??1 前言

許昌卷煙廠“九五”制絲線中控系統(tǒng) 2000年設(shè)計，2001 年 12 月投入正式運行。隨著新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，及新版工藝規(guī)范的推廣應(yīng)用，目前在系統(tǒng)運行上存在很多不適應(yīng)的情況。

（1）原中控系統(tǒng)為第一代研制產(chǎn)品。原設(shè)計的各工序控制模塊間高度關(guān)聯(lián)，整個系統(tǒng)呈鋼性結(jié)構(gòu)，稍加改動，就影響整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。與現(xiàn)行的高內(nèi)聚、低偶合的設(shè)計思想完全相反。新增設(shè)備或工藝調(diào)度模式無法集成進(jìn) MES 系統(tǒng)。

（2）當(dāng)時設(shè)計時為單批、單柜操作調(diào)度，隨著我廠合并批次生產(chǎn)、分組加工、回絲摻配、煙絲轉(zhuǎn)存等多道工序改造的實施和應(yīng)用，已使得其調(diào)度模式無法進(jìn)行控制，多數(shù)生產(chǎn)操作隔離在調(diào)度系統(tǒng)之外，從 MES 系統(tǒng)看，已處于調(diào)度失控狀態(tài)。

（3）無法進(jìn)行分組加工調(diào)度，使進(jìn)出柜和相關(guān)配比控制必須人工反復(fù)確認(rèn)，操作高度緊張，壓力大，易出錯。

（4）實際批次信息也無法有效跟蹤。給批次生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)追溯和工藝數(shù)據(jù)的批量分析帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)或漏洞。批量歷史批次數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大范圍內(nèi)無法關(guān)聯(lián)問題。

基于解決以上問題，提出了本次制絲線中控系統(tǒng)改造項目。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)平臺選擇

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)是近 10 年來在國際上迅速發(fā)展、面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)。GE 電氣公司的 Proficy Plant Application（以下簡稱 GE PA）系統(tǒng)是利用了最新軟件技術(shù)的平臺化方案，是目前自動化業(yè)界集成度最高，開放性和易用性最好的產(chǎn)品平臺。它建立在微軟系統(tǒng)平臺上，依托于最新的 Web 服務(wù)架構(gòu)和.NET 技術(shù)。目前主要應(yīng)用在煙草、汽車、零售、食品等行業(yè)。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本項目以GE PA 系統(tǒng)的平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合煙草行業(yè)的特點，利用.NET 平臺進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計出一套適合卷煙廠的 MES 系統(tǒng)。通過 GE PA 各種組件化應(yīng)用模塊和系統(tǒng)連接器形成一個整體的解決方案，具有清晰的信息流和模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)功能模塊圖見下圖 1 系統(tǒng)整體解決方案，最下層為 IFIX 數(shù)據(jù)采集層，主要有制絲主線 IO 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，HXD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)中重要的參數(shù)保存到 GE Proficy Historian (以下簡稱 IH)數(shù)據(jù)庫中，用于 MES 層查詢統(tǒng)計分析等，ORALCE 數(shù)據(jù)庫用來保存質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及設(shè)備管理等內(nèi)容，通過 GE PA 各種組件化應(yīng)用模塊和系統(tǒng)連接器與 IH 和 ORACLE 數(shù)據(jù)庫相連。許昌 MES 以 GE PA 平臺為基礎(chǔ)，二次開發(fā)出適合于卷煙廠的 MES 服務(wù)層和客戶端。同時把 PORTAL 信息門戶也集成進(jìn) MES 客戶端，讓用戶可以從統(tǒng)一入口登陸 MES 平臺和遠(yuǎn)程監(jiān)控 WEB 平臺。

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3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理、生產(chǎn)建模、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、人員管理、報表管理等幾個子系統(tǒng)組成。其中各子系統(tǒng)又分別包括幾個功能模塊，各子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)、相輔相成，它們之間的功能協(xié)作構(gòu)成一個功能完備、性能可靠的制絲線制造執(zhí)行系統(tǒng)。

??3.1 生產(chǎn)建模 ??

3.1.1生產(chǎn)單元劃分

生產(chǎn)單元是整個工廠模型的基礎(chǔ)，因此對生產(chǎn)單元的劃分很重要。

（1）具體的生產(chǎn)單元劃分：

能獨立處理物料的最小工作單位，每段自己下發(fā)工藝參數(shù)，獨立的批號、牌號，單獨啟停，相鄰段不得存在不同牌號，作為工藝路線的基礎(chǔ)。

（2）存儲單元：

存儲單元為一組貯柜或者其他的大型存儲設(shè)備（主要是能保存一或幾批批物料，且保存至少幾個小時以上）可劃分成一個存儲單元，存儲單元是作為生產(chǎn)單元的源頭或者目的。因此和前生產(chǎn)單元或者后生產(chǎn)單元一塊控制。

3.1.2生產(chǎn)設(shè)備建模

生產(chǎn)建模系統(tǒng)能夠根據(jù)車間的設(shè)備情況按照國際 ISA95 標(biāo)準(zhǔn)對車間的生產(chǎn)情況進(jìn)行動態(tài)的數(shù)字建模，整個平臺的數(shù)據(jù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)；當(dāng)設(shè)備進(jìn)行改動后，只需在數(shù)字模型中對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行改動就可，其他模塊會相應(yīng)的自動改變。

工廠建模內(nèi)容主要分為部門建模（負(fù)責(zé)車間的生產(chǎn)單元建模），公共信息（負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程中的公共基礎(chǔ)信息建模），貯柜信息和物料信息。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)樹內(nèi)容見圖 2.

3.1.3生產(chǎn)事件的建模

生產(chǎn)事件建模對生產(chǎn)設(shè)備及路徑上發(fā)生的各種生產(chǎn)事件進(jìn)行定義，主要是生產(chǎn)單元批次事件、設(shè)備運行事件、貯柜狀態(tài)事件等。

3.2 產(chǎn)品管理系統(tǒng)

產(chǎn)品管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)煙廠產(chǎn)品以及相關(guān)的工藝配方管理，產(chǎn)品可以根據(jù)不同的產(chǎn)品家族進(jìn)行管理，比如全配方、分組加工煙牌，香料廚房香糖料等。

對于不同煙牌產(chǎn)品可能會經(jīng)過不同的工藝設(shè)備，因此需要制定不同產(chǎn)品的工藝路線，工藝路線由工廠建模中的生產(chǎn)單元組成。

同時每個產(chǎn)品的工藝參數(shù)、配方參數(shù)、設(shè)備參數(shù)可以保存所有做過的版本，可以很清楚的知道這個煙牌的參數(shù)變更的版本記錄，制定參數(shù)時可以從其他的相近的煙牌引用參數(shù)進(jìn)行制定，增加的產(chǎn)品配方參數(shù)維護(hù)的靈活性；工藝參數(shù)由工藝制定后，車間只能查詢不能修改，制定計劃時，工藝配方參數(shù)會隨著選定的煙牌下發(fā)到 PLC 去進(jìn)行生產(chǎn)控制。

3.3 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理承擔(dān)著從計劃的執(zhí)行到現(xiàn)場操作的很多重要任務(wù)，其主要功能是建立在生產(chǎn)配置基礎(chǔ)上的。通過對生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)籌安排，提供對生產(chǎn)過程的指導(dǎo)，生產(chǎn)過程中對各種數(shù)據(jù)的采集和錄入，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類儲存、挖掘和分析，生成各種報告用以跟蹤和研究生產(chǎn)過程，提高對生產(chǎn)過程的控制力。

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3.4、質(zhì)量管理：

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質(zhì)量管理是整個系統(tǒng)的重要模塊，能對各種質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，由于 MES 的數(shù)據(jù)以 IH 數(shù)據(jù)庫為主要數(shù)據(jù)源，IH 數(shù)據(jù)庫能以百毫秒級的粒度保存數(shù)據(jù)，保存只要硬盤足夠大，可以保存很長時間的數(shù)據(jù)，因此管理系統(tǒng)能很方便的取到所需要的數(shù)據(jù)，用于各種質(zhì)量分析。

以彩虹圖形式實時顯示主要工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能對生產(chǎn)數(shù)據(jù)有一個直接快速的了解，可以實時監(jiān)控一個批次中該參數(shù)失控趨勢以及實時統(tǒng)計結(jié)果。

對于檢驗數(shù)據(jù)，通過檢驗員錄入離線數(shù)據(jù)，輸入錄入時間后能和同時間的在線采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

對各個工段的參數(shù)進(jìn)行實時 SPC 的 X-R、X-S 控制圖形分析，也可以查找歷史的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的 SPC 控制圖形分析，真正的實現(xiàn)過程控制、分析以及預(yù)測，然后用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

同時能對過程參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)查詢、分析；同時能對一個工段內(nèi)的多個參數(shù)進(jìn)行同時分析，查找生產(chǎn)中異常的原因，有助于提高生產(chǎn)能力。

3.5、設(shè)備管理：

設(shè)備管理主要以以下幾個模塊為主：

工藝段效率管理主要記錄工藝段的總體運行時間、有效運行時間、故障運行時間，同時錄入故障時間和原因、是否造成該工藝段停產(chǎn)等，通過以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等進(jìn)行設(shè)備運行效率和故障分析。

設(shè)備檔案管理，把設(shè)備的資料統(tǒng)一管理起來，提高生產(chǎn)車間維護(hù)查詢設(shè)備資料的效率，能更加方便的查詢相應(yīng)設(shè)備的相關(guān)資料。

設(shè)備跟班維修，可以對一個維修過程進(jìn)行全程跟蹤記錄，不同的角色都可以很清晰的查看到相應(yīng)的維修過程的狀況，增加了各個負(fù)責(zé)人之間意見的實時傳遞，很大的提高了設(shè)備跟班維修的效率。

日常檢修計劃指對于現(xiàn)場的一些已經(jīng)出現(xiàn)的問題，或者潛在的問題的一種維護(hù)性的有計劃的檢查維修。該計劃以任務(wù)的形式制定并下發(fā)，跟蹤維護(hù)。

設(shè)備點檢管理，沒很大程度提高了車間點檢管理效率。

3.7、生產(chǎn)人員管理：

對車間每個生產(chǎn)人員、每個崗位等進(jìn)行維護(hù)管理，使車間管理人員可以實時了解整個車間的人員情況。

4 項目特點

（1）國內(nèi)煙廠首先采用 GE PA 系統(tǒng)平臺搭建 MES 系統(tǒng)并正式上線運行，GE Proficy 解決方案的應(yīng)用架構(gòu)從設(shè)計到應(yīng)用模塊上均參照 S95 標(biāo)準(zhǔn)的要求，其主要模塊質(zhì)量，生產(chǎn)和效率（包括設(shè)備總體效率計算，跟蹤和生產(chǎn)統(tǒng)計）均與 S95 標(biāo)準(zhǔn)一致。在與ERP 系統(tǒng)連接上， Proficy 遵照了 S95 對象定義規(guī)范，通過目前流行的中間件方式連接各種主流 ERP 關(guān)系數(shù)據(jù)庫，連接的模型對象支持 B2MML 定義。

（2）采用了 GE 的 HISTORIAL 實時歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)能以百毫秒級進(jìn)行保存，由于該實時歷史數(shù)據(jù)庫采用了螺旋壓縮方式對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮保存，可以使系統(tǒng)能夠查詢和分析到更長時間、更密集的原始數(shù)據(jù)，對于質(zhì)量統(tǒng)計分析、實驗數(shù)據(jù)分析、錯誤過程分析等提供了強(qiáng)大的原始數(shù)據(jù)。

（3）本系統(tǒng)可以從多種類型的數(shù)據(jù)源采集數(shù)據(jù)，對于那些需要實時顯示的數(shù)據(jù)，可以直接從監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器或者客戶端的 SCADA 中采集數(shù)據(jù)點，對于大量的歷史數(shù)據(jù)可以從實時歷史數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，同時可以通過 OPC 等直接從控制層直接采集數(shù)據(jù)，豐富了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。

（4）制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)軟件彌合了企業(yè)計劃層和生產(chǎn)車間過程控制系統(tǒng)之間的間隙，是制造過程信息集成的紐帶。但是控制層和 MES 怎么最好的結(jié)合，本系統(tǒng)對于控制層和 MES 層采用相同最小的生產(chǎn)單元，將過去獨立的 IT 和自動化控制領(lǐng)域無縫融合在一起?？刂茖雍?MES 層采用相同最小的生產(chǎn)單元,在 MES 以生產(chǎn)單元建模時能夠?qū)嶋H合理的反映自動化層的控制邏輯，真正的發(fā)揮 MES 的實際作用，并且可以很好的提高生產(chǎn)效率和降低設(shè)備能耗。

（5）獨特的過程參數(shù)分析系統(tǒng)和彩虹圖實時分析系統(tǒng)以及 PA 趨勢圖形顯示。通過過程參數(shù)在線統(tǒng)計分析、彩虹圖方式和 PA 趨勢圖形顯示，使重要工序的重要參數(shù)的控制過程可視化，并實時的統(tǒng)計出煙廠需要的指標(biāo)值，同時能對多個相關(guān)參數(shù)進(jìn)行顯示分析，促進(jìn)了實時工藝水平、關(guān)鍵過程能力穩(wěn)定。同時借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，有力支撐了工藝水平、過程控制的評價、分析、指導(dǎo)、考核工作。該質(zhì)量系統(tǒng)使用戶對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的數(shù)據(jù)處理和分析，有利于用戶獲取有價值的工藝參數(shù)和生產(chǎn)規(guī)律，來指導(dǎo)生產(chǎn)，同時也可以對生產(chǎn)進(jìn)行多角度的考核，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

（6）生產(chǎn)調(diào)度單制定，稍一疏忽就會引發(fā)生產(chǎn)事故。系統(tǒng)在輔助調(diào)度單制定的同時，增加了差錯提示；生產(chǎn)技術(shù)科調(diào)度單下發(fā)后，還要經(jīng)過車間主任、中控室操作工兩層確認(rèn)，從而杜絕了生產(chǎn)調(diào)度中可能出現(xiàn)的人為失誤。??