本文結合煙草工業(yè)制絲生產數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的特點，以北京卷煙廠為例介紹了制絲生產車間數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的應用情況，并對一些關鍵技術和引領行業(yè)發(fā)展方向的控制理論做深入探討。
摘要：
國內卷煙廠作為典型的混合流程制造型企業(yè)，從上世紀八十年代開始引入自動化生產控制和管理信息化概念，先后經歷了生產自動化、管理信息化和基于企業(yè)資源計劃的CIMS為主要特點的發(fā)展階段。早期受制于自動化技術發(fā)展水平和系統(tǒng)整體解決方案的不完善，國內卷煙廠的自動化系統(tǒng)主要表現(xiàn)為分割不同工藝的數(shù)個相互獨立中小型控制系統(tǒng)，各個系統(tǒng)間規(guī)范協(xié)議的差異和總線技術的不統(tǒng)一，造成集中的管理和協(xié)調控制很難實現(xiàn)。隨著近年來系統(tǒng)集成技術的迅猛發(fā)展和智能化儀表設備的不斷涌現(xiàn)，同時國內煙草行業(yè)的競爭加劇也要求煙草企業(yè)需要積極提升自身生產效率、提高自動化控制程度和企業(yè)信息化管理水平。具有統(tǒng)一現(xiàn)場總線平臺和整體解決方案架構的自動化集成控制系統(tǒng)被越來越多的用戶接納和認可，其中西門子借助獨一無二的有能力提供成套產品和綜合解決方案的優(yōu)勢被絕大多數(shù)用戶所使用。
行業(yè)概述
中國煙草行業(yè)是國家的支柱產業(yè)，行業(yè)年稅收占國家總稅收的10%左右，這樣巨大的貢獻還是在平均稅率不超過46%的低稅率情況下實現(xiàn)的，相比發(fā)展國家煙草行業(yè)普遍50-60%的稅率，足見我國煙草行業(yè)在國家經濟中的支柱作用。據(jù)統(tǒng)計中國共擁有三億多煙民，占世界總煙民的近1/3，中國的煙葉生產量及成品煙銷售量也大概占到世界的1/3左右。同時中國還是世界上烤煙種植面積、烤煙產量、烤煙增長速度、卷煙產銷量、卷煙增長速度、吸煙人數(shù)、吸煙人數(shù)增加數(shù)量、煙稅增長速度等多項世界第一。
然而在規(guī)模數(shù)量優(yōu)勢的光環(huán)下，中國煙草行業(yè)面臨的境地同樣令人擔憂。隨著中國加入WTO后保護期的尾聲臨近，國內越來越多的壟斷行業(yè)開始逐步開放市場。中國的煙草行業(yè)，將在未來的幾年內面臨全面開放市場，進入國內市場國際化的全面自由競爭局面。長期以來，國家對煙草行業(yè)實行專賣制度，國家對煙草行業(yè)的發(fā)展方針是：既要適當滿足消費需要，又必須提高質量，改進配方，盡可能減少對消費者健康的影響。實行專賣有利于控制其生產和銷售，并課以重稅，這樣既可以保證國家財政收入，又可防止地方盲目發(fā)展。面對即將來臨的市場開放，中國煙草業(yè)有很多需要提高改進的地方，中國煙企大小加起來數(shù)百家，牌號有數(shù)百個，然而最強勢品牌的行業(yè)市場集中度也不超過2%。
企業(yè)介紹和項目背景
北京卷煙廠始建于1970年，是制造卷煙產品的國有重點骨干企業(yè)。老廠位于北京朝陽區(qū)管莊西里，總占地面積約11.2公頃，設計生產規(guī)模為年產16萬箱，制絲生產線1986年投產，迄今已運行使用了20多年，雖然不斷進行技術改造和設備更新，但都是修修補補，整體工藝流程不盡合理，對進一步完善、拓展混合型卷煙工藝形成了制約。技改前北京卷煙廠存在工藝落后、設備陳舊、廠房老化、設計生產規(guī)模低等諸多問題，這將直接制約或影響企業(yè)生產規(guī)模擴大、產品結構升級、產品質量提高等一系列發(fā)展問題。只有進行易地技術改造，新建大跨度、模塊化生產廠房，采用先進適合的工藝流程及技術，才能為實現(xiàn)“走向聯(lián)合、共同發(fā)展、共同壯大”、“做精做強”、“國內一流、國際先進”的企業(yè)戰(zhàn)略目標提供保證和實現(xiàn)可能。因此北京卷煙廠啟動了新廠區(qū)的技改建設，新廠區(qū)選址在北京市通州區(qū)，東西長約650米，南北寬約434米，設計生產規(guī)模為年產卷煙50萬箱250億支，同時預留了適當發(fā)展余地。
北京卷煙廠一直走發(fā)展低危害混合型卷煙，著力于研制中國特色混合型卷煙工藝，打造國內一流、國際先進混合型卷煙的生產、研發(fā)、出口和對外技術合作基地，專注于做大做強中南海品牌。
北京卷煙廠新廠區(qū)技改在工藝設計和設備配置方面,首先滿足了現(xiàn)有品牌生產工藝要求，保證質量穩(wěn)定，順利完成生產過渡。同時根據(jù)產品發(fā)展及工藝研究、發(fā)展的需要，配合分類加料、分組烘絲采用不同的工藝路線、流程參數(shù)實現(xiàn)更精細化的分類分組加工，形成北京卷煙廠的特色生產工藝。根據(jù)北京卷煙廠制絲線生產的特色加工工藝和生產組織模式的要求，需要設計建設一套全集成制絲管控一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化、圖形化、參數(shù)化控制和適度的信息化、自動化生產，滿足柔性化生產和靈活性加工的需要。以打造“數(shù)字化工廠”、“透明化工廠”, 徹底消除“信息孤島”，提高企業(yè)的市場競爭力。制絲管控系統(tǒng)通過構件化程序的設計和系統(tǒng)硬件和軟件柔性靈活的組合，最終實現(xiàn)建立一個柔性的、能夠隨需而變、操作簡便，能充分滿足生產工藝路線靈活組態(tài)和工藝路線選擇的操作平臺。
制絲工藝是衡量一個煙草企業(yè)是否具有先進性，是否具備市場競爭力，是否能不斷領先于競爭者的重要指標依據(jù)。制絲生產線主要由備料配葉、煙片預處理、制葉絲、白肋煙處理、煙梗預處理、制梗絲、摻配加香、貯絲喂絲八個工段組成。北京卷煙廠制絲車間新工藝設計緊緊圍繞提高工藝技術水平展開，實現(xiàn)工藝上的“三化”：設計系統(tǒng)化、控制智能化和加工精細化。
系統(tǒng)架構體系
制絲線自控集成及管控一體化系統(tǒng)主要分三大功能組件：數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行組件和監(jiān)控發(fā)布組件。數(shù)據(jù)采集組件又可以分為三類，分別是生產管理數(shù)據(jù)采集、設備數(shù)據(jù)采集、工藝質量數(shù)據(jù)采集;控制執(zhí)行組件負責生產相關數(shù)據(jù)的處理和生產下達指令的執(zhí)行;監(jiān)控發(fā)布組件負責生產狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的診斷、存儲和發(fā)布等。
生產管理數(shù)據(jù)來自于各生產工藝段或機臺，通過實時在線采集或關聯(lián)計算，為各級管理者提供制絲生產線的各類信息如當前的班次、人員、牌號、生產時間、相關數(shù)量等各種信息。設備數(shù)據(jù)主要是記錄設備的參數(shù)、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，計算設備的停機情況、設備開動率、設備空轉率等信息，同時也可人工記錄包括設備參數(shù)設定，設備點檢、備品備件和維修請求等信息。工藝質量數(shù)據(jù)的采集與分析主要是完成制絲生產線各工藝段質量數(shù)據(jù)的采集、人工處理和關聯(lián)計算以及與標準設定值的比較和分析，如相關工藝段中需要檢測的含水率、溫度、精度、比例、質量參數(shù)走勢分析與歷史同期比較等。
數(shù)據(jù)處理用于將采集的數(shù)據(jù)進行運算處理，執(zhí)行生產下達指令，常見的生產指令如將牌號、產量等計劃信息和相應的工藝參數(shù)下達到設備上，真正實現(xiàn)管控一體化，提高生產效率。
監(jiān)控發(fā)布功能集中在控制系統(tǒng)監(jiān)控中心施行，主要是用于監(jiān)控現(xiàn)場設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集檢測，接受控制指令，下傳控制信息的以監(jiān)控軟件為基礎的監(jiān)控系統(tǒng),同時包括用于生產監(jiān)控的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、生產信息發(fā)布系統(tǒng)、調試維護系統(tǒng)以及其它智能監(jiān)控系統(tǒng)等生產輔助系統(tǒng)。
各組件緊密集成，數(shù)據(jù)共享共同構成透明的信息平臺，主要包括監(jiān)控計算機、WinCC服務器、管理機、工程師站、實時數(shù)據(jù)庫IO服務器、DataMonitor服務器、Historain實時數(shù)據(jù)庫服務器、HistorianWeb服務器、打印機、網絡通訊設備、LED顯示屏、RIO站、PLC控制系統(tǒng)、現(xiàn)場智能儀表、智能設備等。集中監(jiān)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網將現(xiàn)場PLC與集中監(jiān)控層連接起來。集中監(jiān)控系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進行處理，與主控PLC進行數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)對全線的監(jiān)控和管理。監(jiān)控系統(tǒng)同時內置公開、開放的數(shù)據(jù)接口，便于與生產管理層的通訊。
北京卷煙廠制絲線自控集成及管控一體化系統(tǒng)整體架構圖
北京卷煙廠集中監(jiān)控中心從功能和系統(tǒng)配置方面劃分為集中監(jiān)控系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)和調試維護系統(tǒng)。在集中監(jiān)控中心，共配套8臺服務器、2套共4臺冗余配置的WINCC服務器、 1臺DataMonitor服務器、1臺實時數(shù)據(jù)庫I/O服務器、1臺實時數(shù)據(jù)庫服務器、1臺Historian應用及WEB服務器。
集中監(jiān)控中心系統(tǒng)采用當前先進而成熟的C/S模式。配置2套冗余配置的WINCC服務器，負責集控系統(tǒng)與現(xiàn)場PLC的數(shù)據(jù)通訊，負責所有的監(jiān)控功能(如畫面、歸檔、報警、腳本等)，所有監(jiān)控計算機作為WINCC服務器的客戶端，顯示監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)。配2套WINCC服務器可以合理的分擔服務器的負擔，避免出現(xiàn)一臺服務器負擔過重的情況。DataMonitor服務器作為WinCC服務器的客戶端，他負責將WinCC的監(jiān)控畫面進行發(fā)布。實時數(shù)據(jù)庫I/O服務器也是作為WinCC服務器的客戶端，它負責將所有的數(shù)據(jù)集中起來，共Historian使用，也為上層管理系統(tǒng)的MES讀取數(shù)據(jù)做好準備。實時數(shù)據(jù)庫服務器負責從實時數(shù)據(jù)庫I/O服務器中讀取相關的數(shù)據(jù)，并保存在自己的實時數(shù)據(jù)庫中。Historian應用及WEB服務器負責將保存在實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行各種分析和查詢，并以發(fā)布的方式提供給用戶。信息發(fā)布系統(tǒng)通過RS485和TCP/IP協(xié)議通訊將生產相關信息發(fā)布到現(xiàn)場LED顯示屏。集中監(jiān)控中心采用Siemens公司的WinnCC、DataMonitor、Historian完成生產過程數(shù)據(jù)實時采集、監(jiān)控、發(fā)布、存儲和分析等。
集中監(jiān)控中心網絡體系采用標準以太網將數(shù)采服務器、監(jiān)控計算機、管理計算機、工程師站、DataMonitor服務器、實時數(shù)據(jù)庫IO服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器及HistorianWeb服務器(另外還有管理數(shù)據(jù)庫服務器及管理Web服務器)組成一個內部局域網?？刂葡到y(tǒng)網絡采用工業(yè)以太網，使用光纖和Siemens工業(yè)交換機連成光纖冗余環(huán)網，數(shù)據(jù)采集服務器及各現(xiàn)場控制段共102套RIO站通過Siemens工業(yè)交換機連接到主干控制網絡上。數(shù)據(jù)采集服務器通過Siemens工業(yè)交換機與各現(xiàn)場控制段PLC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。另外工程師站也可通過Siemens工業(yè)交換機對現(xiàn)場控制段PLC進行編程維護。
制絲線自控集成及管控一體化系統(tǒng)項目配置及為滿足系統(tǒng)實時通訊性能，車間控制系統(tǒng)主干網絡采用1000M bit/s光纖環(huán)形冗余拓撲結構，配SIEMENS公司千兆模塊化交換機將工程師站、數(shù)采服務器、PLC 控制主站等接入主干工業(yè)以太網絡。主干網交換機均采用SIEMENS公司模塊化帶管理功能SCALANCE 414-3E交換機，便于網絡擴展和調整，交換機之間通過多模光纖組成的1000M冗余環(huán)網，作為監(jiān)控層與控制層間的通訊鏈路。
集中監(jiān)控中心通過接收MES系統(tǒng)或車間信息管理系統(tǒng)下達的生產調度計劃、工藝配方參數(shù)等信息，按計劃組織生產流程，根據(jù)分組加工實際需求選擇最佳工藝路線，監(jiān)視生產設備運行狀態(tài)、物料流轉狀況，采集和顯示生產線上的過程生產數(shù)據(jù)和故障報警信息，控制生產線各關鍵工藝參數(shù)，記錄重要工藝參數(shù)實時數(shù)據(jù)，以趨勢圖和報表形式反饋相應信息，同時按設定規(guī)則存儲到關系數(shù)據(jù)，為信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供基礎數(shù)據(jù)。
為了提高現(xiàn)場管理效果，根據(jù)需要在制絲線上采用LED漢字顯示屏，要求直觀、大方、醒目，且正確性、可靠性高、使用壽命長，環(huán)境適用性強。各個LED顯示屏是采用以太網通訊方式連接到控制計算機上的?？刂朴嬎銠C由中控室的管理計算機兼管，通過運行LED顯示控制軟件來實現(xiàn)與LED屏幕的通訊。管理計算機將從數(shù)采服務器中獲得的實時數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)庫中獲得生產信息經過LED顯示控制軟件處理后發(fā)送到相應的LED顯示屏。
各個LED顯示屏通過以太網連接到控制計算機上，控制計算機由中控室的管理計算機兼管，通過運行LED顯示控制軟件來實現(xiàn)與LED屏幕的通訊。管理計算機將數(shù)采服務器中的數(shù)據(jù)獲得實時數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)庫中獲得生產信息。經過LED顯示控制軟件處理后發(fā)送到相應的LED顯示屏。針對每個屏體，具備手工控制發(fā)送和自動發(fā)送兩種模式?？稍谫A葉柜、白肋煙、膨脹煙段等處配置5個交換機，各貯柜的條屏直接連接到交換機上，再與管理計算機通訊。
系統(tǒng)實現(xiàn)及關鍵技術
PROFINET一網到底：
PROFINET是PROFIBUS客戶、生產商與系統(tǒng)集成聯(lián)盟協(xié)會推出的在PROFIBUS與以太網間全開放的通信協(xié)議。PROFINET是一種基于實時工業(yè)以太網的自動化解決方案,它以一整套完整高性能并可升級的方式，可以為PROFIBUS及其他各種現(xiàn)場總線網絡提供以太網移植服務。PROFINET標準的開放性保證了其長遠的兼容性與擴展性，保護了用戶的投資與利益。PROFINET可以使工程與組態(tài)、試運行、操作和維護更為便捷，并且能夠與PROFIBUS以及其它現(xiàn)場總線網絡實現(xiàn)無縫集成與連接。這種跨越供應商的開放式標準建立在工業(yè)以太網基礎之上，覆蓋了工廠自動化的所有領域，它可以同時掛接傳統(tǒng)PROFIBUS系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設備,現(xiàn)有的PROFIBUS網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到PROFINET網絡當中，使整套PROFIBUS設備和協(xié)議能夠原封不動地在PROFINET中。PROFIBUS一網到底即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案。北京卷煙廠制絲線自控集成及管控一體化系統(tǒng)就是采用了PROFINET一網到底的現(xiàn)場總線解決方案，整個自動化控制系統(tǒng)使用了大量的帶PROFINET接口的變頻器和智能現(xiàn)場儀表。
分布式I/O站：
北京卷煙廠制絲線車間流水線分布于長260米兩側并行排列的位置上，如果按傳統(tǒng)的集中控制方式進行設計，需要敷設大量的各類儀表通訊線纜，而且集控中心盤柜的接線及日后維護也將非常繁瑣，但借助于PROFINET現(xiàn)場總線技術，整個制絲車間共使用了102個RIO站，儀表設備就近接入RIO站，然后RIO站通過網絡方式與集控中心交互，大大節(jié)省了線纜的使用量、減輕了系統(tǒng)維護的難度和較少了系統(tǒng)故障處理的時間。
生產控制:
為方便操作加強安全性，所有跟控制有關的功能集中在一個控制畫面里。比如葉組啟動和停止、選柜、修改批號和牌號、切絲機選擇等集中放在同一畫面監(jiān)控操作。
集中監(jiān)視：
畫面以三維立體畫面實時模擬顯示各主設備運行狀態(tài)。按生產流程將主設備、輔連設備和各測控點畫出，主設備像滾筒回潮機、加料機、烘絲機和流冷機等需標示其運行狀態(tài)及其相關參數(shù)。各測控點主要有振槽、皮帶、電子皮帶秤、水分儀、測溫儀、變頻器、行程開關、光電開關等，各測控點一般根據(jù)其實際位置顯示在監(jiān)控主畫面上。
單機模擬：
實時通過設備外形模擬圖及其詳細的管路圖來反映主要單機設備的運行狀況、設備參數(shù)和工藝參數(shù)等。主設備像回潮機、加料機、烘絲機等有其設備模擬圖。畫面以單機設備模擬圖和其管路圖為主，顯示設備主要電機運行狀態(tài)、相關參數(shù)(如入口水分、入口溫度、出口水分、出口溫度、電機頻率、加料流量累計量、蒸汽壓力等)以及整個單機設備所處狀態(tài)，如回潮機的預熱、工作、停機等狀態(tài)，加料機的預加料、加料、回料吹掃、清洗等狀態(tài)，烘絲機的加壓、預熱、啟動、生產、倒料、冷卻、停機等狀態(tài)。
貯柜信息：
各工藝段將貯柜集中在一個畫面里單獨管理，以各種形式顯示貯柜當前生產的批號、牌號、運行狀態(tài)(進料、存料、出料、待料)、底帶頻率、底帶脈沖、進料量/存料量、出料/存料百分比、進料/出料開始時間和結束時間等貯柜信息。同時各儲柜的批號、煙牌、進/出料狀態(tài)、底帶脈沖可加密修改，即可糾正因異常情況導致的貯柜信息錯誤，又能保證安全性，防止數(shù)據(jù)修改的隨意性。貯柜管理一般以列表的形式顯示各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，也可以將貯柜模擬圖單獨放大顯示，將其相關數(shù)據(jù)標注在周圍。
WINCC和STEP7的硬件診斷與監(jiān)控：
系統(tǒng)能自動顯示PLC控制系統(tǒng)錯誤信息，通過報警回路或自動跳到報警畫面，借助SETP7硬件診斷功能和程序快速診斷和定位故障，實現(xiàn)網絡診斷、通訊診斷、腳本診斷、S7 300/400診斷、Profibus DP/PA從站診斷、ProfiNet IO設備診斷、WINCC過程診斷等功能，直接在人機界面上定位錯誤并進行糾正，快速診斷有故障的機器/設備。
在線診斷幫助：
顯示網絡(總線)故障診斷、電控器件故障診斷、生產設備故障診斷、工藝參數(shù)超差診斷、異常報警和提示、操作幫助及提示等信息。各診斷信息根據(jù)實際測控點位置在相應畫面閃爍提示，并進入報警記錄數(shù)據(jù)庫，自動彈出報警窗口顯示詳細的故障診斷信息，以便操作管理人員及時發(fā)現(xiàn)、快速定位各項報警，做出及時處理。
開放性和擴展性：
考慮到制絲線采用不同廠家的主機設備及其監(jiān)控系統(tǒng)，各監(jiān)控子系統(tǒng)需要具有開放的總線、協(xié)議及數(shù)據(jù)接口，緊密集成無縫連接，才能高效可靠的完成制絲生產線的集中監(jiān)控功能，保證生產的順利進行和數(shù)據(jù)的完整有效性。例如集中監(jiān)控系統(tǒng)內部接口設計各子系統(tǒng)都開放了如下幾個功能模塊：當前生產計劃信息(包括批號、煙牌編碼等)存儲模塊、下一生產計劃信息(包括批號、煙牌編碼等)存儲模塊、貯柜狀態(tài)信息(包括批號、煙牌編碼、柜狀態(tài)、進料?等)存儲模塊等。
調試維護系統(tǒng):
隨著企業(yè)自動化程度的提高，設備、儀器及軟件的調試和維護重要性不斷提高，為方便系統(tǒng)調試及維護, 在中控室內配置專門的工程師站計算機負責整個制絲線電控系統(tǒng)的PLC程序以及監(jiān)控程序的調試、診斷和維護。
系統(tǒng)效益分析
安全效益分析：
自控集成及管控一體化系統(tǒng)通過對生產相關的關鍵信息，如設備狀態(tài)、工藝狀態(tài)、物料狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、能源品質、生產工單、產量、消耗等進行采集，并以直觀的形式表現(xiàn)出來，供生產管理者，特別是生產調度人員實時了解當前生產實況提供幫助，以便其做出正確的生產決策與指揮，同時診斷異常狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障苗頭并提前處理。
質量效益分析：
自動管控系統(tǒng)有力地保證了產品的質量，提高生產管理的科學性：通過生產監(jiān)視系統(tǒng)，實時了解制絲、卷接包生產和物流自動化的等生產現(xiàn)場的情況，為做出及時合理決策提供依據(jù)。實現(xiàn)了全程生產跟蹤監(jiān)測，滿足了MES根據(jù)相關法規(guī)和市場要求需要能提供生產物料的全程正向和逆向追溯功能的要求。
管理效益分析：
借助自動管控系統(tǒng)車間可以改進生產管理，提高產品質量，加快新產品研發(fā)。管理人員可以更有效的管理生產數(shù)據(jù)和生產流程，車間工作人員可以得到系統(tǒng)的決策支持信息，同時動化程度的提高減少了手工操作，這不僅節(jié)約了時間還大大降低了人工產生的錯誤。
生效效率效益分析：
北京卷煙廠新制絲車間工藝流程、設備布局與自動管控系統(tǒng)的結合使生產更加靈活性，有利于分組加工技術的研究與實施，突出原料特征，實現(xiàn)特色工藝，成品煙絲均勻性得到提高，自動、高效、智能的控制系統(tǒng)和信息反饋系統(tǒng)，使控制更加精確，操作更加簡捷，信息反饋更加及時，質量更加穩(wěn)定，品質更加優(yōu)質，極大地提高了北京卷煙廠的生產效率。
如需了解更多信息，請訪問
（轉載）
