江東熠

(廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司信息技術(shù)部，福建 廈門 361022)

0 引言

卷煙生產(chǎn)制造過程的成型、卷接、包裝和封箱等工序都是在專門的生產(chǎn)機(jī)組上完成，實(shí)現(xiàn)了工藝過程的單機(jī)自動(dòng)化，并且在工序間聯(lián)合組成了卷包車間。由于工藝的單機(jī)化，使得卷包車間生產(chǎn)組織形式呈現(xiàn)離散化，同時(shí)單機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造時(shí)間的前后，造成卷包及成型設(shè)備在技術(shù)水平上的參差不齊，這都給卷包車間信息化實(shí)施造成困難，只有個(gè)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)核算等基礎(chǔ)管理工作信息化，并且存在“信息分散、數(shù)據(jù)多源、功能繁雜”的現(xiàn)象，現(xiàn)場作業(yè)大多仍只能依靠紙質(zhì)單據(jù)信息傳遞和控制流程。本文以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱:廈煙)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、信息化應(yīng)用研究與開發(fā)為背景，分析了卷包現(xiàn)場管理信息化需求和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)用模塊化思想設(shè)計(jì)、開發(fā)卷包車間現(xiàn)場管理平臺(tái)[1]。

1 卷包車間現(xiàn)場管理平臺(tái)功能分析與建模

1.1 系統(tǒng)功能定位

卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)面向卷包車間生產(chǎn)一線，用戶對(duì)象為操作工、維修工、班組管理人員等，系統(tǒng)功能涵蓋了現(xiàn)場作業(yè)、物料耗用、工藝質(zhì)量、維修保養(yǎng)等生產(chǎn)現(xiàn)場管理的內(nèi)容。

(1)數(shù)據(jù)采集 全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集卷包車間各生產(chǎn)、輔助設(shè)備及儀器等的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)與發(fā)布，在此基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)以及產(chǎn)耗數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)操作和運(yùn)營管理提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)生產(chǎn)作業(yè)管理 實(shí)現(xiàn)對(duì)工單計(jì)劃從接收、分發(fā)再到執(zhí)行、反饋的全過程管理，規(guī)范交接班、生產(chǎn)換牌等作業(yè)流程，確保生產(chǎn)的有序和可控。

(3)生產(chǎn)物料管理 在實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)配送的基礎(chǔ)上，匯總輔料的領(lǐng)退、結(jié)存、耗用等數(shù)據(jù)。

(4)工藝質(zhì)量管理 實(shí)時(shí)獲取與儀器檢測結(jié)果以及質(zhì)檢判定結(jié)果，并作為生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的依據(jù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定。

(5)維修保養(yǎng)管理 提供維修與保養(yǎng)過程的記錄功能，為維修工提供維修經(jīng)驗(yàn)，保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)等信息查詢，幫助其快速、高效修復(fù)設(shè)備故障，完成保養(yǎng)作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)在對(duì)生產(chǎn)機(jī)組、輔助工藝子系統(tǒng)和質(zhì)檢儀器等進(jìn)行全面數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的各項(xiàng)作業(yè)流程進(jìn)行優(yōu)化并固化在系統(tǒng)中。由于卷包生產(chǎn)現(xiàn)場管理涉及面廣，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“模塊化處理和集約化管理相結(jié)合”的原則，劃分為若干功能模塊集中處理相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理流程，再將客戶端作為統(tǒng)一接口進(jìn)行人機(jī)交互。卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)分為數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)操作，業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等三個(gè)層級(jí)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場管理層 在現(xiàn)場數(shù)采站上完成數(shù)據(jù)采集功能，并集成現(xiàn)場管理的各功能應(yīng)用模塊，為用戶提供了圖形可視化界面，方便信息錄入、數(shù)據(jù)查詢等操作。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層 通過部署在本平臺(tái)的應(yīng)用服務(wù)器群上的各功能服務(wù)模塊，處理數(shù)據(jù)采集器采集上傳數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的處理邏輯。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層 采用IBM P6 570小型機(jī)和Oracle 11gR2(RAC)，滿足平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫I/O性能以及穩(wěn)定性的要求。

1.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)選用思科(CISCO)系列交換機(jī)構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。根據(jù)車間現(xiàn)場的設(shè)備工藝布局以及采集點(diǎn)和數(shù)采站的分布情況，將兩區(qū)車間的生產(chǎn)現(xiàn)場劃分成11個(gè)區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的各采集點(diǎn)和數(shù)采站就近連接相應(yīng)的接入層交換機(jī)，再匯聚到企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)的核心交換機(jī)。由于數(shù)據(jù)量大，穩(wěn)定性以及可靠性要求高，因此接入層與匯聚層之間的交換機(jī)連接選用光纖。另外平臺(tái)的服務(wù)器群也通過相應(yīng)的交換機(jī)接入企業(yè)局域網(wǎng)。數(shù)采站與其采集對(duì)象之間的鏈路為數(shù)據(jù)采集子網(wǎng)并與外界隔離。卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄8]如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)集成

獲取產(chǎn)耗數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)等信息是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化的基礎(chǔ)。提供給生產(chǎn)調(diào)度和運(yùn)營管理更全面和更高效的信息支持[2]，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集范圍不僅限于各生產(chǎn)機(jī)組，也包括輔助工藝子系統(tǒng)以及各質(zhì)檢儀器。卷包車間各設(shè)備與儀器數(shù)采情況如表1所示。

針對(duì)卷包設(shè)備與儀器種類繁多且電控技術(shù)水平參差不齊的問題，本系統(tǒng)通過部署在現(xiàn)場數(shù)采站上的模塊化采集驅(qū)動(dòng)器完成數(shù)據(jù)采集功能。采集驅(qū)動(dòng)器分為采集、處理和通訊三大模塊，其中處理和通訊模塊為各類采集器的通用模塊，開發(fā)不同型號(hào)設(shè)備的采集器，僅需編寫與之相對(duì)應(yīng)的采集接口模塊，實(shí)現(xiàn)組件的最大程度共享和最優(yōu)化組合。

(1)數(shù)據(jù)采集接口模塊 結(jié)合各設(shè)備與儀器電控系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與開發(fā)。采集接口通過特定通訊鏈路和通訊協(xié)議獲取原機(jī)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步解析。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊 按統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，對(duì)采集接口初步解析過的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集與整理，形成標(biāo)準(zhǔn)的傳輸數(shù)據(jù)包，便于數(shù)據(jù)傳輸與統(tǒng)一處理。

(3)通訊模塊 屏蔽不同設(shè)備之間的差異，抽象出一個(gè)與具體設(shè)備無關(guān)的通用通訊接口層，數(shù)據(jù)處理模塊不必關(guān)心具體的通訊細(xì)節(jié)，只需對(duì)相關(guān)的業(yè)務(wù)進(jìn)行處理。其中，實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，通訊模塊采用OPC方式進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換，保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性;統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)則采用TCP/IP及.NET Remoting協(xié)議傳輸。

數(shù)據(jù)采集接口獲取原機(jī)數(shù)據(jù)，交由統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理模塊、通訊功能塊進(jìn)行處理，形成符合OPC規(guī)范的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)包，通過數(shù)采中間件匯總處理后存入數(shù)采數(shù)據(jù)庫，大大減輕了服務(wù)器的負(fù)載，提高了采集效率[3－5]。數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)流向如圖 3所示。

圖2 卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

表1 卷包車間各設(shè)備、儀器數(shù)采情況匯總

本系統(tǒng)對(duì)外的集成接口主要是上傳 MES系統(tǒng)數(shù)采數(shù)據(jù)接口。針對(duì)與這些接口傳送頻率高、數(shù)據(jù)傳送量大的特點(diǎn)，為保證數(shù)據(jù)一致性，傳遞可靠性和完整性，本平臺(tái)采用異步傳輸機(jī)制的消息隊(duì)列(Message Queue)技術(shù)，通過企業(yè)的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)整合，保證大數(shù)據(jù)交互的透明、可靠和穩(wěn)定傳輸[7]。系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)如圖4所示。

圖5 應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)模型示意圖

2.2 模塊化功能實(shí)現(xiàn)

卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)采用Smart Client+Brower/Server架構(gòu)，客戶端作為系統(tǒng)統(tǒng)一的人機(jī)交互接口(HMI)，集中處理各業(yè)務(wù)功能應(yīng)用模塊的用戶操作。需要說明的是，現(xiàn)場數(shù)采站使用的是觸摸屏，因此界面的設(shè)計(jì)與各模塊操作流程均需適應(yīng)觸摸屏的特點(diǎn)[6]。系統(tǒng)應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)模型如圖5所示。

(1)通用模塊 通過平臺(tái)統(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)服務(wù)加載與用戶權(quán)限驗(yàn)證等系統(tǒng)初始化功能，并提供應(yīng)用接口容器調(diào)度管理相應(yīng)的可執(zhí)行應(yīng)用模塊與網(wǎng)頁界面模塊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模塊畫面控制、基礎(chǔ)信息同步等功能，降低模塊之間的耦合度，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)可執(zhí)行應(yīng)用集成 利用C/S架構(gòu)高效與穩(wěn)定的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、輔料呼叫等有大數(shù)據(jù)量與高實(shí)時(shí)性要求應(yīng)用模塊的集成，保證關(guān)鍵功能的可用，減輕系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴。

(3)網(wǎng)頁界面集成 對(duì)于質(zhì)量專檢結(jié)果查詢、保養(yǎng)信息錄入等查詢類和非實(shí)時(shí)性的功能模塊采用B/S模式設(shè)計(jì)，既縮短開發(fā)周期，也使得系統(tǒng)的操作更加簡便，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)。

3 結(jié)束語

卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程是復(fù)雜性高與專業(yè)性強(qiáng)的系統(tǒng)工程，涵蓋生產(chǎn)管理、信息技術(shù)、自動(dòng)控制等專業(yè)范疇。通過構(gòu)建高集成的環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)，我們建立起面向生產(chǎn)現(xiàn)場的信息化應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與傳送，以信息化規(guī)范卷包生產(chǎn)作業(yè)為例，在統(tǒng)一平臺(tái)上優(yōu)化并固化了卷包生產(chǎn)現(xiàn)場管理的相關(guān)業(yè)務(wù)過程，為各級(jí)管理人員與生產(chǎn)現(xiàn)場(機(jī)臺(tái))之間架設(shè)了一條快速的信息通道，有力支撐了企業(yè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理工作的開展。卷包現(xiàn)場管理平臺(tái)已先后在廈煙生產(chǎn)一區(qū)、二區(qū)卷包車間上線運(yùn)行，經(jīng)過多次的優(yōu)化、完善，目前系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大部分功能并受到用戶的一致好評(píng)。

[1]何善君，陳志平.卷包車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煙草科技，2009，53(10)，26 －29.

[2]陳睿，王歡，李炳法，等.煙草制造行業(yè)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(S1):414 －416.

[3]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2011.

[4]SCADA(監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]王華忠.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[6]隋天中，崔虹雯，易剛.基于組件技術(shù)的車間質(zhì)量管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，52(8)，914－917.

[7]王建，江婷.淺談消息中間件IBM WebSphere MQ[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29(5)，6 －11.

[8]馬從國.基于現(xiàn)場總線豬肉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2009，31(01):38－40