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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）無法進行分組加工調(diào)度，使進出柜和相關(guān)配比控制必須人工反復(fù)確認，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)的批量分析帶來嚴重負擔(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MES客戶端，讓用戶可以從統(tǒng)一入口登陸MES平臺和遠程監(jiān)控WEB平臺。
圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
圖2 MES服務(wù)管理層
3系統(tǒng)詳細設(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。
圖3 制絲車間生產(chǎn)線生產(chǎn)單元劃分情況
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)備進行改動后，只需在數(shù)字模型中對相應(yīng)的設(shè)備進行改動就可，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（負責(zé)車間的生產(chǎn)單元建模），公共信息（負責(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。詳細的結(jié)構(gòu)樹內(nèi)容見圖2.
圖4工廠建模主體頁面
圖5工廠建模結(jié)構(gòu)樹內(nèi)容
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)品家族進行管理，比如全配方、分組加工煙牌，香料廚房香糖料等。
圖6 產(chǎn)品家族的詳細樹形結(jié)構(gòu)
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。
圖7生產(chǎn)路線管理界面
圖8 生產(chǎn)路線的圖形標(biāo)示
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)進行制定，增加的產(chǎn)品配方參數(shù)維護的靈活性；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去進行生產(chǎn)控制�！�
圖9 工藝配方管理
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。
圖10 計劃處理流程
圖11 計劃調(diào)度畫面
3.4、質(zhì)量管理：
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。
圖12 彩虹圖分析
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)進行對比。
圖13 離線檢驗保存
圖14 離線檢驗查詢
對各個工段的參數(shù)進行實時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)。
圖15 PORTAL上的X-R 與X-S實時控制圖主頁
圖16 加料機出口水分X-R圖
同時能對過程參數(shù)進行質(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。
圖17 工藝參數(shù)統(tǒng)計分析
圖18 單個過程數(shù)據(jù)的歷史統(tǒng)計分析
圖19 多個過程數(shù)據(jù)的歷史統(tǒng)計分析
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。
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、每個崗位等進行維護管理，使車間管理人員可以實時了解整個車間的人員情況。
圖20 生產(chǎn)人員管理系統(tǒng)2
圖20 生產(chǎn)人員管理系統(tǒng)2
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�？刂茖雍蚆ES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)進行顯示分析，促進了實時工藝水平、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)進行多角度的考核，進一步提高生產(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，從而杜絕了生產(chǎn)調(diào)度中可能出現(xiàn)的人為失誤。
關(guān)于GE智能平臺
GE智能平臺是一個提供高新技術(shù)的企業(yè)，它為世界各地的用戶提供用于自動化控制的軟件、硬件和技術(shù)服務(wù)以及嵌入式計算。我們?yōu)橛脩籼峁┮粋�獨特的，靈活的，超可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，使得他們在包括能源、水處理、消費品、國防和防御，以及通訊等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域獲得持續(xù)的優(yōu)勢。GE智能平臺是一家總部設(shè)在美國弗吉尼亞州的夏洛茨維爾的全球性企業(yè)，是GE企業(yè)解決方案集團公司的一員。想獲取更多信息，請訪問：www.ge-ip.com。
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