一种产品化学成分的均质化加工调控方法及系统与流程

本发明涉及农产品、食品、药品、化工产品等生产过程中，对产品化学成分进行均质化调控的方法及系统技术领域，通过使用电子仪器检测原料化学成分，使用计算机控制系统根据原料化学成分信息自动搭配、组合原料，生产加工出满足预期比例、化学成分的成品。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，传统的原料加工已经从普通的物理指标控制转向内在化学指标控制。例如烟草打叶复烤加工，以前主要考核的是叶中含梗率、大中片率、出片率等指标，经过多年发展，这类物理指标相应的考核标准和控制措施均已日趋成熟，人们关注的技术控制指标开始转向烟碱、糖碱比等与烟草品质关系更为密切的化学成分相关指标。

按照目前的生产原料均质化加工流程，必须在所有原料全部到货后，取样人员采用对角取样法或者九点取样法从一定区域内抽取部分样品来进行化学成分离线分析，分析完成后采用excel进行配方计算。这种方法耗费时间、人力，如果原料量较大，需要花费数天甚至数周的时间来进行取样、制样和配方计算，对操作人员责任心、专业素质要求极高。此外，这种方法人工参与的环节较多，不具有可控性，只要任何一个环节出现纰漏都将影响最终加工结果；由于取样的局限性(量大时难以所有原料都进行离线分析)，取样数据本身就存在一定的偶然性，往往加工结果跟预期出现的偏差较大。

随着采集技术和计算机控制系统技术的不断发展，许多企业已经开始将在线化学成分采集设备应用到生产线上，结合生产线控制、计算机系统控制进行生产精加工。如申请号为201410114282.8的中国专利申请公开的一种适用于平库的原烟打叶复烤均质化方法，该方法指出了一种在不影响仓库管理的前提下进行均质化加工调控的方法；申请号为201610664913.2的中国专利申请公开的一种能够实现均质化控制的烟叶加工工艺，该工艺使用在线近红外设备采集烟叶化学成分，按照化学化学成分高低进行分类存储，出库时按照高低搭配出库。

上述方法在使用时，都只能针对某一个环节(工序)调控，如果需要调控的环节多，就必须对调控系统重新调整；此外，上述方法在执行时，都必须要等待原料化学成分信息采集完毕后即原料全部入库后才能开始调控，生产效率低，在实际生产中执行的难度比较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于产品化学成分的均质化加工调控方法及系统，可根据实际需要进行柔性配置，进行多环节调控，实现边采集、边调控、边生产的均质化生产加工调控。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种产品化学成分的均质化加工调控方法，该方法是先确定产品生产线上实现产品化学成分均质化需要对物料进行调控的环节，然后针对每个调控环节分别建立调控模型，不断进行物料的均质化加工，控制加工物料批次内和批次间的均匀性；每一调控环节的物料均质化加工过程如下：

(1)将不同来源或批次的生产原料依次装箱后入库存储，装箱的同时，在装箱点设置采集装置实时采集原料的化学成分信息；将装箱控制系统通过网络与调控系统连接，装箱控制系统发出指令开始装箱时，调控系统记录每一箱的开始装箱时间，当箱内原料达到设定重量时，装箱控制系统发出指令停止装箱，并将满箱信号传送至调控系统；调控系统收到满箱信号后，根据开始装箱时间、结束装箱时间，计算出各箱原料的化学成分信息，同时获取安装在箱体上的rfid电子标签，将rfid标签号、各箱重量及化学成分信息写入调控系统；

(2)将需要调控得到的至少一种物料配方信息输入调控系统，当入库物料箱达到所需数量时，根据生产需求选择需要调控的物料配方，调控系统根据调控系统存储的物料箱rfid标签号、各箱重量及化学成分信息，计算出满足物料配方条件的物料箱批次信息，并将批次信息传送至出库执行机构；

(3)出库执行机构根据接收到的批次信息，按照调控系统的指令，调取对应的原料箱出库后将原料混合均匀，组配得到所需物料配方即调控品，再次装箱后输送至后续生产环节直接投料或者入库；在调控品输出端设置实时监测装置，在线监测调控品的化学成分信息，当监测到调控品化学成分信息偏离设定区间时，调控系统发出指令至故障柜控制设备，将异常物料导入故障柜；

第一调控环节均质化加工得到的合格调控品入库后作为第二调控环节的原料，第二调控环节均质化加工得到的合格调控品入库后作为第三调控环节的原料，以此类推，直至最后一个调控环节，实现产品化学成分的均质化加工。

本发明在装箱点设置的采集装置和在调控品输出端设置的实时监测装置均为近红外采集设备或者微波水分仪；所述出库执行机构为堆垛机、叉车、穿梭板中的一种。

实现本发明方法的产品化学成分均质化加工调控系统，至少包含化学成分采集与标识模块、设备管理模块、外部系统接口模块、模型管理模块、智能配方管理模块、质量管理模块；

化学成分采集与标识模块：通过无线连接的采集设备实时采集自动装箱系统装箱生产原料的化学成分信息和装箱标识信息；该模块是调控系统的数据支撑层，为后期的调控做数据准备；

设备管理模块：通过无线连接管理和控制所有接入的采集设备和执行设备，实时采集设备的状态信息，为后期动态调控执行设备做准备；

外部系统接口模块：外部系统接口模块连接的外部系统包括有自动装箱系统、仓库管理系统、生产管理系统；

模型管理模块：进行生产单元建模、生产模式建模、出入库策略建模、多目标寻优智能配方建模；

智能配方管理模块：根据选用的生产模型，设置相应的参数自动完成投料配方、入库货位的计算；

质量管理模块：对经过化学成分采集与标识模块处理形成的各箱原料化学成分进行统一管理，并展现各批次原料的各项化学成分的统计值、质量特征、变化趋势和化学成分分布情况、各批次原料间的各化学成分值变化和差异；

化学成分采集与标识模块分别与设备管理模块、外部系统接口模块、质量管理模块、智能配方管理模块进行信息连接；设备管理模块分别与化学成分采集与标识模块、模型管理模块、智能配方管理模块进行信息连接；模型管理模块分别与设备管理模块和智能配方管理模块进行信息连接；外部系统接口模块分别与化学成分采集与标识模块、智能配方管理模块、质量管理模块进行信息连接；质量管理模块分别与化学成分采集与标识模块、智能配方管理模块、外部系统接口模块进行信息连接；智能配方管理模块是调控系统的核心，分别与化学成分采集与标识模块、设备管理模块、外部系统接口模块、模型管理模块、质量管理模块进行信息连接；

化学成分采集与标识模块将由设备管理模块管理的采集设备所采集的各箱原料化学成分信息、以及外部系统接口模块连接的自动装箱系统传输过来的装箱控制逻辑信息进行标识，并传送至智能配方管理模块，智能配方管理模块根据仓库内的库存信息、调控模型信息，计算出该原料箱的入库货位；外部系统接口模块从生产管理系统获取生产计划、原料配比信息，传送至智能配方管理模块进行投料配方计算；外部系统接口模块同时将仓库管理系统获取的原料库和缓存库的仓库库存信息、原料的基础数据信息传送至智能配方管理模块；智能配方管理模块计算出投料配方后，将投料任务信息下达给仓库管理系统，由仓库管理系统发送信息给设备管理模块，通知执行设备执行投料动作；仓储管理系统会自动将投料执行结果反馈给外部系统接口模块并传送至智能配方管理模块；设备管理模块将设备状态信息实时传送给智能配方管理模块，将设备参数信息传送给模型管理模块；模型管理模块进行生产单元建模、生产模式建模、出入库策略建模、多目标寻优智能配方建模后传送给智能配方管理模块，智能配方管理模块据此向外部系统接口模块发出指令，调控化学成分采集与标识模块、设备管理模块执行相应动作；质量管理模块接收并存储智能配方管理模块发来的投料批次信息，并与化学成分采集与标识模块发来的完成均质化处理的箱装物料信息进行比对，将指标异常的物料箱信息发送至外部系统接口模块，外部系统接口模块启动仓库管理系统回收信息异常物料箱。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)柔性优化、便于扩展。本发明确定了产品生产线上实现产品化学成分均质化需要对物料进行调控的环节，并针对每个调控环节分别建立调控模型，不断进行物料的均质化加工，便于生产企业根据各自的生产情况确定不同环节、不同模式、不同方法的均质化调控。

(2)采用多级调控，均质化效果好。均质化加工调控就是一个不断平均的过程，本发明将整个生产线全部串联起来，在不同的生产环节不断进行均质化加工，可有效控制加工原料批次内和批次间的均匀性。

(3)自动化程度高。全面集成生产各环节及外围设备和系统，打通数据链路，数据交互都自动进行。调控系统自动监控关键设备、数据信息，自动下达投料批次数据，生产连续性好，调控结果更加准确。

附图说明

图1为本发明一个实施例的均质化加工调控方法流程图；

图2本发明均质化加工调控系统图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明的内容。

实施例1

一种产品化学成分的均质化加工调控方法，本发明的调控核心为使用在线或离线设备采集原料的化学成分信息，将每个调控环节抽象成调控模型，每个调控模型都有前序单元、后续单元、约束条件、算法模型和目标函数。前序单元确定调控原料的来源，后续单元确定要将调控结果通知送达的设备或系统，约束条件确定需要何种原料、何时进行调控，算法模型为计算机系统使用何种计算方法进行投料配方的计算，目标函数决定调控需要达到何种目的。

如图1所示，本发明方法步骤如下：

s1：先确定产品生产线上实现产品化学成分均质化需要对物料进行调控的环节，然后针对每个调控环节分别建立调控模型，确定每个调控环节的前序单元、后续单元，实现生产加工全流程的建模，不断进行物料的均质化加工，控制加工物料批次内和批次间的均匀性。调控批次内物料的化学成分均匀性由每一批次的物料混合装置控制，调控批次间物料的化学成分均匀性由调控系统控制。

本实施例设置了四个调控环节：原料到货入库环节(原料到货拆包→入原料库)、原料出库到半成品加工环节(原料库→半成品加工)、半成品生产下线回库环节(半成品加工→入缓存库)、半成品投料生产环节(缓存库→生产加工)。原料到货入库环节的前序单元设置成为原烟到货，后续单元为原料仓；原料出库到半成品加工环节的前序单元为原料仓库，后续单元为半成品加工投料口；半成品生产下线回库环节的前序单元为半成品生产线，后续单元为半成品仓库；半成品投料生产环节的前序单元为半成品仓库，后续单元为半成品投料口。

s2：将不同来源或批次的生产原料拆包依次装箱后入原料库存储，装箱的同时，在拆包装箱点设置采集装置实时采集原料的化学成分信息；将装箱控制系统通过网络与调控系统连接，装箱控制系统发出指令开始装箱时，调控系统记录每一箱的开始装箱时间，当箱内原料达到设定重量时，装箱控制系统发出指令停止装箱，并将满箱信号传送至调控系统；调控系统收到满箱信号后，根据开始装箱时间、结束装箱时间，计算出各箱原料的化学成分信息，同时获取安装在箱体上的rfid电子标签，将rfid标签号、各箱重量及化学成分信息写入调控系统；检测完成的原料进入到原料库中；

s3：将需要调控得到的至少一种物料配方信息输入调控系统，当入库物料箱达到所需数量时，根据生产需求选择需要调控的物料配方，调控系统根据调控系统存储的物料箱rfid标签号、各箱重量及化学成分信息，计算出满足物料配方条件的物料箱批次信息，并将批次信息传送至出库执行机构。

s4：出库执行机构根据接收到的批次信息，按照调控系统的指令，调取原料库中对应的原料箱出库后将原料混合均匀，加工得到所需物料配方即半成品，再次装箱后输送至缓存库。原料到货时，调控系统并不清楚整个加工批次原料的化学成分均值情况，因此半成品加工必须在所有原料全部检测完成后才能开始。当需要半成品加工时，原料出库到半成品加工调控环节根据设置的条件自动计算出需要投料的批次数据，并通知相应的执行机构进行投料动作。半成品加工完成时，将半成品放置于箱中，并用采集装置对半成品进行在线化学成分采集。当半成品需要回库时，系统根据预设的入库条件，调控系统动态确定每个半成品箱的入库货位，通知执行机构进行入库动作。在半成品加工末端设置实时监测装置，在线监测半成品的化学成分信息，当监测到半成品化学成分信息偏离设定区间时，调控系统发出指令至故障柜控制设备，将异常物料导入故障柜。

s5：当需要生产加工时，调控系统根据半成品投料生产调控模型自动计算出投料批次数据，通知执行机构进行缓存库中的半成品出库，混合均匀后投料进行生产加工。在生产加工末端设置实时监测装置和，在线监测成品的化学成分信息，当监测到成品化学成分信息偏离设定区间时，调控系统发出指令至故障柜控制设备，将异常物料导入故障柜。故障柜可设置于缓存库中。异常物料可用于下一批次调控的原料。

经原料到货入库环节进入原料仓储存的物料，作为原料出库到半成品加工环节的原料，原料出库到半成品加工环节加工得到的合格半成品回库后，作为半成品投料生产环节的原料。调控系统对原料到货拆包到入原料库、原料库的装箱物料调出库进行半成品加工、加工好的半成品又作为新的原料入缓存库、将缓存库的半成品调出库投料进行生产加工这四个过程均进行调控，整个生产过程经过了两次均质化加工。

在装箱点设置的采集装置和在调控品输出端设置的实时监测装置均可采用近红外采集设备或者其他在线监测化学成分仪器，本实施例采用近红外采集设备，可以市购，如petern7440。所述出库执行机构为堆垛机、叉车、穿梭板中的一种，本实施例采用堆垛机。

采用本发明方法，调控系统可以自动监控投料批次信息。当前批次结束后，系统自动下达下一个批次数据。原料库和缓存库如果采用边进边出的模式，当新入的箱数量达到调控系统设定的比例时，调控系统控制自动回收未下达的批次数据箱，并根据已经执行的批次数据自动重计算批次数据信息；调控系统介入控制时间可以是待物料全部入库后，也可以是入库数量达到一定比例时。

本发明的化学成分均质化调控系统如图2所示，至少包含化学成分采集与标识模块、设备管理模块、外部系统接口模块、模型管理模块、智能配方管理模块、质量管理模块。

实现本发明方法的产品化学成分均质化加工调控系统，至少包含化学成分采集与标识模块、设备管理模块、外部系统接口模块、模型管理模块、智能配方管理模块、质量管理模块；

化学成分采集与标识模块：通过无线连接的采集设备实时采集自动装箱系统装箱生产原料的化学成分信息和装箱标识信息；该模块是调控系统的数据支撑层，为后期的调控做数据准备；

设备管理模块：通过无线连接管理和控制所有接入的采集设备和执行设备，实时采集设备的状态信息，为后期动态调控执行设备做准备；

外部系统接口模块：本发明的调控系统作为生产调控的决策系统，需要从外部系统获取数据，并将调控结果发送到周边系统中。外部系统接口模块连接的外部系统包括有自动装箱系统、仓库管理系统、生产管理系统，本模块从外部系统中获取基础数据信息如原料的等级、产地、年份等、生产计划、物料配方信息等参数信息，将调控结果发送到仓库管理系统、生产管理系统；

模型管理模块：进行生产单元建模、生产模式建模、出入库策略建模、多目标寻优智能配方建模。具体如下：

生产单元建模：生产单元是生产建模的最小单元，是对化学成分均质化调控过程中所有相关处理单元的逻辑定义。每个生产单元都可以自定义属性，生产单元由生产模型调用。

生产模式建模：建立分段生产过程调控工艺模型，调控相关单元的连接和流向关系，可根据生产实际配置各调控环节关联的配方计算模型、算法、智能计算触发条件(计算触发设置：手动触发、关键设备状态变化、库存量变化达到比例等)；

出入库策略建模：设置不同类型仓库的入库存储的最小存取分类单元，根据分类单元大小、总单元数量等，对入库聚类差异度、分类数等进行定义或自动计算。管理不同类型仓库的出库策略，以保障投料选择的可行性及效率。

多目标寻优智能配方建模：负责管理智能配方计算所使用的算法模型，模型内容包括：

a.目标函数：大批次的化学成分变异系数最小，目标函数中包含的化学成分项可为单个或多个，可由用户添加并赋予重要度权重。

b.约束条件：维护投料配方计算需要满足的约束条件，例如，在烟叶原料均质化过程中，可选择投料烟叶存储库、打叶配方、批次各化学成分值变异系数的上限、最小混合单元量、混合条件等来考虑将哪些环节的设备条件等作为约束条件。

智能配方管理模块：根据选用的生产模型，设置相应的参数自动完成投料配方、入库货位的计算；

模型管理模块动态监控入库、生产数据，当达到某种触发条件(如关键设备发生故障、新入库数量达到一定比率)时，自动回收未下达的投料批次数据，根据新的数据进行重计算，保证生产的连续性，调控结果的准确性。模型管理模块还自动监控任务执行情况，当上一个批次的任务执行完成时自动下发新的任务信息。

质量管理模块：对经过化学成分采集与标识模块处理形成的各箱物料化学成分进行统一管理，既可反映原料、半成品、成品各化学成分检测值的统计量，也可反映构成这些统计量的详细检测。同时提供多种形式的图形，展现各批次片烟的各项化学成分的总体统计值(均值、方差、cv值)、分布图，反映整个批次质量特征、变化趋势和化学成分分布情况；反映各批次间的各化学成分值变化和差异情况。

化学成分采集与标识模块分别与设备管理模块、外部系统接口模块、质量管理模块、智能配方管理模块进行信息连接；

设备管理模块分别与化学成分采集与标识模块、模型管理模块、智能配方管理模块进行信息连接；

模型管理模块分别与设备管理模块和智能配方管理模块进行信息连接；

外部系统接口模块分别与化学成分采集与标识模块、智能配方管理模块、质量管理模块、进行信息连接；

质量管理模块分别与化学成分采集与标识模块、智能配方管理模块、外部系统接口模块进行信息连接；

智能配方管理模块是调控系统的核心，分别与化学成分采集与标识模块、设备管理模块、外部系统接口模块、模型管理模块、质量管理模块进行信息连接；

化学成分采集与标识模块将由设备管理模块管理的采集设备所采集的各箱原料化学成分信息、以及外部系统接口模块连接的自动装箱系统传输过来的装箱控制逻辑信息(如箱体上的rfid标签号、各箱重量等)进行标识，并传送至智能配方管理模块，智能配方管理模块根据仓库内的库存信息、调控模型信息，计算出该原料箱的入库货位；外部系统接口模块从生产管理系统获取生产计划、原料配比信息，传送至智能配方管理模块进行投料配方计算；外部系统接口模块同时将仓库管理系统获取的原料库和缓存库的仓库库存信息、原料的基础数据信息(如原料的等级、产地、年份)传送至智能配方管理模块；智能配方管理模块计算出投料配方后，将投料任务信息下达给仓库管理系统，由仓库管理系统发送信息给设备管理模块，通知执行设备执行投料动作；仓储管理系统会自动将投料执行结果反馈给外部系统接口模块并传送至智能配方管理模块；设备管理模块将设备状态信息实时传送给智能配方管理模块，将设备参数信息传送给模型管理模块；模型管理模块进行生产单元建模、生产模式建模、出入库策略建模、多目标寻优智能配方建模后传送给智能配方管理模块，智能配方管理模块据此向外部系统接口模块发出指令，调控化学成分采集与标识模块、设备管理模块执行相应动作；质量管理模块接收并存储智能配方管理模块发来的投料批次信息，并与化学成分采集与标识模块发来的完成均质化处理的箱装物料信息进行比对，将指标异常的物料箱信息发送至外部系统接口模块，外部系统接口模块启动仓库管理系统回收信息异常物料箱。

实施例2

以打叶复烤厂调控烟草烟碱均匀性为例，调控环节为配方库出库到打叶复烤投料环节，配方库为立体库，前序单元为配方库，后续单元为打叶复烤翻箱喂料机，其加工步骤如下：

1.接到生产通知单后，生产部安排铺叶摆把人员进行摆把，在摆把过程中，不用关心批次信息，只要有料就可以放到摆把线上。

2.在每个摆把台的末端有一个自动装箱口，在自动装箱口的顶端安装一台在线近红外采集装置，自动装箱系统由plc进行控制，由于烟叶为选后烟叶，烟叶松散度大，水分低，装箱重量预设为320kg。在装箱过程中，调控系统采集每个烟箱的开始装箱、结束装箱信号，同时采集在线近红外采集装置采集的烟叶化学成分信息(如烟碱、总糖、还原糖、氮、钾、氯、温度、水分)。当收到结束装箱信号时，调控系统根据装箱的起止时间，自动计算出该烟箱的综合化学成分信息，并将化学成分信息写入plc中，由自动装箱系统申请入库，在申请入库时，自动装箱系统会同时上报烟叶等级、产地、品种等信息、重量信息、箱子的rfid标签号，化学成分分类信息。自动立体库上位系统响应后，通知相应的取货机构如堆垛机进行入库操作。

3.单等级的调控系统计算时，每24个烟框为一个批次，当库存的烟箱数量达到5个批次时，调控系统开始计算投料配方。调控系统计算投料配方时，根据预设的预期目标(如烟碱cv值即变异系数小于2.8％)，选取合适的烟框组成批次，在计算投料配方时，需要综合考虑堆垛机的出库效率。计算完成后，第一次由操作人员手动下达投料配方，调控系统下达批次信息时，会同时将该信息下达给翻箱喂料机。

4.自动立体库上位系统收到调控下同下达的投料配方后，通知堆垛机进行出库。当堆垛机将烟箱送达立体库出口时，同时将该烟箱的批次信息写入物流电控系统的plc中，烟箱在物流线路上移动的过程中始终带着该批次号。当烟箱到达翻箱喂料机时，翻箱喂料机控制会自动比对该烟箱的批次信息，如果发现批次号错误，则给出报警提示，由操作人工手动处理。

在自动立体库执行出库过程中，调控系统会实时监控每个投料批次的执行情况，当执行批次的最后一个烟框出库完成时，调控系统会自动下发下一个批次的投料数据。

当第一个投料批次下达后，调控系统会实时监控自动立体库的库存变化情况，当新入库数量到达设定的比例时，调控系统自动回收已经计算但未下达的批次数据，同时考虑已经执行完成的批次，重新计算投料配方。

当自动立体库的某个堆垛机发生故障时，调控系统会自动屏蔽故障堆垛机所在通道的库存信息，自动重新计算投料配方。

当最后一箱原烟进入立体库后，操作人员在调控系统上手动设置物料已经全部入库完成，调控系统进行最后一次计算。当所有计算的配方全部执行完成时，该批烟叶调控结束。

在复烤机尾安装一台在线近红外监测装置实时检测成品的化学成分信息，一旦发现成品烟碱超出设定的范围时，通知故障柜控制系统，由故障柜控制系统将异常烟叶导入故障柜中。

5.在成品片烟烟箱下线口，取样人员每50箱取一个样，进行离线化学成分分析。经过检测，该批烟箱共计下线片烟1492箱，片烟烟碱cv值为2.71％。

经过测试，10000担原烟，共装1214框烟叶，调控系统计算生成51个批次，最后一个批次位14框，其他均为24框，调控系统预估烟碱cv值为2.38％，抽检cv为2.71％，满足了最初设定的烟碱cv小于2.8％(在实际生产过程中，由于生产设备的执行度未必能实际达到生产预期的要求，例如批次内部混合的贮柜不一定能够充分混合物料，因此生产结果的指标一般比系统预估的指标要高一些，这种允差度在烟草行业是允许的)。

通过本次测试，可以得出结论：该均质化加工调控方法极大程度地减轻了复烤厂取样、制样工作，系统自动进行投料配方的计算，同时各个环节严格卡控批次信息，批次信息准确，高效准确地实现了基于烟碱的均质化加工调控。