成品烟丝箱式自动化存储控制系统解决方案
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摘要 烟草制丝生产线在引入箱式存储工艺后，如何实现装箱布料、牌号管理和外部接口三个关键环节的控制，成为系统设计的重要环节。
随着消费者个性化需求的日益增长，以及卷烟企业的生产模式向“按订单组织货源”方向转变。在传统的烟草制丝生产工艺中，以混丝柜为核心设备的成品烟丝存储方式受到挑战，主要表现为：1，大批量制丝生产与小批量、多牌号卷包生产之间的矛盾。一方面受到成本和场地的制约，混丝储柜数量的调整难以跟上卷烟牌号的增加；另一方面，每个品牌占用一个储柜使得单个储柜的利用率难以提高；2，过程控制能力不强，精细化程度不高。现存的储柜批量出料方式在烟丝预计使用量、余料回收存储以及不合格品剔除等方面的诸多不足，给卷接包的生产调度、预测排产带来较大压力，难以实现生产过程的智能化和柔性化。
针对这种情况，昆船公司和青岛卷烟厂分别从总体设计和生产工艺的角度开拓创新，联合进行成品烟丝箱式存储的方案论证，并于2006年借青岛卷烟厂易地搬迁之机，完成了烟丝库箱式自动存储的工程实施。两年来的生产实践表明，与传统柜式存储方式相比，箱式存储工艺具有明显的优势：1，以150千克／箱为单位存储烟丝，且每个烟箱均可单独定义存储牌号，提高了整体储存容量的利用率；2，依据卷包排产计划可以实现快速响应和灵活多变的烟丝供应链；3，通过对烟丝库存量的统计分析，生产调度系统可以方便地计算调整原、辅料供应和成品存量，实现烟丝存储的数字化管理。
在箱式存储方式中，控制系统需要着力解决三个关键点：
1，实现箱式存储的关键环节――装箱布料过程的控制实现；
2，箱式存储的防差错处理机制――基于RFID技术的烟丝“牌号管理”；
3，控制系统与各相关系统间协同运作、信息互通。
控制流程
青岛卷烟厂成品烟丝自动化物流系统(简称烟丝库)从功能上划分为入库、出库和翻箱三个工艺段。入库段的主要工艺为烟丝装箱，它是控制系统的重点和难点；出库段主要实现烟箱的抽检和出、返库；翻箱段主要完成翻箱倒料、牌号核对等工序。图1是烟丝库的控制流程。
系统配置
烟丝库控制系统采取了集中一分散型工业总线控制方式，选用SIEMENS公司S7-400系列PLC产品作为系统的过程控制主站，出、入库段和翻箱段各用一套S7-400系统，它们之间做基于工业以太网的“ISO-on-TCP”通讯连接。主控制器(CPU)通过其集成的PROFIBUS-DP接口，将分布在现场的各种智能设备与分布式I／O从站通过DP总线进行连接并实现数字信息交换(如数据采集、参数设定等)及过程控制。
控制系统可以独立完成生产设备的运行、停机、故障报警等各种过程控制。通过现场操作员终端(HMI)，可以实现单机／自动切换，对每台设备进行手动操作及状态指示等功能。通过上位监控系统，可以监控整个自动化物流系统所有设备的运行状况、物料的所在位置及实时数据等。主机架装有以太网通讯模块，通过OPC协议与上位调度系统进行通讯。
装箱布料过程的实现
烟丝装箱作为整个烟丝库生产流程的核心工序，也是控制系统最重要的一个控制环节，由电子皮带秤、滑架、布料小车(皮带)、积放式输送机、车架、落料器和相关辅联皮带机等设备构成。控制系统将激光定位、伺服驱动、超声波检测、在线称重、RFID等多种控制手段进行集成；同时与上位调度、前级混丝段控制系统、堆垛机控制系统紧密配合，完成装箱布料工序。系统采用“多箱往复铺料”的装箱布料模式，以适应大流量(约15000kg/h)烟丝入库的需求。
1布料任务分解
上位调度系统(TIMMS)接收到来自于生产调度执行系统(MES)的投产工单后，按照约定的数据格式将布料指令下达至PLC。控制系统首先对该布料任务进行分解，提取烟丝总重、烟丝牌号、批次号等信息进行转存，同时根据单箱布料重量和该批次烟丝的总量计算出所需空烟箱数量、小车往返次数(道数)、本道布料重量。
2装箱布料过程
装箱布料过程共有四种状态，在自动运行的条件下无需人为干预，布料过程会沿着顺时针方向依次转换，周而复始，各状态间的转换是不可逆的，如图2所示。
生产开始后，控制系统首先进行空箱数量检查，如果空箱数量不足8个，则将布料模式置为①，由前级积放输送机将空箱补充进装箱通道；同时，如果布料车不在“原点”位置，则启动布料行车回零。
当空箱补足8个，控制系统将布料模式置为②，如果此时运行条件具备，则保持该模式直至调度系统下达布料开始指令。
一旦接收到布料指令，控制系统立即将装箱布料模式转为③，布料皮带及其后续的供料输送设备开始启动，同时通知混丝段“出柜开始”，小车在激光测距仪的控制下往复行走，配合布料皮带将输送来的烟丝均匀铺散到烟箱内。
当电子皮带秤测量到达本道布料重量时，PLC控制滑架反向，启动另外一道的布料过程，同时将本道布料过程结束，系统转入模式④；积放输送机开始放行，将装满烟丝的烟箱输送至入库申请站台。
两车交替布料，直至剩余的烟丝量小于本道布料重量时，系统进入尾料状态，根据计算得到的尾料所需箱数，锁定布料车往复行走的范围(只在这几箱上布料)，将剩余的烟丝布入最后几个空箱内。
在装箱布料的整个过程中，两组布料车在布料模式1～4的驱动下，交替进行烟丝填装，直至完成本批次的布料任务。横向来看，由于滑架运行方向的惟一性和两台积放输送机出实箱需要相互避让，所以两车的模式③和模式④无法同时存在，为此在控制程序中进行了状态互锁。
3布料车控制
车速控制：布料小车及皮带均为伺服电机，轴侧加装旋转编码器做转速反馈，控制器选用高性能伺服驱动器。主控PLC根据现场操作终端给定的转速，对伺服控制器的运行参数及车速进行设定，从而构成一套完整的闭环伺服控制系统。
位置控制：通过加装在布料车尾部的激光反射板，激光测距仪向PLC实时传送小车的当前位置，PLC根据烟箱落料口的分布，驱动小车对落料点进行精确定位(定位精度误差
料层控制：布料车落料口下方安装微波测厚仪，对铺散到烟箱中的烟丝厚度进行测定，一旦料层超高，则置位报警。
基于RFID的牌号管理
箱式存储的一个显著特点是多个烟丝生产牌号共用一套输送系统。在生产过程中，装有不同烟丝牌号的烟箱，经由输送机系统和LGV系统被搬运到10个烟丝供料点。此时，除了箱体上可见的编号，如果不借助检测仪器，人工
难以在数十个烟箱中区分出不同品牌的烟丝。
系统在设计之初就考虑到因人为出错或设备故障可能导致烟箱送错供料点，从而造成烟丝混牌、错牌等严重的工艺质量事故。借助RFID技术，有效地解决了这一问题。
系统选用IP67防护等级的现场级RFID组件，由读／写单元(含DP通讯适配器)和电子标签体(又称载码体)两部分组成。载码体安装在每个烟箱的底部，当烟箱到达指定的读／写站台时，系统通过安装在输送设备上的读／写单元发出电磁脉冲，对存储于载码体相应存储区间的数据进行非接触读、写或删除处理。控制系统提取了4个关键数据(见图3中的RFID数据结构)，在装箱结束后写入载码体进行保存，并在烟丝进入风力送丝系统前进行最终的比对校验，保证了送丝的准确。
1入库时写入烟丝信息
装箱布料完成后，从积放输送机送出的烟箱首先来到入库申请站台，控制系统根据上位调度给定的烟丝批次信息和地上衡测定的烟丝重量，写入电子标签相应数据区，并将信息成组报给上位调度系统进行入库申请；上位调度系统根据烟箱申请时提供的数据，并结合数据库查询到的该烟箱的历史存储记录，从而判定该烟箱是否获准入库。
2翻箱前校验烟丝牌号
卷包生产前，调度系统根据MES的排产计划，对10个烟丝储柜分别做出投产牌号指定，当烟箱进入控制系统最后一道工序――翻箱倒料前，特别设置一个电子标签核对站台进行烟丝牌号校验。实现方式如下：当烟箱运送至翻箱机前的电子标签核对站台，控制系统读取RFID中存储的烟丝牌号，与调度系统下达的投产牌号进行比对，一旦发现牌号或箱号不匹配，立即在现场操作终端上做出质量安全报警，同时上报调度系统将该烟箱做退库处理，退库的烟箱可以通过实箱抽检流程进行事故追溯。上述处理流程如图3所示。
系统外部接口
烟丝箱式存储是一个涉及光、机、电、信息技术的系统工程，控制系统作为中心环节，需要与计算机调度管理系统、堆垛机控制系统、LGV系统、混丝段控制系统、风力送丝控制系统等协同工作、紧密配合。面对众多跨平台的通讯连接方式，如何处理好与其他子系统的通讯接口，是控制系统需要解决的重要课题。通过对通讯伙伴的特性分析和对传递的数据进行类型划分，控制系统的通讯接口可以分为三类：
1，基于OPC SERVER协议的工业以太网接口。主要传递生产调度信息、工位信息和设备状态等，如与上位调度系统和监控系统的接口；
2，基于PROFIBUS-DP通讯协议的现场总线接口。既有实时数据传递又有控制信号的互锁，如与风力送丝控制系统和电子皮带秤单机控制系统的接口；
3，基于110硬件连锁的无源触点接口。主要用于前后级设备的动作连锁，如与制丝线混丝段控制系统、堆垛机控制系统、LGV地磁导引小车的接口。
该系统于2006年7月正式投入使用，取得了理想的效果，并且相继在上海、济南等卷烟厂成功实施，还将在北京、青州卷烟厂等项目中继续推广。
纵观烟草行业的发展，随着现代物流技术不断提高和制丝生产工艺的持续改进，烟丝箱式自动化储存在国内应用的条件逐渐成熟，并将成为未来卷烟行业可行的选择。