基于專家系統的煙草松散回潮出口水分控制系統設計

李培培

(河南中煙有限責任公司安陽卷煙廠,河南 安陽 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,由此增強片煙的易加工和韌性,為后續的批量化生產提供重要支持。 隨著煙草行業與科技不斷進步,新時代對于工藝要求已遠遠不止利用人工來改變串級操控,進而需要研究出一種新型操控系統來提升回潮出口水分的精準性與穩定性。

1 松散回潮出口水分控制系統的組成原理

松散回潮出口水分控制系統主要構成涉及兩個模塊,即是前室加水、后室水分控制系統。 前者主要構成包括專家系統、模糊推理系統、前饋技術、加水控制器、電磁流量計、噴嘴等,此軟硬件控制系統可用于對煙葉水分加以粗略調控。 專家系統主要是依據行業專家經驗,按照水分受到干擾因素的改變,進而為加水系統提供科學決策[1]。 前饋系統根據煙葉水分、流量等因素,來對理論加水流量進行明確,進而加水系數可對該流量加以修正。 前饋輸出則能視作加水控制裝置的給定值,后室水分控制系統構成則涉及水分儀、控制器、模糊推理系統、氣動薄膜閥等,可以對前室煙葉水分進行精細調控。 前后室可以進行獨立化工作,并且可以對模糊推理系統進行分時復用。 前室加水控制系統實現機制:第一步,通過前饋系統對理論加水量進行明確,與此同時,借助專家系統可確定加水系數;第二步,對前饋輸出進行計算,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際值偏差,對相應的氣動薄膜閥開發進行PID 調控,從而對加水流量進行相應的控制。 另外,按照偏差及其變化率,并對模糊推理系統進行運用,能夠對加水控制器的3 個參量進行在線整定,譬如K1P 等,可以對加水流量進行更為靈敏的調整。 后室水分控制器實現機制:基于出口水分設定與實際大小,對相應氣動薄膜閥開度進行PID 控制,從而調控補水量,進而對出口煙葉的水分進行精細化調整[2]。 另外,基于偏差及其變化率以及模糊推理系統對控制器的參量進行在線整定,有助于增加出口水分控制的穩定和精準性,其中參數涉及K2D、K2P 等。

2 前饋環節與專家系統設計

2.1 前饋環節的設計

各類牌號卷煙分為不同等級,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,利用前饋環節補償干擾來進行。

入口煙葉量及其水分是可以被檢測的干擾因素,具體可以對理論加水流量進行計算[3]。 對于干料流量而言,就是將入口煙葉的水分百分比進行相減,然后再和入口煙葉流量進行相乘。 對于理論加水流量來說,就是干料流量和入口煙葉水分設定大小百分數進行相乘。 另外,將入口煙葉流量和相應水分百分比相乘,將兩個乘積結果進行減法運算。 被控參量涉及許多可以被測量的干擾因素,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的干擾因素,如滾筒內部環境、煙葉自身特點等。 大量經驗總結可知,在滾筒內部環境、煙葉流量、蒸汽噴射流量等參數整體上處于穩定狀態時,此時難以測量的干擾因素就是煙葉自身特定。 倘若此時加入理論流量,就容易產生過、欠補償等問題。 為了對前饋調節的粗略性進行解決,還需要引入加水系數(K)來對該理論加水流量進行優化。 通常,前饋輸出等于K 和理論加水流量的乘積。在具體生產環節,可以按照干擾動態改變,對K 值進行調整。 倘若該值過高,就容易產生過補償,這樣后室水分控制器就無法相應調整余量。 倘若K 值過低,就容易產生欠補償,借助于后室控制裝置,不易對不足的水分進行補償[4]。 前室控制系統要給煙葉提供增濕水,而后室可以提供的調節幅度,僅為1.5 成。 為此,要緊密結合干擾的動態改變,對K 系數進行調控,從而滿足前后室控制要求。

2.2 專家系統設計

模擬利用干擾變化加水的決策工程過程的計算機軟件系統即是專家系統,主要補充工藝工程師和專家在各種干擾因素干擾時判斷加水系數的經驗,可以像工藝工程師和專家一般在生產時通過干擾變化判斷出加水系數變化。 解釋機、推理機、知識獲取、人機接口等部分構成了專家系統,如圖1 所示。

圖1 專家系統結構原理

2.2.1 推理機

推理機是專家機制的執行機制,同樣也是用于各類推理以及研究功能的程序。 給水系統推理一般采取正向推理。 它的工作流程大概為以下幾點:第一,從S7-400PLC 中獲取到和其有關的加水系數決策推理資料保存到數據庫中,便于后期查看。 第二,推理機在數據庫中尋找與加水系統相關資料,從知識庫中提取相關信息和記錄條件進行對應,如果其中有一條規則是成立的,就必須使全部事實都匹配成功。 如果有一個事實無法成立,就將這個規則直接跳過,選擇另一個規則進行匹配。 如果其中某一個規則與所有事實都匹配成功,就代表這個規則成立,之后將此規則保存到數據庫內。 如果推理完成后仍未獲取加水量系數決策結果,則現狀不需對于水量系數進行改變,就代表加水系數規則是完整的。 如果目前加水系數無法滿足條件,則表示知識庫中沒有此規則,就需要在加水系數的知識庫中加入新條件。 第三,應該從數據庫內獲取加水系數決策推理的結果,并將它保存到S7-400 PLC 的相應數據庫內。

2.2.2 解釋機

向用戶表達轉接系統推理過程是解釋機主要功能,以便用戶能夠理解推理中使用的事實前提和推理過程中使用條件。 因為條件是計算機中的記錄,一般是用符號來表達,不是專業人士無法理解這類符號是何含義[5]。 一旦系統給出結論后,導出結論的數據與相關資料以符號語言的形式存儲在數據庫中,并且解釋機會將這些符號語言翻譯成“如果……”形式的語句,并利用人機接口方式提供給用戶查看。

2.2.3 人機接口

用戶與專家系統完成交互頁面就是人機接口,它的功能分為兩個方面:第一是給使用的用戶供給一個解釋機觀察界面。 用戶可以在此界面觀察水系數變化以及其他信息,有利于將來優化水系數決策。 第二是管理與維護加水系數決策條件。 用戶可以根據自身需求更改加水系數決策條件。

2.2.4 知識獲取

知識獲取模塊的功能是理解或修改為專家要求的內部形式所供給的知識,并將其作為新知識添加到知識庫中。 通過在數據庫中修改和刪除來完成是此模塊的主要功能。

3 控制系統軟硬件實現

3.1 硬件構成

專家系統、上位機以及下位機構成了控制系統。專家系統有配備顯示器與PC 機(見圖2)。 上位機現場控制站選擇西門子IPC677C。 S7-400PLC 是下位機操控系統。 S7-400PLC 根本作用就是后室與前室水分控制與收集數據。 對前室入口煙葉流量、累積量可以借助于入口電子皮帶秤來進行檢測,同時還利用專門的水分儀,檢測出入口煙葉的水分,這兩個檢測裝置可以相互配合運用,這樣就能為前饋加水運算提供重要的數據支持。 前室配置的氣動薄膜閥,可以對加水流量進行動態控制。 電磁流量可以對加水流量的動態變化進行檢測。 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。 對于后室控制模塊而言,同樣提供了噴嘴、出口水分儀、氣動薄膜閥模塊等,后者對后室的加水流量進行動態控制,噴嘴的作用和前室功能基本一致。 水分儀則是對煙葉的出口水分值進行檢測。 另外,該控制系統還集成了CP443-1 通信模塊,其中配置了以太網口,可以和交換機進行直連,專家系統也借助于網絡端口進行對接,另外,該設備還提供了PROFIBUS-DP 接口,該設備能夠和總線耦合裝置進行對接,后者主要涉及出入口水分儀設備、皮帶秤設備等,都可以利用此接口與總線進行對接,前、后室氣動薄膜閥則能和總線耦合模塊的PA 端口進行對接,而控制和開關量檢測信號,則能夠和SM423 IO(數字型)模塊進行對接[6]。

圖2 控制系統硬件構成

3.2 軟件組成

控制系統構建部分分別為尚未專家系統程序與OLC 等程序。 對于上位WINCC 程序一般是用于監控松散回潮過程,開發采用WINCC7.0。 專家系統主要是由推理求解順序、解釋機程序、知識庫構成,主要決策加水系數。 知識庫、后室水分控制系統以及前室水分控制系統等系統構成PLC 程序,主要是利用梯形圖進行表達。 本文分析重點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所構成前室加水控制程序。 同樣,后室料頭、料尾兩個處理程序以及水分控制系統構成后室水分子控制系統。 當煙葉進入滾筒中四分之一位置之前進行的一系列程序就是料頭處理程序。 反之當煙葉在滾筒中還剩四分之三之后要進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鍵一步一定是判斷是料頭還是料尾。 如果在進行料頭料尾工作時,應將其進入到對應的料頭料尾字程序內。 如果未在進行料頭料尾階段,則可以進行正常水分控制操作。

4 結語

本次研究將PID、模糊推理與專家系統技術進行結合,由此開發出創新的松散回潮出口水分控制系統。在對加水系數進行控制時,使用了專家系統,使得前饋輸出得到更為快速、準確的調控。 對于前、后室的控制器,都使用了模糊推理技術,并結合PID 技術對這兩個模塊相關參數進行自適應整定,這樣就能對這兩個模塊的控制性能進行顯著提升,同時這種控制技術與原技術相比更簡單,通過“前饋-串級”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中需要通過人工來對加水系數進行調整的問題,使得該控制系統真正實現全自動化,使松散回潮出口水分更加具有精準與穩定性。