林德民

(廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建 廈門 361022)

0 引言

近些年，隨著國家煙草專賣局對(duì)煙草行業(yè)柔性化生產(chǎn)、精細(xì)化管理要求的不斷提高，“中式卷煙”得到了行業(yè)內(nèi)外的一致重視，并得到了積極的推廣。煙草生產(chǎn)企業(yè)的制絲生產(chǎn)線，作為卷煙行業(yè)的核心工藝段，可以說是整個(gè)卷煙行業(yè)的靈魂部分，是煙草生產(chǎn)企業(yè)最重要的環(huán)節(jié)，直接決定卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來，各企業(yè)在制絲生產(chǎn)線上進(jìn)行了很多技術(shù)改造和創(chuàng)新。隨著卷煙工業(yè)分組加工技術(shù)的發(fā)展和按客戶訂單組織貨源的變化，行業(yè)越來越關(guān)注柔性制造技術(shù)在卷煙生產(chǎn)中的應(yīng)用［1］。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程柔性化，基于ISA88國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一定的原則，本文對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的所有生產(chǎn)單元進(jìn)行了詳細(xì)劃分和重組，從而構(gòu)建了支持柔性化生產(chǎn)的制絲生產(chǎn)線集控系統(tǒng)［2－3］。

本文遵循 ISA88的標(biāo)準(zhǔn)概念，結(jié)合 GE Proficy Batch控制技術(shù)的特點(diǎn)，分析了煙草生產(chǎn)企業(yè)制絲線的發(fā)展趨勢(shì)和工藝控制的要求，以及Proficy Batch控制技術(shù)在制絲線中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了該控制技術(shù)在制絲線上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)過程。

1 關(guān)于ISA88標(biāo)準(zhǔn)

1.1 ISA88標(biāo)準(zhǔn)的概念和特點(diǎn)

ISA88是基于工業(yè)生產(chǎn)的需要而發(fā)展起來的，通常稱為S88標(biāo)準(zhǔn)，是一種定義了生產(chǎn)過程和設(shè)備控制模型和術(shù)語的國際標(biāo)準(zhǔn)。S88標(biāo)準(zhǔn)共分為4個(gè)部分，分別是 S88.01、S88.02、S88.03、S88.04。這 4 個(gè)部分的主要內(nèi)容分別為批處理控制定義、批處理的模型、配方管理以及對(duì)生產(chǎn)記錄的詳細(xì)執(zhí)行。

其中，S88.01(全稱為 NISA-ISA88.01-1995)對(duì)批處理的模型給出了詳細(xì)的定義，是目前在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用比較成熟的部分。批處理模型包括物理模型 (physical model)、配方模型 (recipe model)、過程模型 (procedural model)以及處理模型(process model)?；谶@個(gè)層疊模型，對(duì)工藝設(shè)備中所有可能涉及的功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的編程。S88規(guī)范將物理模型劃分為企業(yè)集團(tuán)、工廠、車間，過程單元(process cell)、設(shè)備單元(unit)、設(shè)備模塊(equipment module)和控制模塊(control module)。其中屬于批次(batch)范疇的包括過程單元、設(shè)備單元、設(shè)備模塊、控制模塊，控制模塊在PLC中定義。

1.1.1 物理模型

S88.01提供了一種層疊物理模型，用來對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的描述?；谶@個(gè)模型，可以將工藝設(shè)備分為若干部分，并對(duì)所有的部分可能涉及到的功能進(jìn)行編程。S88.01物理模型示意圖如圖1所示。

圖1 S88.01物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the S88.01 physical model

在上述模型結(jié)構(gòu)中，模型底層的4層物理模型分別定義如下。

過程單元:一組邏輯組合的設(shè)備組，包括完成一個(gè)批次所需的設(shè)備。

設(shè)備單元:一組相關(guān)的控制模型和設(shè)備組件以及其他的過程設(shè)備，在這里執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)重要的工藝過程活動(dòng)。

設(shè)備模塊:一個(gè)功能設(shè)備組合，在這里完成特定的、有限的、較小的工藝活動(dòng)。

控制模塊:物理模型中的最低級(jí)別，可以執(zhí)行最基本的控制活動(dòng)。

通過這4個(gè)基本的模塊，可以將S88關(guān)注的重點(diǎn)通過模型化的方式建立起來。

1.1.2 配方模型

配方模型是定義生產(chǎn)特定產(chǎn)品所必需的所有的信息。S88.01共定義了4種類型的配方——通用、地點(diǎn)、主站和控制。每種配方包括了不同的級(jí)別，最高級(jí)別定義了整個(gè)的工藝過程，最低級(jí)別定義了實(shí)現(xiàn)的過程，逐步細(xì)化，直至生產(chǎn)出最后的產(chǎn)品。

其中主配方主要包括頭信息、過程控制定義(包含順序控制和設(shè)備協(xié)調(diào))、安全和適應(yīng)信息、設(shè)備需求和配方公式(formula)?？刂婆浞绞且罁?jù)某一個(gè)特定主配方定義的產(chǎn)品單批次生產(chǎn)配方，用來計(jì)劃和生產(chǎn)單一批次產(chǎn)品。

1.1.3 過程模型

為了完成一個(gè)批次生產(chǎn)所需的層次活動(dòng)模型，過程模型允許配方通過重復(fù)使用通用指令來生產(chǎn)多種不同的產(chǎn)品。

1.1.4 處理模型

S88的核心之一是把設(shè)備的控制和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝控制相分離，從而實(shí)現(xiàn)使用相同的設(shè)備、執(zhí)行不同的工藝過程、生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品的功能。

1.2 S88標(biāo)準(zhǔn)下的工作流程

批次的工作流程一般由以下幾個(gè)過程組成:①根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的物理布局和設(shè)備特點(diǎn)，建立設(shè)備的物理模型;②根據(jù)加工處理要求，建立過程模型;③根據(jù)工藝加工要求，建立工藝配方;④根據(jù)產(chǎn)品訂單，生成批次指令并對(duì)批次加工指令進(jìn)行排程;⑤調(diào)度執(zhí)行批次生產(chǎn)，批次生產(chǎn)時(shí)調(diào)用需要的控制配方;⑥對(duì)批次生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控執(zhí)行;⑦執(zhí)行完成，產(chǎn)生批次報(bào)表、歸檔生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。

2 GE Proficy Batch軟件

GE Proficy Batch軟件是基于ISA S88標(biāo)準(zhǔn)的、用于批次生產(chǎn)控制的、靈活的模塊化應(yīng)用軟件。它具有強(qiáng)大的監(jiān)督控制能力，可以實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)采集、強(qiáng)大的批次管理和清晰的過程可視化功能，滿足批次生產(chǎn)的需求。

2.1 GE Proficy Batch 的特點(diǎn)

作為商業(yè)化的批次控制軟件，GE Proficy Batch軟件實(shí)現(xiàn)了圖形化組態(tài)，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，編寫程序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的批次化和柔性化。其平臺(tái)技術(shù)包括:ISA S88.01(批次模型)、IEC 61131-3 SFC程序語言、Microsoft COM/DCOM、Windows 2000/2003 ＆ Windows、OPC(OLE for process control)。GE Proficy Batch軟件可以快速、簡(jiǎn)單和高效地在批次執(zhí)行應(yīng)用中進(jìn)行開發(fā)，可以對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行建模，添加設(shè)備路徑、設(shè)備優(yōu)先級(jí)和設(shè)備狀態(tài)，創(chuàng)建和管理可重復(fù)使用的配方內(nèi)容;也可以在這個(gè)工作臺(tái)中編輯設(shè)備和配方，開發(fā)畫面甚至配置安全和報(bào)警。

2.2 GE Proficy Batch的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Proficy Batch的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Proficy Batch系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Systematic structure of Proficy Batch

GE公司的Proficy Batch軟件在結(jié)構(gòu)上是標(biāo)準(zhǔn)的C/S結(jié)構(gòu)，服務(wù)器端按照Unit數(shù)量的大小可分為小、中、大3種;客戶端按照功能可分為開發(fā)和運(yùn)行兩種模式。在通信接口上，數(shù)據(jù)下聯(lián)可以通過OPC的方式和PLC/DCS/SCADA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;上聯(lián)部分可以通過標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)信息系統(tǒng)(business information system，BIS)方式和企業(yè)資源計(jì)劃(enterprise resouce planning，ERP)以及制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 批次控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 工藝流程和控制要求

廈煙制絲集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制絲車間的生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、工藝管理、設(shè)備在線和靜態(tài)管理等功能，具體包括生產(chǎn)工單接收、配方和工藝標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)、生產(chǎn)過程管控、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、消耗統(tǒng)計(jì)等。該系統(tǒng)與片煙物流倉庫、箱式儲(chǔ)絲系統(tǒng)集成，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建一個(gè)完整的制絲集控管理體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)、精細(xì)化加工、快速化反應(yīng)、智能化控制、信息化管理等功能。制絲線工藝路徑如圖3所示。

圖3 制絲線工藝路徑圖Fig.3 Technology path of the tabocoo cutting production line

批次處理控制在理念上采用了面向產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，即以設(shè)備模型為基礎(chǔ)，將整個(gè)加工過程按單元進(jìn)行管理，以配方的形勢(shì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定義。在配方定義中將工藝參數(shù)和工藝過程相分離，在工藝參數(shù)中又將輸入物料、輸出物料和過程參數(shù)進(jìn)行分離，比較符合分組加工所需要的分段化、模塊化、個(gè)性化和通用化的理念。工藝工程師只需通過對(duì)配方模型的設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，使產(chǎn)品的整個(gè)加工過程具有較強(qiáng)的柔性，加快了新產(chǎn)品的研發(fā)速度，免除了過程工程師后期對(duì)生產(chǎn)過程的維護(hù)。

3.2 批次控制技術(shù)的應(yīng)用

3.2.1 物理模型的建立

根據(jù)卷煙廠的生產(chǎn)模式以及制絲線的特點(diǎn)，定義整個(gè)卷煙廠和制絲線加工物理模型如圖4所示。

圖4 制絲線加工物理模型Fig.4 Machining physical model of the tobacco cutting production line

制絲線由多條線路組成，它們有一定的獨(dú)立性，但有時(shí)又是相互連通的，有時(shí)甚至是交叉的。因此，不能用傳統(tǒng)的生產(chǎn)線來構(gòu)造生產(chǎn)路徑模型。對(duì)此，我們將加工物料的線路定義為工藝路徑，按照S88標(biāo)準(zhǔn)將生產(chǎn)線抽象為層疊物理模型［4］。

3.2.2 過程模型的建立

制絲線的物理模型描述了制絲線的物理相關(guān)性，不同牌號(hào)的煙絲在相同的制絲線上生產(chǎn)時(shí)所經(jīng)過的路徑有可能是不同的，這個(gè)路徑實(shí)際上是制絲線中工藝段的不同組合。產(chǎn)品的生產(chǎn)過程就是物料在特定的工藝路徑上進(jìn)行加工的過程。將加工物料的線路定義為工藝路徑，按照S88標(biāo)準(zhǔn)建立的過程模型如圖5所示。

圖5 制絲線過程模型Fig.5 Process model of the tobacco cutting production line

3.2.3 配方模型的建立

制絲線需要的配方有兩類:主配方和控制配方，它們的模型定義已經(jīng)在前文分別作過說明，這里不再贅述。這里僅以舉例的形式給出配方的定義內(nèi)容。

制絲線主配方是對(duì)制絲線生產(chǎn)產(chǎn)品的完整定義，包括煙絲產(chǎn)品加工時(shí)的頭信息、使用的設(shè)備、加工工藝過程、加工工藝參數(shù)及其他相關(guān)信息。其中，加工工藝過程的設(shè)計(jì)是建立主配方的重點(diǎn)，工藝過程定義制絲生產(chǎn)時(shí)的加工工藝，包括葉片處理、葉絲處理和摻兌加香等，采用圖形化描述［5］。

3.3 批次控制的實(shí)現(xiàn)和效果

通過對(duì)相應(yīng)模型的建立，并按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)底層控制單元進(jìn)行編程，在金橋制絲線上實(shí)現(xiàn)了基于S88標(biāo)準(zhǔn)的批次控制。批次控制很好地滿足了工藝控制要求，尤其是對(duì)于復(fù)雜的多路徑的實(shí)現(xiàn)，以及試驗(yàn)線工藝不斷調(diào)整的要求，使得變更工藝時(shí)修改配方即可，無需改動(dòng)PLC程序，減少了實(shí)施和集成成本，并且可以快速地響應(yīng)需求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源最優(yōu)配置;同時(shí)批次記錄實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的追蹤，為質(zhì)量管理提供依據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行模式分為MES控制批次生產(chǎn)模式、集控批次生產(chǎn)模式和集控生產(chǎn)模式。在正常情況下采用批次生產(chǎn)模式進(jìn)行生產(chǎn);在批次控制系統(tǒng)未能正常工作的情況下，采用監(jiān)控生產(chǎn)模式進(jìn)行生產(chǎn)。兩種方式可以通過硬件開關(guān)進(jìn)行選擇［6］。

基于批次控制技術(shù)的金橋制絲線自投產(chǎn)以來，至今已經(jīng)運(yùn)行整整兩年時(shí)間，這兩年來系統(tǒng)能夠順利執(zhí)行MES系統(tǒng)下發(fā)的各個(gè)生產(chǎn)任務(wù)，柔性化地對(duì)生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行有序調(diào)度，保證了各牌號(hào)煙絲的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的符合ISA88標(biāo)準(zhǔn)的批次控制系統(tǒng)在廈門煙廠制絲生產(chǎn)線的應(yīng)用，不僅有效地提高了制絲生產(chǎn)各工序過程控制精度，而且有效地實(shí)現(xiàn)了制絲生產(chǎn)的過程質(zhì)量控制模式，滿足制絲精細(xì)化加工的要求。

對(duì)各個(gè)關(guān)鍵工序精確的實(shí)時(shí)過程監(jiān)控，提高了產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量，提升了生產(chǎn)管理水平，為實(shí)現(xiàn)卷煙工藝規(guī)范提出的要求——“工藝控制由結(jié)果控制向過程控制轉(zhuǎn)變，由人工控制經(jīng)驗(yàn)決策向自動(dòng)化控制科學(xué)決策轉(zhuǎn)變［7］”打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］羅登山，陳良元，楊忠文，等.關(guān)于卷煙柔性制絲的幾點(diǎn)思考［J］.煙草科技，2010(1):15－16.

［2］石海健，魏衡華，薛美盛，等.煙葉制絲過程先進(jìn)控制站的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.自動(dòng)化與儀表，2001，16(5):28 －31.

［3］王志強(qiáng)，劉中兵，張懷成，等.ISA88標(biāo)準(zhǔn)在煙草行業(yè)制絲線分組加工中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011(10):54 －57，61.

［4］朱尊權(quán).卷煙工藝［M］.北京:北京出版社，1993.

［5］董景新，趙長(zhǎng)德.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［6］于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［7］國家煙草專賣局.卷煙工藝規(guī)范［S］.北京:中央文獻(xiàn)出版社，2003.