智能制造在陜西中煙澄城卷煙廠制絲生產(chǎn)線的應(yīng)用

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(yīng)用。

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

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)迎來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)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(yīng)、充分滿足客戶的特定需求。只有這樣，制造業(yè)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，獲取新的發(fā)展動力。

結(jié)合工業(yè)4.0的大背景，為了響應(yīng)國家為實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國而制定的《中國制造2025》戰(zhàn)略目標(biāo)，結(jié)合陜西中煙澄城卷煙廠異地重建技改的重大歷史機(jī)遇，圍繞智能制造全面升級生產(chǎn)和管理體系，實(shí)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(yīng)陜西中煙智能制造號召，實(shí)施智能制造戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)升級必不可少的關(guān)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(shí)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(wù)總線等工業(yè)互聯(lián)技術(shù)，與智能工廠的協(xié)同管理控制平臺、數(shù)字虛擬設(shè)計(jì)、智能運(yùn)維實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造，同時對智能機(jī)器、設(shè)備端生產(chǎn)過程進(jìn)行管控，組建整個卷煙廠智能制造的智能化控制基礎(chǔ)平臺。為此澄城卷煙廠新制絲車間基于智能制造構(gòu)建了一套集先進(jìn)控制技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同制造、垂直集成和網(wǎng)絡(luò)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(gòu)，通過信息網(wǎng)絡(luò)的扁平化，將PLC、智能儀表、檢測執(zhí)行器件、計(jì)算機(jī)等自動化和信息化產(chǎn)品通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合在一起，充分利用智能硬件和定制化軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，以適應(yīng)客戶對工藝控制、生產(chǎn)過程控制的特定要求，實(shí)現(xiàn)工藝控制的精細(xì)化和現(xiàn)代化管理的精益化。

另一方面，通過雙總線服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對煙草制絲車間相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)，連接必要的信息通信渠道，建立起以信息服務(wù)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(shí)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(guān)的各個系統(tǒng)整合到統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)之內(nèi)，實(shí)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(shù)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(jié)合已成為工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，建設(shè)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(biāo)。本系統(tǒng)吸收了目前國內(nèi)外煙草制絲線先進(jìn)控制技術(shù)，貫徹系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的原則，并結(jié)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(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通等特點(diǎn)，確定了系統(tǒng)總體方向?yàn)椤爸悄苤圃?，工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時總線和企業(yè)信息服務(wù)總線相結(jié)合，協(xié)同管理，智能化控制”。

1.1設(shè)備層

主要包括管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制的煙機(jī)設(shè)備、傳感器、儀器儀表、條碼、智能檢測設(shè)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(jī)構(gòu)、傳感器檢測機(jī)構(gòu)等設(shè)備。

軟件平臺：PLC編程組態(tài)軟件、操作站組態(tài)軟件及相關(guān)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(shí)現(xiàn)用可編程控制器控制設(shè)備按工藝要求完成自動化生產(chǎn)，并通過人機(jī)界面顯示設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀況（包括設(shè)備的運(yùn)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(quán)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備參數(shù)、配方參數(shù)等的設(shè)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(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工程師站、UPS電源、打印機(jī)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)器件等設(shè)備。

軟件平臺：監(jiān)控組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前主流C/S客戶服務(wù)器模式，向上連接生產(chǎn)管理層計(jì)算，獲取生產(chǎn)計(jì)劃、物料調(diào)度信息、配方數(shù)據(jù)信息，向下采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并歸檔和上報(bào)，完成對現(xiàn)場生產(chǎn)線設(shè)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(wù)器、生產(chǎn)管理客戶機(jī)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(jìn)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(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)，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(chǔ)上，系統(tǒng)架構(gòu)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(shù)，實(shí)現(xiàn)對智能單機(jī)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(shí)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(xiàng)目特點(diǎn)，實(shí)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(shè)計(jì)基于企業(yè)的實(shí)時服務(wù)總線和企業(yè)服務(wù)總線的雙總線設(shè)計(jì)。

（1）實(shí)時總線集成服務(wù)包括工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)現(xiàn)場總線。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)ProfiNet、Profibus-DP/PA構(gòu)成自動化控制的通信鏈路，并充分滿足智能設(shè)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(wù)總線采用ESB架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于以太網(wǎng)平臺技術(shù)，通過統(tǒng)一的信息集成接入軟件協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)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(shù)，在系統(tǒng)集成和互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，實(shí)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(shè)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(wù)技術(shù)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(hù)設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(shù)的生產(chǎn)現(xiàn)場顯示系統(tǒng)。

（2）遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)。

3應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1設(shè)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(luò)、ProfiBus_DP/PA為輔助網(wǎng)絡(luò)，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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對智能設(shè)備或傳感器的數(shù)據(jù)的采集，信息的交互，最終通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。

設(shè)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(dān)負(fù)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(jì)效益的關(guān)鍵使命。一方面，設(shè)備控制系統(tǒng)通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和柔性化構(gòu)件技術(shù)，形成整個控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，另一方面，控制系統(tǒng)通過主控處理器和輸入輸出節(jié)點(diǎn)，控制著整個制絲線的運(yùn)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(shè)備控制系統(tǒng)通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信鏈路以及信息集成技術(shù)，保證整個制絲線車間信息通信的開放，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，確保生產(chǎn)計(jì)劃的正常進(jìn)行，同時將現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行信息傳遞給管理系統(tǒng)，方便管理人員對生產(chǎn)線的實(shí)時監(jiān)控，有利于實(shí)現(xiàn)對制絲車間進(jìn)行有效的生產(chǎn)、設(shè)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(shí)時監(jiān)視與控制，同時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)從生產(chǎn)管理系統(tǒng)中獲取和生產(chǎn)過程相關(guān)的配方信息、工藝標(biāo)準(zhǔn)信息、生產(chǎn)計(jì)劃信息和作業(yè)任務(wù)信息，然后通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)指令信息、控制參數(shù)信息下達(dá)到設(shè)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(wù)器技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用高度冗余的光纖環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控軟件采用Wonderware system Platform，結(jié)構(gòu)采用C/S結(jié)構(gòu)的模式。所有底層I/O信息點(diǎn)將由I/O服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時采集，中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)將根據(jù)所監(jiān)控的范圍通過以太網(wǎng)絡(luò)從I/O服務(wù)器獲取實(shí)時I/O信息，同時通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和I/O服務(wù)器將生產(chǎn)指令信息、參數(shù)設(shè)定信息寫入對應(yīng)工藝段的主控PLC或單機(jī)控制系統(tǒng)的PLC中。

畫面的設(shè)計(jì)引入3D仿真技術(shù)，更直觀反映現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)。

WEB服務(wù)功能：通過WEB服務(wù)器通過以太網(wǎng)接入車間級信息網(wǎng)絡(luò)，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(shí)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(wù)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(jì)劃、物料信息以及工藝控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)設(shè)備的維修和保養(yǎng)計(jì)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(jì)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(shè)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(wù)，并把生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)到對應(yīng)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(wù)指令后下發(fā)至PLC，并根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)信息設(shè)置生產(chǎn)參數(shù)，再通過監(jiān)控系統(tǒng)來確保生產(chǎn)任務(wù)的順利執(zhí)行。

在生產(chǎn)過程中實(shí)時記錄批次任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)（包括制定、下發(fā)、完成、作廢等），并及時準(zhǔn)確的將批次任務(wù)的各種執(zhí)行狀態(tài)反饋給上層MES系統(tǒng)。進(jìn)而由生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和具體情況對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行實(shí)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(yùn)作及信息交互。

最后，生產(chǎn)管理系統(tǒng)將通過生產(chǎn)報(bào)表、質(zhì)量報(bào)表、故障報(bào)表等形式將各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，為相關(guān)職能部門如生產(chǎn)部門、質(zhì)檢部門、設(shè)備管理部門決策提供數(shù)據(jù)支撐，相關(guān)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(jì)劃的制定與管理。

當(dāng)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(guān)記錄信息對質(zhì)量問題進(jìn)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(yù)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(bǔ)。

4應(yīng)用成果

制絲線管控系統(tǒng)上線后具有高可靠性和擴(kuò)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(yīng)用分級統(tǒng)一存放，可進(jìn)行多層次數(shù)據(jù)歸檔和歷史數(shù)據(jù)“復(fù)活”，確保數(shù)據(jù)完整性，采用EMI（企業(yè)制造智能）技術(shù)，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析。

通過工業(yè)自動化和信息化的融合，實(shí)現(xiàn)管理數(shù)字化，體現(xiàn)為：設(shè)備運(yùn)維定量化、質(zhì)量控制精細(xì)化、制造過程可溯化、績效查詢實(shí)時化。

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