制絲半成品質(zhì)量統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

謝驥+蘇明+陳凱+陸琨+石蘊玉+汪飛+楊大偉+葛崟+葉為全

摘要：卷煙產(chǎn)品質(zhì)量是煙草工業(yè)企業(yè)的核心競爭力。卷煙質(zhì)量的核心是對煙絲生產(chǎn)過程進行精準(zhǔn)控制。該文探討了利用制絲線傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)對制絲產(chǎn)品質(zhì)量水平進行統(tǒng)計和分析的方法，并給出了基于J2EE SSH的框架下的技術(shù)實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：制絲線；質(zhì)量；統(tǒng)計；J2EE

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）29-0070-03

Abstract： Product quality is the core competitiveness of tobacco industry enterprises. A powerful control for the process of tobacco production is the key.First，in this paper，a method of statistics and analysis has been given， which is for the quality of tobacco production，and the method is Based on the real-time data. Finaly， The method of implementation of the technology Based on J2EE SSH is given.

Key words：tobacco processing line； quality； statistics； J2EE

卷煙的品質(zhì)受煙葉、制造工藝、配方、香料、輔材等多種因素影響，其中煙絲品質(zhì)對煙氣的口感起決定性作用。煙絲制造過程要經(jīng)歷切片、葉片加料、松散回潮、切絲、梗絲加工、混絲、儲絲等工序。對工序運行過程進行實時監(jiān)控，對保障煙絲品質(zhì)控制至關(guān)重要。因此在自動化的制絲生產(chǎn)線上，部署有各種流量計、溫度儀、水分儀等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在采集到制絲生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)后，需要制絲半成品質(zhì)量統(tǒng)計系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析。本文以制絲生產(chǎn)線實時采集數(shù)據(jù)為研究對象，設(shè)計出一種制絲半成品質(zhì)量統(tǒng)計系統(tǒng)方案并成功實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想

1.1 業(yè)務(wù)描述

煙草生產(chǎn)企業(yè)是一種典型的線性和離散相混合的流程制造企業(yè)，其信息化發(fā)展逐步從生產(chǎn)底層控制自動化、制造執(zhí)行自動化逐步走向基于企業(yè)資源計劃的智能管控一體化。目前，煙草制絲生產(chǎn)流程控制系統(tǒng)普遍采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，形成分散控制、集中管理和監(jiān)控的管控一體化模式?；緦崿F(xiàn)了生產(chǎn)制造工藝參數(shù)管理、控制與維護、生產(chǎn)計劃調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量過程監(jiān)控、過程在線分析、質(zhì)量參數(shù)監(jiān)控與分析等職能則由生產(chǎn)管控信息系統(tǒng)通過相應(yīng)的集控系統(tǒng)上位機完成。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計思想

制絲過程在線分析包括制絲工藝分析、關(guān)鍵工序分析、特殊過程分析。制絲工藝分析用表格顯示各生產(chǎn)點的煙絲、梗絲、膨脹絲、薄片、回絲的水分、填充值、整絲率、碎絲率。關(guān)鍵工序分析計算各生產(chǎn)線對應(yīng)的關(guān)鍵工藝點的水分和溫度兩項指標(biāo)值的標(biāo)偏、CPK、達標(biāo)率等，并通過數(shù)據(jù)運行圖的展現(xiàn)形式，反映葉線、梗線、膨脹絲、薄片的質(zhì)量穩(wěn)定程度。進一步將生產(chǎn)線各關(guān)鍵工藝點串聯(lián)起來進行對比，反映整個制絲線的質(zhì)量變化趨勢。需要說明的是，制絲線生產(chǎn)時存在料頭、料尾（在批次開始、批次即將結(jié)束時，原料量減少而導(dǎo)致水分儀/溫度計測量值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大的情況），已完成批次計算標(biāo)偏、CPK值、達標(biāo)率時，需要對采集數(shù)據(jù)進行掐頭去尾，將偏差大的數(shù)據(jù)過濾掉，以提高指標(biāo)的精確度和可對比度。本系統(tǒng)采用將生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的指標(biāo)類型為水份/溫度的關(guān)鍵工藝點在批次開始、批次結(jié)束將小于標(biāo)準(zhǔn)下限值過濾進行掐頭去尾的方法。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2.1 SPC應(yīng)用介紹

統(tǒng)計過程控制（Statistic Process Control，SPC）主要采用數(shù)理統(tǒng)計方法對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析與評價，并找出生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常因素的數(shù)據(jù)。其將過程的狀態(tài)分為兩種：受控狀態(tài)（統(tǒng)計控制狀態(tài)）和失控狀態(tài)（統(tǒng)計失控狀態(tài)）。當(dāng)過程處在受控狀態(tài)時過程只受偶然性因素影響且過程的質(zhì)量特性呈隨機分布狀態(tài)；當(dāng)過程處于失控狀態(tài)時過程中有系統(tǒng)性因素的影響且過程分布的狀態(tài)不是隨機分布狀態(tài)。SPC控制圖是對統(tǒng)計過程控制進行分析有效工具，其是利用數(shù)理統(tǒng)計方法對有效數(shù)據(jù)進行分析并計算控制界限?？刂茍D由上控制限（Upper Control Limit，UCL）、 下控制限（Lower Control Limit，LCL）和中心線（Control Line，CL）組成，其中控制界限都是通過數(shù)理統(tǒng)計方法計算得到。如果統(tǒng)計過程中出現(xiàn)異常波動，控制圖上顯示的數(shù)據(jù)將處于上、下控制限之外或呈現(xiàn)統(tǒng)計上的非隨機現(xiàn)象，這時就需要判明原因并采取有效措施使生產(chǎn)過程恢復(fù)正常至受控狀態(tài)；反之則說明生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)。

2.2 指標(biāo)與計算方法

標(biāo)準(zhǔn)偏差（StdDev，Standard Deviation），量度數(shù)據(jù)分布的分散程度的標(biāo)準(zhǔn)，用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小可通過標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的倍率關(guān)系來衡量。

過程能力也稱工序能力，是指過程加工方面滿足加工質(zhì)量的能力，它是衡量過程加工內(nèi)在一致性的，衡量最穩(wěn)態(tài)下的最小波動。當(dāng)過程處于穩(wěn)態(tài)時，產(chǎn)品的質(zhì)量特性值有99.73%散布在區(qū)間，（其中為產(chǎn)品特性值的總體均值，為產(chǎn)品特性值總體標(biāo)準(zhǔn)差）也即幾乎全部產(chǎn)品特性值都落在6的范圍內(nèi)﹔因此，通常用6表示過程能力，值越小越好。過程能力指數(shù)通常用表示，

一般以規(guī)格（公差）范圍T 與工序能力的比值來表示，即。工序能力指數(shù)越大，產(chǎn)品質(zhì)量特性值的分散程度（）越小，說明工序能力越能滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)。在卷煙制絲的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對包括流量、水分、溫度等連續(xù)性的質(zhì)量特性值進行測量。一般情況下，卷煙制絲的生產(chǎn)工藝要求質(zhì)量特性值的分布中心與公差中心重合。那么卷煙制絲生產(chǎn)的工序能力指數(shù)為：，為公差上限， 為公差下限，s為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)求出工序能力指數(shù)后，就可以判斷該工序能力與工藝標(biāo)準(zhǔn)是否一致，以此來衡量生產(chǎn)過程的加工質(zhì)量水平。同時，我們需從技術(shù)性和經(jīng)濟性兩方面來考慮，綜合選定值。一般情況下，工序能力指數(shù) 1.67就表示過程能力充足。endprint

CPK：考慮偏移（均值不是規(guī)格中心值）時的短期過程能力指數(shù)，CPK反映實際的過程能力。計算中采用的關(guān)鍵指標(biāo)與計算公式如下：。其中合格點數(shù)指采集數(shù)值在控制允差范圍內(nèi)的數(shù)值。

2.3 工藝數(shù)據(jù)說明

系統(tǒng)基于制絲生產(chǎn)批次、工藝標(biāo)準(zhǔn)進行質(zhì)量分析，從業(yè)務(wù)維度看，數(shù)據(jù)分為生產(chǎn)類和工藝類。生產(chǎn)類數(shù)據(jù)包括牌號、批次、工藝段等信息，工藝類數(shù)據(jù)包括工藝參數(shù)類型、工藝點標(biāo)準(zhǔn)項目、設(shè)定點標(biāo)準(zhǔn)TAG表、工藝標(biāo)準(zhǔn)表和工藝標(biāo)準(zhǔn)表明細(xì)，詳細(xì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)組成見圖2。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 技術(shù)路線與架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)是基于J2EESSH的框架的WEB應(yīng)用程序（B/S），開發(fā)工具使用Eclipse，數(shù)據(jù)庫使用Oracle10G，應(yīng)用服務(wù)器采用IBM WebSphere（WAS）6.1。系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為兩大部分，即前端應(yīng)用平臺和后端數(shù)據(jù)集成交換平臺。前端應(yīng)用平臺不與源系統(tǒng)直接進行數(shù)據(jù)交互，完全由后端數(shù)據(jù)交換平臺完成，為源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了可靠的保障。

前端應(yīng)用平臺為基于J2EE的B/S分布式應(yīng)用平臺，設(shè)計上采用多層體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，所有的應(yīng)用功能封裝在Web應(yīng)用服務(wù)器層，能有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層的分離，具有較好的擴展性和靈活性。

后端數(shù)據(jù)集成交換平臺采用數(shù)據(jù)集成平臺ETL工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取、集成、轉(zhuǎn)換、加載功能以及反向的數(shù)據(jù)反饋和更新功能。ETL工具可以集中式或分布式部署到任何主流操作系統(tǒng)上，支持各種主流關(guān)系數(shù)據(jù)庫，同時支持文本數(shù)據(jù)。ETL工具同時還提供了相應(yīng)的前臺管理程序，前臺管理程序與后臺工作引擎通過WEB Service 連接，可以方便地支持基于HTTP（S）協(xié)議的遠(yuǎn)程管理。

3.2 數(shù)據(jù)加工處理流程圖

3.3 系統(tǒng)主體功能實現(xiàn)

3.3.1 創(chuàng)建JDBC的數(shù)據(jù)庫連接工具類

本系統(tǒng)采用oracle數(shù)據(jù)庫存儲樣本數(shù)據(jù)，程序建立JDBC連接需要先導(dǎo)入JDBC包，使用Java語言的import語句在Java代碼開頭位置導(dǎo)入所需的類。接著注冊JDBC驅(qū)動程序，使JVM將所需的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)加載到內(nèi)存中，從而可以滿足JDBC請求。接下來是數(shù)據(jù)庫URL配置，創(chuàng)建一個正確格式化的地址，指向要連接到的數(shù)據(jù)庫。最后創(chuàng)建連接對象，調(diào)用DriverManager對象的getConnection（）方法來建立實際的數(shù)據(jù)庫連接。

3.3.2 制絲批次告警

1） 獲取調(diào)度指令表中制絲批次信息

通過將調(diào)度指令表、工藝段表、工序表、工藝點表、牌號表、工藝點標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表進行關(guān)聯(lián)查詢，將關(guān)鍵工序表、工藝點_關(guān)鍵工序關(guān)聯(lián)表通過KEY_SEQUE_DEF_ID連接，取得采集點ID對應(yīng)的關(guān)鍵工序編號；以當(dāng)前的批次號和工藝段ID查詢調(diào)度指令表，獲取查詢記錄的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（ORDER_STA）；以當(dāng)前的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和工藝點ID查詢工藝點標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，獲取工藝點標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上限值、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下限值；制定標(biāo)準(zhǔn)上上限、下下限等指標(biāo)，其中上上限與下下限為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的3倍允差值。

2） 獲取實時采集值數(shù)據(jù)集合

以批次調(diào)度信息的工藝點ID、批次號和當(dāng)前批次的開始時間查詢實時采集值表，獲得實時該工藝點的實時采集值集合，通過采集時間正向排序，將數(shù)據(jù)以VO對象形式存入ArrayList中。生產(chǎn)線工藝流程的所限，一個生產(chǎn)批次頭尾階段的采集數(shù)據(jù)波動大，未進入穩(wěn)定狀態(tài)，需要將頭尾的數(shù)據(jù)舍去。此處對實時采集數(shù)據(jù)進行掐頭去尾處理，具體做法是以開始后第一次達標(biāo)為起始時間，結(jié)束前最后達標(biāo)的時間為結(jié)束時間。保留該時間段的采集數(shù)據(jù)，其余頭尾數(shù)據(jù)均不再納入計算。掐頭和去尾操作的具體實現(xiàn)方法如下：掐頭，第一個達標(biāo)的數(shù)值算正常數(shù)據(jù)，在此數(shù)據(jù)之前的數(shù)據(jù)不算正常告警，舍棄掉；去尾，取最后一個在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的采集值時間，記做批次結(jié)束時間，舍棄之后的數(shù)據(jù)。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

/*********掐頭操作 begin****************/

Timestamp startTime=null；//掐頭后第一個采集點時間

for（Iterator it=crafValList.iterator（）；it.hasNext（）；）{

vo = （PidVO） it.next（）；

//當(dāng)下限值小于等于采集值，則當(dāng)前采集時間作為達標(biāo)開始時間

if（lowStand<=vo.PIDValue）{

startTime=vo.Time；

break；

}}

if（startTime！=null）{

for（Iterator it=crafValList.iterator（）；it.hasNext（）；）{

vo = （PidVO） it.next（）；

if（vo.Time.after（startTime））{

list.add（vo）；

}}}

/*********掐頭操作 end****************/

/*********去尾操作 begin****************/

Timestamp endTime=null；

if（list！=null&&list.size（）>0）{

for（inti=list.size（）-1；i>0；i—）{//取最后一個大于標(biāo)準(zhǔn)下限的采集點時間

vo = （PidVO）list.get（i）；

if（lowStand<=vo.PIDValue）{

endTime=vo.Time；endprint

break；

}}}

if（endTime！=null）{

for（Iterator it=list.iterator（）；it.hasNext（）；）{

vo = （PidVO）it.next（）；

if（vo.Time.before（endTime））{

returnList.add（vo）；//把去尾后的那些采集點信息保存到list

}}}

/*********去尾操作 end****************/

3） 告警統(tǒng)計與實時數(shù)據(jù)修整

將采集點數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)下限比較，取得第一個大于標(biāo)準(zhǔn)下限值對應(yīng)的時間設(shè)置為批次開始達標(biāo)時間。將批次達標(biāo)開始時間后的采集點數(shù)值比較標(biāo)準(zhǔn)上限、標(biāo)準(zhǔn)下限進行超標(biāo)告警判斷。

超標(biāo)告警處理采用設(shè)置超標(biāo)告警標(biāo)記、超標(biāo)告警開始時間、超標(biāo)告警結(jié)束時間等變量，通過循環(huán)方式遍歷實時采集值集合中的實時數(shù)據(jù)，一旦有超出上下限的數(shù)據(jù)即將該數(shù)據(jù)的采集時間設(shè)置為超標(biāo)開始時間，直到遇到連續(xù)5個正常值，則認(rèn)為告警結(jié)束，設(shè)置第一個正常值的采集時間為告警結(jié)束時間。更新批次告警明細(xì)表，記錄告警的起止時間與告警類型并對當(dāng)前批次告警總數(shù)進行累加。

實時數(shù)據(jù)修整首先檢查用戶是否開啟允差控制模式，若開啟允差控制模式則進行數(shù)據(jù)修整。把經(jīng)過掐頭去尾的數(shù)據(jù)集合內(nèi)的實時采集數(shù)據(jù)進一步加工，超過上上限的數(shù)據(jù)值用上上限值替換，超過下下限的數(shù)據(jù)用下下限替換。

4） 斷料與批次質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算

若在連續(xù)的告警時間范圍內(nèi)連續(xù)查詢3個工藝點對應(yīng)的電子秤采集點流量值小于最小流量值（告警未結(jié)束），則將以前告警未結(jié)束的記錄狀態(tài)結(jié)束，向制絲批次告警記錄表更新記錄當(dāng)前批次發(fā)生斷料異常，不再加批次質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計。

批次告警統(tǒng)計結(jié)束后，根據(jù)修整后實時采集數(shù)據(jù)計算均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值、最小值、CP值、CPK值、合格率，并將統(tǒng)計結(jié)果寫入已完成批次統(tǒng)計值表。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)評價

4.1 系統(tǒng)運行評價

制絲半成品質(zhì)量統(tǒng)計系統(tǒng)將分散的制絲實時數(shù)據(jù)信息集成起來，整合成一個集中的數(shù)據(jù)平臺，為管理者、品控人員及時全面地監(jiān)控制絲生產(chǎn)提供一個便捷的途徑，而且能夠通過對制絲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的再加工處理，提煉出真正對生產(chǎn)管理、計劃調(diào)度、經(jīng)營決策有用的信息。通過SPC統(tǒng)計分析，在企業(yè)管理者和實時過程控制人員之間架起一座橋梁，實現(xiàn)兩者之間的信息交換和緊密集成，既能為管理層提供了生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)展現(xiàn)，又能對歷史數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析應(yīng)用。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用評價

制絲車間對經(jīng)濟責(zé)任制中主體內(nèi)容（即質(zhì)量考核）進行了一次較大幅度的改變，將原有的一些常規(guī)檢測指標(biāo)的考核比重進一步壓縮；將近70%考核內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ω鞴ば螯c的CPK值進行考核。在日常生產(chǎn)管理方面，逐步建立起月度原因分析制度，制定原因分析人、原因分析方法、原因分析內(nèi)容、判定標(biāo)準(zhǔn)和閉環(huán)措施的辦法、形成日、月的Cpk值統(tǒng)計表，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量評價的科學(xué)性和客觀性，促進了考核觀念的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)“從關(guān)注結(jié)果向更關(guān)注過程”的轉(zhuǎn)變，提升了品質(zhì)管理的認(rèn)知水平。

4.3 系統(tǒng)特色評價

本系統(tǒng)具有實用、快捷、靈活、經(jīng)濟、可靠、維護成本低，系統(tǒng)可擴展性強的特點，可以通過Webservice或者SOA等方式進行數(shù)據(jù)集成和調(diào)用?？梢苑奖愕厥褂闷髽I(yè)數(shù)據(jù)總線等方式與企業(yè)的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行集成與整合，大大提高了系統(tǒng)的擴展性。

5 總結(jié)

本文介紹了制絲生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析系統(tǒng)的功能設(shè)計與實現(xiàn)，簡要描述了該系統(tǒng)如何利用制絲線實時采集數(shù)據(jù)進行多種分析運算，從而獲得在線批次告警數(shù)據(jù)、批次質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)、批次的CP與CPK等具有重要價值數(shù)據(jù)的實現(xiàn)過程，具有一定的應(yīng)用和推廣價值。

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