智能制造在陕西中烟澄城卷烟厂制丝生产线的应用

摘要：介绍了陕西中烟澄城卷烟厂烟草制丝生产线管控系统的功能和应用。

关键词：3D仿真技术；大数据；自动化信息技术；“互联网+”

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.100

0概述

在“工业4.0”时代，随着自动化、信息技术和互联网技术的发展，制造业迎来了新的挑战和机遇，传统的大规模生产、以产品为中心的生产方式已经远远不能满足当下个性化需求井喷的需要，因此生产方式必须向多样化和定制化发展，快速响应、充分满足客户的特定需求。只有这样，制造业才能实现转型升级，获取新的发展动力。

结合工业4.0的大背景，为了响应国家为实现制造强国而制定的《中国制造2025》战略目标，结合陕西中烟澄城卷烟厂异地重建技改的重大历史机遇，围绕智能制造全面升级生产和管理体系，实现革命性突破。澄城卷烟厂制丝车间作为全厂卷烟制造的最重要、最核心的加工制造中心，是澄城卷烟厂响应陕西中烟智能制造号召，实施智能制造战略，实现生产方式转型、产业升级必不可少的关键环节。一方面通过工业互联网与企业智能制造平台实现集成；另一方面，通过工业物联网、数据链、信息服务总线等工业互联技术，与智能工厂的协同管理控制平台、数字虚拟设计、智能运维实现协同制造，同时对智能机器、设备端生产过程进行管控，组建整个卷烟厂智能制造的智能化控制基础平台。为此澄城卷烟厂新制丝车间基于智能制造构建了一套集先进控制技术、工业互联网、协同制造、垂直集成和网络化的制丝生产线电控系统、集中监控系统、生产管理系统（以下简称制丝线管控系统）。

烟草制丝生产线管控系统作为智能制造——智能工厂——智能控制系统的定位，采用面向工业智能制造的双总线系统架构，通过信息网络的扁平化，将PLC、智能仪表、检测执行器件、计算机等自动化和信息化产品通过工业互联网紧密结合在一起，充分利用智能硬件和定制化软件设计的优势，以适应客户对工艺控制、生产过程控制的特定要求，实现工艺控制的精细化和现代化管理的精益化。

另一方面，通过双总线服务，实现对烟草制丝车间相关系统的信息集成，包括协同管理系统、MES、生产数据监视系统等系统。通过规范信息总线的协议标准，连接必要的信息通信渠道，建立起以信息服务总线为纽带，各个子系统为执行单元的完整的制丝线工业协同管理控制平台，从而实现连续的生产组织和生产控制，最终将制丝车间相关的各个系统整合到统一系统架构之内，实现智能工厂的智能制造。

1系统功能

近几年，随着自动化控制技术的发展，特别是工业4.0、中国制造2025的战略举措，工业自动化和信息化的结合已成为工业控制系统的发展趋势，建设面向智能制造的制丝线管控系统成为卷烟行业自动化生产线的主要目标。本系统吸收了目前国内外烟草制丝线先进控制技术，贯彻系统设计先进性、实用性、可靠性、经济性的原则，并结合了烟草行业卷烟生产的最新发展动态和发展趋势，尤其是烟草制丝工艺过程对品质提升、节能降耗的要求。针对卷烟生产已实现全面自动化和局部信息化，但系统开放性和智能性较差，绝大部分企业仍然未实现工业局域网和互联网联通等特点，确定了系统总体方向为“智能制造，工业现场实时总线和企业信息服务总线相结合，协同管理，智能化控制”。

1.1设备层

主要包括管控系统负责控制的烟机设备、传感器、仪器仪表、条码、智能检测设备等。

1.2控制层

1.2.1PLC控制系统

硬件组成：包括配电回路柜、PLC控制柜、现场分布式控制箱、现场操作站、现场执行机构、传感器检测机构等设备。

软件平台：PLC编程组态软件、操作站组态软件及相关控制管理软件。

信息交换途径：现场总线网/工业以太网。

功能：主要實现用可编程控制器控制设备按工艺要求完成自动化生产，并通过人机界面显示设备实时运行状况（包括设备的运行、停止、故障等状态）和重要的工艺参数（包括水分、温度、流量等），并在授权范围内实现对设备参数、配方参数等的设置和修改。

1.2.2数据采集与监视控制系统（SCADA）

硬件组成：监控服务器、数据库服务器、应用服务器、监控计算机、工程师站、UPS电源、打印机和以太网网络器件等设备。

软件平台：监控组态软件、数据管理软件、网络通信软件、生产数据管理软件，同时考虑了与视频大屏幕系统、LED显示系统的系统接口。

信息交换途径：工业以太网/以太网。

功能：该层采用当前主流C/S客户服务器模式，向上连接生产管理层计算，获取生产计划、物料调度信息、配方数据信息，向下采集现场设备的状态及各种生产数据，并归档和上报，完成对现场生产线设备的监控操作等。

1.3车间层

1.3.1车间生产管理系统

硬件组成：由数据库服务器、生产管理客户机组成。

软件平台：数据库软件及生产管理系统。

信息交换途径：工业以太网/以太网。

功能：向上连接厂级MES系统，获取生产管理及调度信息，为企业的MES系统提供生产数据、质量反馈数据，批次跟踪等数据，为企业管理层全面了解生产过程提供了途径，为进一步确定企业的发展方向提供重要依据，向下获取生产线上的现场数据，发布生产计划、物料调度信息、配方数据等。

1.3.2工厂制造执行系统（MES）

面向卷烟厂制丝车间执行层的生产信息化管理系统。

2智能功能

制丝线管控系统基于智能架构设计，包括智能功能的全维度。

2.1系统集成

制丝线管控系统在满足制丝线生产控制的基础上，系统架构还考虑了与其他系统的集成，其系统集成的主要内容包括：

（1）通过软硬件技术，实现对智能单机控制系统、生产线控制工艺段、集中监控系统、车间生产管理系統、厂级信息系统和MES，多个系统之间的集成。

（2）能够根据控制系统的需求实现糖香料厨房、除尘及异味处理等控制系统的集成。

（3）根据项目特点，实现与其他新兴业态系统的集成。

2.2互联互通

制丝线管控系统的互联互通设计基于企业的实时服务总线和企业服务总线的双总线设计。

（1）实时总线集成服务包括工业以太网、工业现场总线。工业网络ProfiNet、Profibus-DP/PA构成自动化控制的通信链路，并充分满足智能设备和可编程控制器间的通信需求，并考虑无线WIFI接入的数据通信要求，

（2）企业服务总线采用ESB架构设计，基于以太网平台技术，通过统一的信息集成接入软件协议标准，实现车间管理系统、数据采集监视系统、生产信息显示系统的互联互通。

2.3信息融合

基于工业互联网以及信息软件技术，在系统集成和互联互通的基础上，实现制丝线管控系统的协同共享，其所涉及的系统包括：

（1）设备电气控制、数据采集和监视、生产管理、生产现场显示系统、第三方控制系统等多个系统之间的信息共享和融合。

（2）工业以太网、基于企业ESB信息服务技术所带来的信息共享和融合。

（3）多系统信息融合所带来的信息安全防护设计，包括网络安全、网络诊断等。

2.4新兴业态

基于制丝线管控系统的定制化和智能服务的需求，提供了以下新兴业态智能功能：

（1）基于LED平台技术的生产现场显示系统。

（2）远程维护系统。

3应用现状

3.1设备控制系统

系统以SIEMENS公司S7-400系列高性能处理器为主控制器，并通过以ProfiNet为主干网络、ProfiBus_DP/PA为辅助网络，满足整个制丝车间自动化控制系统的通信需求，并在此基础上实现对智能设备或传感器的数据的采集，信息的交互，最终通过人机界面实现对设备的控制。

设备控制系统作为制丝线管控系统中最重要的系统，担负着整条生产线按工艺要求正常生产出合格产品，为企业带来经济效益的关键使命。一方面，设备控制系统通过先进的网络通信技术和柔性化构件技术，形成整个控制系统的整体结构，另一方面，控制系统通过主控处理器和输入输出节点，控制着整个制丝线的运行。

另外，在与集中监控系统、管理系统以及其他控制系统集成方面，设备控制系统通过先进的网络通信链路以及信息集成技术，保证整个制丝线车间信息通信的开放，实现数据的上传下达，确保生产计划的正常进行，同时将现场设备的实时运行信息传递给管理系统，方便管理人员对生产线的实时监控，有利于实现对制丝车间进行有效的生产、设备、工艺等管理功能。

3.2集中监控系统

集中监控系统主要完成对生产过程的实时监视与控制，同时采集生产数据、报警数据、过程数据进入大数据平台以供MES或者ERP系统使用。系统首先通过管理网络从生产管理系统中获取和生产过程相关的配方信息、工艺标准信息、生产计划信息和作业任务信息，然后通过监控网络将生产指令信息、控制参数信息下达到设备控制系统中，操作生产线完成生产过程。

集中监控系统的硬件平台采用虚拟化服务器技术，网络结构采用高度冗余的光纤环网，监控软件采用Wonderware system Platform，结构采用C/S结构的模式。所有底层I/O信息点将由I/O服务器进行实时采集，中控室监控计算机将根据所监控的范围通过以太网络从I/O服务器获取实时I/O信息，同时通过监控网络和I/O服务器将生产指令信息、参数设定信息写入对应工艺段的主控PLC或单机控制系统的PLC中。

画面的设计引入3D仿真技术，更直观反映现场设备的实时状态。

WEB服务功能：通过WEB服务器通过以太网接入车间级信息网络，作为车间监控管理信息的WEB发布平台。用户可以通过WEB浏览器方式浏览监控管理画面，实时监控车间生产线的生产状况。

3.3生产管理系统

制丝线生产管理系统是企业管理和生产执行的交互层，它是制丝车间的生产信息中心、指挥中心、分析中心和业务中心。

首先，制丝线生产管理系统通过互联网ERP系统或者厂级MES系统获订单信息、生产计划、物料信息以及工艺控制技术标准、产品的质量检测标准、生产设备的维修和保养计划信息等。

其次，生产管理系统可以从厂级MES系统接收或在本系统制定生产计划。根据企业的生产安排和生产线的状态信息、物料信息和设备故障信息来执行或制定制丝车间各生产线、工艺段/工序单元的生产任务，并把生产任务下达到对应的工艺段/工序单元上。集中监控系统接收到生产任务指令后下发至PLC，并根据生产任务信息设置生产参数，再通过监控系统来确保生产任务的顺利执行。

在生产过程中实时记录批次任务的执行状态（包括制定、下发、完成、作废等），并及时准确的将批次任务的各种执行状态反馈给上层MES系统。进而由生产调度系统根据生产计划和具体情况对生产任务进行实时调整，完成整个生产过程与制丝监控系统、物流库控制系统、香料房控制系统等和上层MES系统的协同运作及信息交互。

最后，生产管理系统将通过生产报表、质量报表、故障报表等形式将各种生产数据进行汇总，为相关职能部门如生产部门、质检部门、设备管理部门决策提供数据支撑，相关的厂级管理部门也可将其作为绩效考核依据；同时为MES提供必要的生产信息，协助MES系统完成生产计划的制定与管理。

当生产过程出现质量问题时，生产管理系统可以根据相关记录信息对质量问题进行追溯和跟踪，找到质量问题产生的原因、解决问题并预防将来出现类似问题。

生产管理系统具备车间级MES系统的部分功能，与厂级MES系统、ERP系统或其子系统互通有无，优势互补。

4应用成果

制丝线管控系统上线后具有高可靠性和扩展行，并依靠统一数据交互平台，面向数据全生命周期，将海量数据按不同时段、不同应用分级统一存放，可进行多层次数据归档和历史数据“复活”，确保数据完整性，采用EMI（企业制造智能）技术，对生产数据进行多维度分析。

通过工业自动化和信息化的融合，实现管理数字化，体现为：设备运维定量化、质量控制精细化、制造过程可溯化、绩效查询实时化。

面对难度大、复杂度高的制丝加工模式，实现了个性化定制、柔性制造、精细化加工、动态调度、库存管理等。