張輝

摘要：介紹了陜西中煙澄城卷煙廠煙草制絲生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的功能和應用。

關鍵詞：3D仿真技術；大數(shù)據(jù)；自動化信息技術；“互聯(lián)網(wǎng)+”

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.100

0概述

在“工業(yè)4.0”時代，隨著自動化、信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，制造業(yè)迎來了新的挑戰(zhàn)和機遇，傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)、以產(chǎn)品為中心的生產(chǎn)方式已經(jīng)遠遠不能滿足當下個性化需求井噴的需要，因此生產(chǎn)方式必須向多樣化和定制化發(fā)展，快速響應、充分滿足客戶的特定需求。只有這樣，制造業(yè)才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，獲取新的發(fā)展動力。

結合工業(yè)4.0的大背景，為了響應國家為實現(xiàn)制造強國而制定的《中國制造2025》戰(zhàn)略目標，結合陜西中煙澄城卷煙廠異地重建技改的重大歷史機遇，圍繞智能制造全面升級生產(chǎn)和管理體系，實現(xiàn)革命性突破。澄城卷煙廠制絲車間作為全廠卷煙制造的最重要、最核心的加工制造中心，是澄城卷煙廠響應陜西中煙智能制造號召，實施智能制造戰(zhàn)略，實現(xiàn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)升級必不可少的關鍵環(huán)節(jié)。一方面通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)智能制造平臺實現(xiàn)集成；另一方面，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)鏈、信息服務總線等工業(yè)互聯(lián)技術，與智能工廠的協(xié)同管理控制平臺、數(shù)字虛擬設計、智能運維實現(xiàn)協(xié)同制造，同時對智能機器、設備端生產(chǎn)過程進行管控，組建整個卷煙廠智能制造的智能化控制基礎平臺。為此澄城卷煙廠新制絲車間基于智能制造構建了一套集先進控制技術、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同制造、垂直集成和網(wǎng)絡化的制絲生產(chǎn)線電控系統(tǒng)、集中監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（以下簡稱制絲線管控系統(tǒng)）。

煙草制絲生產(chǎn)線管控系統(tǒng)作為智能制造——智能工廠——智能控制系統(tǒng)的定位，采用面向工業(yè)智能制造的雙總線系統(tǒng)架構，通過信息網(wǎng)絡的扁平化，將PLC、智能儀表、檢測執(zhí)行器件、計算機等自動化和信息化產(chǎn)品通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)緊密結合在一起，充分利用智能硬件和定制化軟件設計的優(yōu)勢，以適應客戶對工藝控制、生產(chǎn)過程控制的特定要求，實現(xiàn)工藝控制的精細化和現(xiàn)代化管理的精益化。

另一方面，通過雙總線服務，實現(xiàn)對煙草制絲車間相關系統(tǒng)的信息集成，包括協(xié)同管理系統(tǒng)、MES、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)等系統(tǒng)。通過規(guī)范信息總線的協(xié)議標準，連接必要的信息通信渠道，建立起以信息服務總線為紐帶，各個子系統(tǒng)為執(zhí)行單元的完整的制絲線工業(yè)協(xié)同管理控制平臺，從而實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)組織和生產(chǎn)控制，最終將制絲車間相關的各個系統(tǒng)整合到統(tǒng)一系統(tǒng)架構之內(nèi)，實現(xiàn)智能工廠的智能制造。

1系統(tǒng)功能

近幾年，隨著自動化控制技術的發(fā)展，特別是工業(yè)4.0、中國制造2025的戰(zhàn)略舉措，工業(yè)自動化和信息化的結合已成為工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，建設面向智能制造的制絲線管控系統(tǒng)成為卷煙行業(yè)自動化生產(chǎn)線的主要目標。本系統(tǒng)吸收了目前國內(nèi)外煙草制絲線先進控制技術，貫徹系統(tǒng)設計先進性、實用性、可靠性、經(jīng)濟性的原則，并結合了煙草行業(yè)卷煙生產(chǎn)的最新發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢，尤其是煙草制絲工藝過程對品質(zhì)提升、節(jié)能降耗的要求。針對卷煙生產(chǎn)已實現(xiàn)全面自動化和局部信息化，但系統(tǒng)開放性和智能性較差，絕大部分企業(yè)仍然未實現(xiàn)工業(yè)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通等特點，確定了系統(tǒng)總體方向為“智能制造，工業(yè)現(xiàn)場實時總線和企業(yè)信息服務總線相結合，協(xié)同管理，智能化控制”。

1.1設備層

主要包括管控系統(tǒng)負責控制的煙機設備、傳感器、儀器儀表、條碼、智能檢測設備等。

1.2控制層

1.2.1PLC控制系統(tǒng)

硬件組成：包括配電回路柜、PLC控制柜、現(xiàn)場分布式控制箱、現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場執(zhí)行機構、傳感器檢測機構等設備。

軟件平臺：PLC編程組態(tài)軟件、操作站組態(tài)軟件及相關控制管理軟件。

信息交換途徑：現(xiàn)場總線網(wǎng)/工業(yè)以太網(wǎng)。

功能：主要實現(xiàn)用可編程控制器控制設備按工藝要求完成自動化生產(chǎn)，并通過人機界面顯示設備實時運行狀況（包括設備的運行、停止、故障等狀態(tài)）和重要的工藝參數(shù)（包括水分、溫度、流量等），并在授權范圍內(nèi)實現(xiàn)對設備參數(shù)、配方參數(shù)等的設置和修改。

1.2.2數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）

硬件組成：監(jiān)控服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、監(jiān)控計算機、工程師站、UPS電源、打印機和以太網(wǎng)網(wǎng)絡器件等設備。

軟件平臺：監(jiān)控組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、網(wǎng)絡通信軟件、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理軟件，同時考慮了與視頻大屏幕系統(tǒng)、LED顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)接口。

信息交換途徑：工業(yè)以太網(wǎng)/以太網(wǎng)。

功能：該層采用當前主流C/S客戶服務器模式，向上連接生產(chǎn)管理層計算，獲取生產(chǎn)計劃、物料調(diào)度信息、配方數(shù)據(jù)信息，向下采集現(xiàn)場設備的狀態(tài)及各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并歸檔和上報，完成對現(xiàn)場生產(chǎn)線設備的監(jiān)控操作等。

1.3車間層

1.3.1車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)

硬件組成：由數(shù)據(jù)庫服務器、生產(chǎn)管理客戶機組成。

軟件平臺：數(shù)據(jù)庫軟件及生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

信息交換途徑：工業(yè)以太網(wǎng)/以太網(wǎng)。

功能：向上連接廠級MES系統(tǒng)，獲取生產(chǎn)管理及調(diào)度信息，為企業(yè)的MES系統(tǒng)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量反饋數(shù)據(jù)，批次跟蹤等數(shù)據(jù)，為企業(yè)管理層全面了解生產(chǎn)過程提供了途徑，為進一步確定企業(yè)的發(fā)展方向提供重要依據(jù)，向下獲取生產(chǎn)線上的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，發(fā)布生產(chǎn)計劃、物料調(diào)度信息、配方數(shù)據(jù)等。

1.3.2工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）

面向卷煙廠制絲車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。

2智能功能

制絲線管控系統(tǒng)基于智能架構設計，包括智能功能的全維度。

2.1系統(tǒng)集成

制絲線管控系統(tǒng)在滿足制絲線生產(chǎn)控制的基礎上，系統(tǒng)架構還考慮了與其他系統(tǒng)的集成，其系統(tǒng)集成的主要內(nèi)容包括：

（1）通過軟硬件技術，實現(xiàn)對智能單機控制系統(tǒng)、生產(chǎn)線控制工藝段、集中監(jiān)控系統(tǒng)、車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)、廠級信息系統(tǒng)和MES，多個系統(tǒng)之間的集成。

（2）能夠根據(jù)控制系統(tǒng)的需求實現(xiàn)糖香料廚房、除塵及異味處理等控制系統(tǒng)的集成。

（3）根據(jù)項目特點，實現(xiàn)與其他新興業(yè)態(tài)系統(tǒng)的集成。

2.2互聯(lián)互通

制絲線管控系統(tǒng)的互聯(lián)互通設計基于企業(yè)的實時服務總線和企業(yè)服務總線的雙總線設計。

（1）實時總線集成服務包括工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)現(xiàn)場總線。工業(yè)網(wǎng)絡ProfiNet、Profibus-DP/PA構成自動化控制的通信鏈路，并充分滿足智能設備和可編程控制器間的通信需求，并考慮無線WIFI接入的數(shù)據(jù)通信要求，

（2）企業(yè)服務總線采用ESB架構設計，基于以太網(wǎng)平臺技術，通過統(tǒng)一的信息集成接入軟件協(xié)議標準，實現(xiàn)車間管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)視系統(tǒng)、生產(chǎn)信息顯示系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2.3信息融合

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及信息軟件技術，在系統(tǒng)集成和互聯(lián)互通的基礎上，實現(xiàn)制絲線管控系統(tǒng)的協(xié)同共享，其所涉及的系統(tǒng)包括：

（1）設備電氣控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)現(xiàn)場顯示系統(tǒng)、第三方控制系統(tǒng)等多個系統(tǒng)之間的信息共享和融合。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)、基于企業(yè)ESB信息服務技術所帶來的信息共享和融合。

（3）多系統(tǒng)信息融合所帶來的信息安全防護設計，包括網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡診斷等。

2.4新興業(yè)態(tài)

基于制絲線管控系統(tǒng)的定制化和智能服務的需求，提供了以下新興業(yè)態(tài)智能功能：

（1）基于LED平臺技術的生產(chǎn)現(xiàn)場顯示系統(tǒng)。

（2）遠程維護系統(tǒng)。

3應用現(xiàn)狀

3.1設備控制系統(tǒng)

系統(tǒng)以SIEMENS公司S7-400系列高性能處理器為主控制器，并通過以ProfiNet為主干網(wǎng)絡、ProfiBus_DP/PA為輔助網(wǎng)絡，滿足整個制絲車間自動化控制系統(tǒng)的通信需求，并在此基礎上實現(xiàn)對智能設備或傳感器的數(shù)據(jù)的采集，信息的交互，最終通過人機界面實現(xiàn)對設備的控制。

設備控制系統(tǒng)作為制絲線管控系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)，擔負著整條生產(chǎn)線按工藝要求正常生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益的關鍵使命。一方面，設備控制系統(tǒng)通過先進的網(wǎng)絡通信技術和柔性化構件技術，形成整個控制系統(tǒng)的整體結構，另一方面，控制系統(tǒng)通過主控處理器和輸入輸出節(jié)點，控制著整個制絲線的運行。

另外，在與集中監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)以及其他控制系統(tǒng)集成方面，設備控制系統(tǒng)通過先進的網(wǎng)絡通信鏈路以及信息集成技術，保證整個制絲線車間信息通信的開放，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達，確保生產(chǎn)計劃的正常進行，同時將現(xiàn)場設備的實時運行信息傳遞給管理系統(tǒng)，方便管理人員對生產(chǎn)線的實時監(jiān)控，有利于實現(xiàn)對制絲車間進行有效的生產(chǎn)、設備、工藝等管理功能。

3.2集中監(jiān)控系統(tǒng)

集中監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)視與控制，同時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)進入大數(shù)據(jù)平臺以供MES或者ERP系統(tǒng)使用。系統(tǒng)首先通過管理網(wǎng)絡從生產(chǎn)管理系統(tǒng)中獲取和生產(chǎn)過程相關的配方信息、工藝標準信息、生產(chǎn)計劃信息和作業(yè)任務信息，然后通過監(jiān)控網(wǎng)絡將生產(chǎn)指令信息、控制參數(shù)信息下達到設備控制系統(tǒng)中，操作生產(chǎn)線完成生產(chǎn)過程。

集中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺采用虛擬化服務器技術，網(wǎng)絡結構采用高度冗余的光纖環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控軟件采用Wonderware system Platform，結構采用C/S結構的模式。所有底層I/O信息點將由I/O服務器進行實時采集，中控室監(jiān)控計算機將根據(jù)所監(jiān)控的范圍通過以太網(wǎng)絡從I/O服務器獲取實時I/O信息，同時通過監(jiān)控網(wǎng)絡和I/O服務器將生產(chǎn)指令信息、參數(shù)設定信息寫入對應工藝段的主控PLC或單機控制系統(tǒng)的PLC中。

畫面的設計引入3D仿真技術，更直觀反映現(xiàn)場設備的實時狀態(tài)。

WEB服務功能：通過WEB服務器通過以太網(wǎng)接入車間級信息網(wǎng)絡，作為車間監(jiān)控管理信息的WEB發(fā)布平臺。用戶可以通過WEB瀏覽器方式瀏覽監(jiān)控管理畫面，實時監(jiān)控車間生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況。

3.3生產(chǎn)管理系統(tǒng)

制絲線生產(chǎn)管理系統(tǒng)是企業(yè)管理和生產(chǎn)執(zhí)行的交互層，它是制絲車間的生產(chǎn)信息中心、指揮中心、分析中心和業(yè)務中心。

首先，制絲線生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)ERP系統(tǒng)或者廠級MES系統(tǒng)獲訂單信息、生產(chǎn)計劃、物料信息以及工藝控制技術標準、產(chǎn)品的質(zhì)量檢測標準、生產(chǎn)設備的維修和保養(yǎng)計劃信息等。

其次，生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以從廠級MES系統(tǒng)接收或在本系統(tǒng)制定生產(chǎn)計劃。根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)安排和生產(chǎn)線的狀態(tài)信息、物料信息和設備故障信息來執(zhí)行或制定制絲車間各生產(chǎn)線、工藝段/工序單元的生產(chǎn)任務，并把生產(chǎn)任務下達到對應的工藝段/工序單元上。集中監(jiān)控系統(tǒng)接收到生產(chǎn)任務指令后下發(fā)至PLC，并根據(jù)生產(chǎn)任務信息設置生產(chǎn)參數(shù)，再通過監(jiān)控系統(tǒng)來確保生產(chǎn)任務的順利執(zhí)行。

在生產(chǎn)過程中實時記錄批次任務的執(zhí)行狀態(tài)（包括制定、下發(fā)、完成、作廢等），并及時準確的將批次任務的各種執(zhí)行狀態(tài)反饋給上層MES系統(tǒng)。進而由生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計劃和具體情況對生產(chǎn)任務進行實時調(diào)整，完成整個生產(chǎn)過程與制絲監(jiān)控系統(tǒng)、物流庫控制系統(tǒng)、香料房控制系統(tǒng)等和上層MES系統(tǒng)的協(xié)同運作及信息交互。

最后，生產(chǎn)管理系統(tǒng)將通過生產(chǎn)報表、質(zhì)量報表、故障報表等形式將各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行匯總，為相關職能部門如生產(chǎn)部門、質(zhì)檢部門、設備管理部門決策提供數(shù)據(jù)支撐，相關的廠級管理部門也可將其作為績效考核依據(jù)；同時為MES提供必要的生產(chǎn)信息，協(xié)助MES系統(tǒng)完成生產(chǎn)計劃的制定與管理。

當生產(chǎn)過程出現(xiàn)質(zhì)量問題時，生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以根據(jù)相關記錄信息對質(zhì)量問題進行追溯和跟蹤，找到質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因、解決問題并預防將來出現(xiàn)類似問題。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)具備車間級MES系統(tǒng)的部分功能，與廠級MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)或其子系統(tǒng)互通有無，優(yōu)勢互補。

4應用成果

制絲線管控系統(tǒng)上線后具有高可靠性和擴展行，并依靠統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互平臺，面向數(shù)據(jù)全生命周期，將海量數(shù)據(jù)按不同時段、不同應用分級統(tǒng)一存放，可進行多層次數(shù)據(jù)歸檔和歷史數(shù)據(jù)“復活”，確保數(shù)據(jù)完整性，采用EMI（企業(yè)制造智能）技術，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行多維度分析。

通過工業(yè)自動化和信息化的融合，實現(xiàn)管理數(shù)字化，體現(xiàn)為：設備運維定量化、質(zhì)量控制精細化、制造過程可溯化、績效查詢實時化。

面對難度大、復雜度高的制絲加工模式，實現(xiàn)了個性化定制、柔性制造、精細化加工、動態(tài)調(diào)度、庫存管理等。