基于边缘控制的回潮加湿设备水分控制系统的研究

基于边缘控制的回潮加湿设备水分控制系统的研究

朱思奇,蔡一彪,苏修武

杭州安脉盛智能技术有限公司，浙江省杭州市310000

摘要：烟草生丝水分是烟草制丝生产过程中的关键指标，其控制效果将基本决定所生产烟丝的品质效果。为了提升烟丝质量，满足严格的烟丝生产工艺标准，确保生产出来的烟丝符合产品要求，需要提高烟草生丝水分的控制精度和稳定性。为了提高烟草生丝水分的控制精度与稳定性，本文将在原有的基础上提出基于边缘控制的回潮加湿设备水分控制系统，它包括控制模块、传感器模块、边缘控制模块和通讯模块，传感器模块，用于采集回潮加湿过程干扰变量的相关数据；控制模块，用于控制将传感器模块采集回潮加湿过程的相关数据将经通讯模块传输至边缘控制模块内；边缘控制模块，用于对通讯模块传输的回潮加湿过程的相关数据进行实时控制并得到控制结果；通讯模块，用于将回潮加湿过程的相关数据传输至边缘控制模块中。本文采用边缘控制的方式对介入加水量控制，无需对原始系统进行大规模改造，降低改造成本；并增加相应传感器，实时测量干扰变量值。对加入干扰变量后的数据进行分析处理，得到修正后的结果，提高了控制精度。

关键词：边缘控制；回潮加湿设备；控制系统

引言

回潮加湿是制丝叶片处理过程中的重要工序，其作用是对烟片进行松散、回潮、加湿，使烟片温度和含水率达到工艺技术的要求，为下道工序提供合格的烟片。近期的一些研究结果表明，回潮加湿过程除影响烟片的物理质量外，对其感官质量的影响也较大，新版《卷烟工艺规范》中明确提出回潮加湿过程还应注重改善烟片的感官质量。在实际生产过程中，由于受加水均匀性和准时性、热风温度的稳定性以及蒸汽压力等交互作用的影响，存在着回潮处理后的烟片含水率不稳定的现象，直接影响后工序的质量控制和加香料的准确性。因此，提高烟片回潮加湿后含水率的均匀性，对过程质量稳定性的控制至关重要。

现有的水分控制方案是PLC控制系统采集回潮加湿过程烟片的入口含水率、目标出口含水率和质量流量，根据固定的经验公式计算加水量，再由PLC调节加水阀开度对出口含水率进行控制。此方案控制精度低，出口含水率稳定性不能满足当前烟草精细化加工工艺的需求。然而对当前系统进行大规模升级改造所需成本巨大，难以实施。

综上所述，如何设计出回潮加湿设备水分控制系统，既能保证出口水分的稳定性，又能最大限度利用现有传感器及控制系统信息，降低改造成本，就成了本领域内的技术人员亟待解决的问题。

1.回潮加湿器原理说明

本文针对现有技术中的缺点，提供了基于边缘控制的回潮加湿设备水分控制系统。

为了解决上述技术问题，本文通过下述技术方案得以解决：

基于边缘控制的回潮加湿设备水分控制系统，包括控制模块、传感器模块、边缘控制模块和通讯模块，传感器模块和控制模块分别连接通讯模块：(1)边缘控制模块连接通讯模块；传感器模块用于采集回潮加湿过程干扰变量的相关数据，相关数据至少包括蒸汽压力、热风温度和环境温湿度数据，将相关数据反馈至边缘控制模块中；(2)控制模块用于控制将传感器模块采集回潮加湿过程的相关数据将经通讯模块传输至边缘控制模块内，并将边缘控制模块得到的控制结果反馈至回潮加湿设备水分控制回路的执行机构中实现对回潮加湿设备的水分控制；(3)边缘控制模块用于对通讯模块传输的回潮加湿过程的相关数据进行实时控制并得到控制结果；(4)通讯模块用于将回潮加湿过程的相关数据传输至边缘控制模块中，并将边缘控制模块得到的控制结果传输至控制模块内。

本文中的传感器模块至少包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器；边缘控制模块包括智能控制单元和微型LOT控制器单元，智能控制单元安装在微型LOT控制器单元上，智能控制单元用于对回潮加湿过程的相关数据进行实时控制并得到控制结果，微型LOT控制器单元用于对智能控制单元进行控制；中微型LOT控制器单元包括微型LOT控制器、内存模块和通讯接口，微型LOT控制器分别连接内存模块和通讯接口，通讯接口连接通讯模块；通讯单元包括控制模块通讯单元和传感器模块通讯单元，控制模块通讯单元连接控制模块，传感器模块通讯单元连接传感器模块；传感器模块通讯单元设有至少设有RS485接口、RS422接口、Zigbee接口和Modbus TCP接口中的一种或者几种；控制模块包括PLC控制器，PLC控制器的型号为6ES7417-4HL00-0AB0或6ES7461-1BA00-0AA06ES7405-0KA02-0AA0。

2.回潮加湿器实验结果与分析

为了更清楚地说明现有技术中的技术方案，下面将现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1是本文设备的整体结构示意图：（1）标号100是指传感器模块；（2）标号200是指控制模块；（3）标号300是指通讯模块；（4）标号310是指控制模块通讯单元；（5）标号320是指传感器模块通讯单元；（6）标号400是指边缘控制模块；（7）标号410是指智能控制单元；（8）标号420是指微型LOT控制器单元。                                                                                                                                                                                   

下面结合现有技术方案对本设备做进一步的详细说明：

基于边缘控制的回潮加湿设备水分控制系统，包括控制模块、传感器模块、边缘控制模块和通讯模块，传感器模块和控制模块分别连接通讯模块，边缘控制模块连接通讯模块；传感器模块，用于采集回潮加湿过程干扰变量的相关数据，相关数据至少包括蒸汽压力、热风温度和环境温湿度数据，将相关数据反馈至边缘控制模块中；控制模块，用于控制将传感器模块采集回潮加湿过程的相关数据将经通讯模块传输至边缘控制模块内，并将边缘控制模块得到的控制结果反馈至回潮加湿设备水分控制回路的执行机构中实现对回潮加湿设备的水分控制；边缘控制模块，用于对通讯模块传输的回潮加湿过程的相关数据进行实时控制并得到控制结果；通讯模块，用于将回潮加湿过程的相关数据传输至边缘控制模块中，并将边缘控制模块得到的控制结果传输至控制模块内。

传感器模块至少包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器。温度传感器、湿度传感器和压力传感器主要用于获取过程的蒸汽压力、热风温度和环境温湿度等数据并传入边缘控制模块中，用于后续数据分析；温度传感器、湿度传感器、无线压力传感器的数据传输协议为Zigbee，当然，其他协议也可以实现。另外，不仅包括了传感器模块采集到的这些数据，还至少包括牌号信息、入口含水率、出口含水率、目标出口含水率和烟片质量流量，这样，这些数据经过通讯模块传输至边缘控制模块中之后，后续边缘控制模块处理出来的结果更加精确，误差小。

另外，为了能更加精确的得到控制结果，边缘控制模块包括智能控制单元和微型LOT控制器单元，智能控制单元安装在微型LOT控制器单元上，智能控制单元用于对回潮加湿过程的相关数据进行实时控制并得到控制结果，微型LOT控制器单元用于对智能控制单元进行控制。智能控制单元，用于分析通讯模块采集到的回潮加湿过程的入口含水率、出口含水率、烟片质量流量、热风温度以及蒸汽压力等相关数据，完成回潮加湿过程工况判定、牌号自动识别、大数据模型建立和最优加水量的控制功能。

微型LOT控制器单元包括微型LOT控制器、内存模块和通讯接口，微型LOT控制器分别连接内存模块和通讯接口，通讯接口连接通讯模块。智能控制单元输出的最优加水量经通讯接口传入通讯模块中，再传入控制模块中。处理为 Atom TME3815，当实现处理数据或者其他功能的量大时，可将其升级；其内存为2GB DDR3L RAM，可扩展至4GB；通迅接口为2个RJ45以太网接口，1个USB2.0接口，1个USB3.0接口，1个DP显示接口；所述内存、通讯接口与所述处理器电连接；RJ45以太网接口可连接路由器，与通讯模块建立通讯；USB2.0接口和USB3.0接口可连接鼠标键盘，用于数据输入，也可连接外部存储设备，用于数据导出。

通讯单元包括控制模块通讯单元和传感器模块通讯单元，控制模块通讯单元连接控制模块，传感器模块通讯单元连接传感器模块。传感器模块通讯单元设有至少设有RS485接口、RS422接口、Zigbee接口和Modbus TCP接口中的一种或者几种。传感器模块通讯单元接收温度传感器、湿度传感器、无线压力传感器以Zigbee或者其他协议发送的数据，再以Modbus TCP协议将数据传入边缘控制模块中。

控制模块包括PLC控制器，PLC控制器的型号为6ES7417-4HL00-0AB0或6ES7461-1BA00-0AA0或6ES7405-0KA02-0AA0。控制模块选用西门子S7-400系列PLC，型号为6ES7417-4HL00-0AB06ES7461-1BA00-0AA06ES7405-0KA02-0AA0，西门子S7-400PLC因其稳定的性能，广泛用于烟厂自控系统中。

结语

本文采用边缘控制的方式对介入加水量进行控制，无需对原始系统进行大规模地改造，并且最大限度利用现有传感器及控制系统信息，降低改造成本；充分考虑回潮加湿过程中存在的干扰，找出关键干扰变量，并增加相应传感器，实时测量干扰变量值。对加入干扰变量后的数据进行分析处理，得到修正后的结果，提高了控制精度。边缘控制模块能得到回潮加湿过程最优加水量，与现有技术相比，鲁棒性更强，控制精度更高，保证了出口水分的稳定性；同时预留模式切换功能，可随时回退到原始系统，保证了系统的安全性。

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