于對電氣控制系統的實時性要求，PLC程序掃描周期一般要控制在100ms以內（特殊設備如堆垛機等，需要控制在20ms以內），應采用具有實時通道的工業以太網協議。目前，在煙草工業企業中應用較多的是西門子公司主導的PROFINET協議及羅克韋爾公司主導的ETHERNET/IP協議。

2.根據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線的開包機和切片機處，生產車間對每批次出庫煙包的等級、產地、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，電氣控制系統通過識別系統（條碼掃描儀或RFID讀寫器）對煙包信息進行出庫校驗，品規錯誤或煙包出現霉變等質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定，不能散垛，不能掉料，因此在驅動控制器件選型時要采用變頻驅動方案，使用變頻器驅動設備電機，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定。

再如，在箱裝煙絲、煙葉庫中，物流系統不僅實現輸送和存儲功能，還涉及到煙絲煙葉的生產工藝流程中，如物料裝箱、稱重、翻箱到料、真空回潮等每個環節都要對物料信息進行更新，采用傳統托盤條碼識別系統已經不能實現要求。因此，需要采用RFID作為信息識別系統，利用RFID標簽能夠存儲較大容量信息（56-2K字節）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，再利用RFID讀寫器通過射頻感應原理對標簽進行信息讀或寫操作，完成信息的識別或更新等控制功能。

3.物流和信息流的同步控制。

自動化物流系統在實現物料自動輸送、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、傳遞等控制，以使物流系統內信息通暢，消除信息孤島，最終滿足煙草工業企業自動化、信息化的建設要求。電氣控制系統的一個重要功能即是完成物流和信息流的同步控制。電氣控制系統在控制物料按照預定流程輸送的過程中，還在內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內的起始位置時，上位計算機系統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），由電氣控制系統接收，并在輸送系統內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內有信息，控制系統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，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4.0和《中國制造2025》的建設目標。煙草工業企業是最有可能提前達到這一目標的，因為整個行業經過20多年的物流自動化和信息化建設，已經夯實了工業4.0實現的基礎。而電氣控制系統將對煙草自動化物流的柔性化、定制化和智能化發揮重要作用。

一是電氣控制系統按照功能化、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境下，只需簡單的對這些功能模塊進行重組、優化即可。

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

三是隨著電氣自動化產品和技術的不斷發展，已經出現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協議的新型傳感器。

因此，物流電氣控制系統將成為工業4.0物聯信息系統(CPS)的組成部分，將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速、有效、個性化的產品供應。