云模塊在煙草制絲線云平臺(tái)與工業(yè)互聯(lián)中的構(gòu)想應(yīng)用

肖智斌 普云偉 方瑞萍

摘 要：隨著信息化的快速發(fā)展，制造業(yè)正在升級(jí)換代，并加速步入工業(yè)4.0，云平臺(tái)隨之得到廣泛應(yīng)用。文章分析了煙草制絲線的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀，探究了利用云平臺(tái)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性制絲生產(chǎn)的策略，為制絲生產(chǎn)智能制造提供思路啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：云模塊;煙草制絲線;云平臺(tái)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);智能制造

在中國(guó)制造2025的浪潮下，云平臺(tái)正被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用?；谠破脚_(tái)的資源共享優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)過(guò)程中不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PC終端及移動(dòng)端的快速訪問(wèn)及操作，還能促進(jìn)企業(yè)員工根據(jù)使用需求在云平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)小程序的開(kāi)發(fā)。煙草行業(yè)制絲線作為卷煙生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及工藝管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、安全管理等方面，受到運(yùn)行在云平臺(tái)上各種小程序的啟發(fā)，結(jié)合信息化和工業(yè)化的高層次深度融合，利用云平臺(tái)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云模塊，逐步實(shí)現(xiàn)CPS云模塊控制下的柔性生產(chǎn)，促進(jìn)制絲生產(chǎn)智能制造。

1 工業(yè)以太網(wǎng)在制絲線的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，大部分卷煙制絲線的生產(chǎn)管理采用主干環(huán)型結(jié)構(gòu)+總線型結(jié)構(gòu)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為主。主干環(huán)型結(jié)構(gòu)采用光纖作為傳輸介質(zhì)，總線型結(jié)構(gòu)采用超五類(lèi)屏蔽雙絞線或超六類(lèi)屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，在總線型結(jié)構(gòu)中還有部分網(wǎng)絡(luò)耦合節(jié)點(diǎn)用于連接DP/PA設(shè)備[1]。隨著智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，未來(lái)總線型結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)新型網(wǎng)絡(luò)耦合節(jié)點(diǎn)連接智能設(shè)備的應(yīng)用。制絲生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)鎖控制或生產(chǎn)配方信息數(shù)據(jù)采集一般依賴(lài)于集成服務(wù)商或SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）軟件，如西門(mén)子公司的WINCC、GE公司的IfIX等。通常情況下，集成服務(wù)商或SCADA軟件都是OPC（用于過(guò)程控制的OLF）的成員單位，OPC包括了一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于制絲生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼凹煞?wù)商或SCADA軟件的現(xiàn)有條件為智能設(shè)備接入到云平臺(tái)提供了網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層保障。

制絲生產(chǎn)線主要由一些具有特定功能的主機(jī)設(shè)備和輔聯(lián)設(shè)備組成，各生產(chǎn)廠的主機(jī)設(shè)備及輔聯(lián)設(shè)備基本功能大致相同，控制模式及執(zhí)行器件相似。一般情況下，主機(jī)設(shè)備有單獨(dú)的控制器，輔聯(lián)設(shè)備按工藝路線進(jìn)行劃分，由工藝電控系統(tǒng)的控制器進(jìn)行集中控制，目前制絲線上的控制器大多為西門(mén)子S7-300/400。無(wú)論是邏輯控制，還是PID控制，都是在西門(mén)子的集成環(huán)境下運(yùn)行，確保了控制的快速、精準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，主要以自動(dòng)化控制原理來(lái)進(jìn)行相應(yīng)控制參數(shù)的推算[2]，PID就是其中的一個(gè)經(jīng)典控制算法，它是在曾經(jīng)信息處理能力及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力受限的條件下產(chǎn)生的，其過(guò)程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和使用需求的深化，基于CPS（信息物理系統(tǒng)）的智能制造已在部分生產(chǎn)廠開(kāi)展試驗(yàn)并取得了良好的效果，可以預(yù)想未來(lái)的傳統(tǒng)PID控制模型將逐步被新型智能制造的控制模型所替代。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和篩選，對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，可以模擬人的思維進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析，并綜合量化各權(quán)重比后反饋到實(shí)時(shí)的控制中，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制新模式。這對(duì)提高產(chǎn)品均質(zhì)化水平意義重大，契合企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，為未來(lái)統(tǒng)一的接口或控制模式接入到云平臺(tái)提供了設(shè)備層的保障。

2 云模塊構(gòu)建思路

結(jié)合目前行業(yè)大部分制絲生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，在不進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造的情況下，依托企業(yè)云平臺(tái)及制絲生產(chǎn)線的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，以CPS的理念為指導(dǎo)[3]，制定企業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系的制絲生產(chǎn)新型智能制造控制模型，解決技術(shù)壁壘問(wèn)題，變被動(dòng)為主動(dòng)，匯聚企業(yè)員工共同智慧，協(xié)同研發(fā)和完善，運(yùn)用基于機(jī)器自學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析建模等先進(jìn)算法構(gòu)建擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硬核云模塊驅(qū)動(dòng)制絲生產(chǎn)智能制造，將制絲生產(chǎn)的信息化和工業(yè)化融合技術(shù)掌握在自己手中。

2.1 統(tǒng)一接口協(xié)議和OSI模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互

現(xiàn)今的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都是開(kāi)放的，通過(guò)接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器數(shù)據(jù)的讀取與寫(xiě)入。這就需要有統(tǒng)一的程序接口，并制定統(tǒng)一接口的協(xié)議說(shuō)明及運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)一的OSI模型，不需完全按照標(biāo)準(zhǔn)的七層模型來(lái)劃分，大致上可分為設(shè)備層、工控接口層、功能層、應(yīng)用接口層等。統(tǒng)一接口協(xié)議和OSI模型才能讓信息數(shù)據(jù)流動(dòng)起來(lái)，這也是實(shí)現(xiàn)云模塊的基礎(chǔ)。

2.2 統(tǒng)一CPS系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建CPS智能制造云模塊

近幾年，行業(yè)一些卷煙生產(chǎn)廠基于CPS的智能制造試點(diǎn)項(xiàng)目取得了顯著的效果，為整體實(shí)現(xiàn)CPS智能制造指明了方向。CPS的核心層面是控制模型，要做好頂層設(shè)計(jì)，到底是用傳統(tǒng)的PID控制算法，還是用機(jī)器自學(xué)習(xí)算法，還是用基于大數(shù)據(jù)分析的算法，需要深入思考并實(shí)際演算得出結(jié)果。根據(jù)控制模型的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)用接口層的接口協(xié)議制定，同時(shí)，使得云模塊的開(kāi)發(fā)盡可能簡(jiǎn)單化、多元化。因?yàn)榻y(tǒng)一了接口，為實(shí)現(xiàn)云模塊的調(diào)用及嵌套調(diào)用提供了可能。在企業(yè)云平臺(tái)的支持下，匯聚各企業(yè)員工的智慧，構(gòu)建各種各樣的云模塊，實(shí)現(xiàn)云模塊庫(kù)，減少重復(fù)開(kāi)發(fā)的周期和成本。

例如，A生產(chǎn)廠的工控人員開(kāi)發(fā)出了更具節(jié)能性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)云模塊，通過(guò)云平臺(tái)被B生產(chǎn)廠的生產(chǎn)線集控人員調(diào)用并進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，同時(shí)又進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于大數(shù)據(jù)分析的智能質(zhì)量管控云模塊，根據(jù)體系標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留了一些接口，開(kāi)發(fā)好后再把該云模塊分享到了云平臺(tái)，C生產(chǎn)廠的工藝分析員看到了此云模塊，用其進(jìn)行質(zhì)量管控功能對(duì)工藝分析?？稍撛颇K由于B生產(chǎn)廠人員的崗位角度考慮有所欠缺，未預(yù)留一些信息數(shù)據(jù)的接口，C廠的工藝分析員將該情況反饋B廠人員，由B廠人員完成接口預(yù)留并再次分享，C廠工藝分析員利用更新后的云模塊再次用自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)并輔以開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了智能工藝參數(shù)微調(diào)控制云模塊并分享。過(guò)程框架示意如下圖。

各具特色云模塊的誕生，充分體現(xiàn)了智慧匯聚、協(xié)同開(kāi)發(fā)并完善的理念，長(zhǎng)期以往形成了一種良性循環(huán)，最終看到的將是一個(gè)由滿目琳瑯云模塊構(gòu)成的制絲云智能生態(tài)。依托云平臺(tái)，行業(yè)內(nèi)的各家生產(chǎn)廠制絲線根據(jù)實(shí)際設(shè)備層的情況，靈活調(diào)用、組合或再次開(kāi)發(fā)云模塊，實(shí)現(xiàn)CPS控制云模塊的柔性制絲。

2.3 引領(lǐng)全員參與充實(shí)云模塊

以發(fā)展的眼光來(lái)看，逐步引領(lǐng)全員參與和充實(shí)企業(yè)的云模塊。例如，金融領(lǐng)域中的期貨從業(yè)人員，他們既懂金融專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又能使用簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)應(yīng)在煙草制絲線領(lǐng)域，要布局實(shí)現(xiàn)相關(guān)從業(yè)人員掌握“雙業(yè)務(wù)”，即企業(yè)員工不僅僅從事本專(zhuān)業(yè)的業(yè)務(wù)，同時(shí)還應(yīng)具備在云平臺(tái)以本職業(yè)務(wù)輔以適當(dāng)?shù)木幊陶Z(yǔ)言開(kāi)發(fā)各具特色的云模塊。這樣不僅促進(jìn)人的價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，也為云模塊的開(kāi)發(fā)和資源共享貢獻(xiàn)力量。

2.4 總體目標(biāo)

在5G時(shí)代，要深度結(jié)合制絲生產(chǎn)中的設(shè)備運(yùn)行情況，引領(lǐng)各層級(jí)的企業(yè)員工匯聚全員智慧，共同參與信息化建設(shè)，以本職業(yè)務(wù)輔以適當(dāng)開(kāi)發(fā)工具不斷構(gòu)建和充實(shí)企業(yè)制絲生產(chǎn)云模塊，逐步實(shí)現(xiàn)CPS控制云模塊柔性制絲，最終完成企業(yè)制絲生產(chǎn)CPS的云智能生態(tài)，驅(qū)動(dòng)制絲生產(chǎn)智能制造。在此過(guò)程中，統(tǒng)一技術(shù)體系及管理體系，加大信息技術(shù)復(fù)合型人才培養(yǎng)力度，打破傳統(tǒng)信息技術(shù)開(kāi)發(fā)與本職業(yè)務(wù)分離的方式，減少重復(fù)性開(kāi)發(fā)，降本增效，形成基于企業(yè)云平臺(tái)的企業(yè)制絲云生態(tài)。同時(shí)，將制絲智能生產(chǎn)的核心控制模型（云模塊）、算法及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破以往的技術(shù)封鎖，變被動(dòng)為主動(dòng)，將核心技術(shù)主動(dòng)權(quán)掌握在自己手中。

結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的變化日新月異，以CPS理論為指導(dǎo)，基于云平臺(tái)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云模塊驅(qū)動(dòng)智能制造不僅能在制絲生產(chǎn)中得到運(yùn)用，同時(shí)還能在其他具備類(lèi)似設(shè)備情況與網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的制造業(yè)中得到廣泛運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

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