GE Proficy HMI/SCADA - iFIX 在烟草卷接包数据采集系统中的应用

　　一、应用背景

　　卷接包数据采集系统是安徽中烟工业公司芜湖卷烟厂“十五”重点技改工程项目之一，是企业生产执行系统（MES）的重要组成部分，也是企业信息化的基础。本系统建立了一套面向整个卷接包工序的现场设备数据采集系统，实时、准确地采集现场设备的各种生产、设备、质量、消耗数据，为企业各级管理提供卷包数据服务。以车间数据采集为基础，建立一个车间级的生产指挥调度中心。通过对各设备运行情况的实时监控和分析，科学、及时地对现场生产进行调度指挥，确保生产的有序和可控。

　　该系统实现以下几个目标：

　　1.实现卷接包工序各种设备现场数据的全面、准确、实时采集；

　　2.实现现场管理的信息化，规范和强化现场管理；

　　3.以数据采集为基础，搭建一个车间级的生产指挥调度中心，通过对设备运行情况、生产过程、产品质量的实时监控与分析，科学实时对生产进行指挥调度，确保生产的有序和可控；

　　4.实现与MES 系统等企业信息系统的全面数据集成，最终实现制造数字化的总体目标。根据系统的总体建设目标，该系统主要功能包括数据采集、现场管理、过程监控以及MES 集成与执行。

　　二、系统解决方案

　　1、卷接包生产工艺流程

　　卷接包生产包括成型发射生产、卷烟生产、包装生产、条烟输送、装箱生产，以及相关辅助系统如风力送丝系统、负压除尘系统、储丝柜系统等。其生产流程图如图1 所示：

　　图1 卷包生产工艺流程图

　　2、卷包数采系统体系结构

　　卷包数采系统体系结构图详见图2 所示。

图2卷包数采系统体系结构图

　　3、系统网络拓扑结构

　　为确保网络通讯的可靠性，卷包数采系统采用西门子OSM 为核心构建数采工业光纤环网，硬件拓扑结构如下图（图3）所示：

图3 数采光纤环网拓扑结构图

　　4、系统实现方案设计

　　现场数采站软件运行在WINDOWS2000 PRO 平台上，采用VC 编程，主要包括现场设备数据采集、本地监控与终端汉化、现场管理等功能。

　　4.1 数据采集功能

　　数据采集是该项目最重要和最基本的功能。针对不同设备特点，量身定制出相应的数采策略，实时采集各设备的生产、消耗、设备、质量等数据。虽然卷包设备千差万别，但其数采软件处理都遵循以下流程（见图4）：

图4 数采软件处理流程

　　设备数据接口是由设备电控系统完成的；数采装置数据采集（数据接口和数据处理）、数据通信是由现场数采装置完成的；数据收集和存储、信息下发是由数据库服务器上的数据通信平台完成的。

　　4.1.1 设备数据接口

　　设备数据接口是指设备本身能够提供相应的数据输出方式，使数采装置可以实时获取设备的各种原始数据。芜湖卷烟厂大部分卷包设备已具备数据接口功能，部分设备需要新增或完善其数据接口功能，具体列表如下（见表1）：

　　通过对各种设备电控系统的分析和解剖，彻底了解其数据通信硬件接口方式和软件数据交换协议，是实现各种设备数据采集的基础。同时，如果设备本身不具备完整的数据接口功能，则必须通过增加相关硬件设备或修改PLC 程序来提供数据接口功能。

　　4.1.2 数采装置数据采集

　　数采装置数据采集是卷包数采系统的核心。包括数据接口和数据处理两部分功能。数据接口就是按照设备数据接口协议的要求，通过相应的硬件连接，从设备上实时获取原始数据；数据处理就是以设备原始数据为基础，按照一定规则进行处理，最终形成各种有效、准确、全面的现场数据。

　　只要全面了解了各种设备的数据接口特性，利用相关接口卡所提供的驱动程序，遵循设备数据接口协议，即可以快速实现其数据接口功能。

　　数据处理也是数采系统的一项关键技术，需要许多实施经验支持才能使数据的处理更加有效和准确，例如从原始数据中剔除不真实的数据，正确处理数据的日期、轮班；自动结帐处理等等。

　　数据采集的最终结果（数据处理的输出）是适应于管理需要的结构一致的数据记录。

　　4.1.3 数据通信

　　负责数采站与应用服务器间的数据双向传输。其特点是：

　　1）当数采网络和服务器发生故障时，现场数据保存在本地；当恢复正常时，自动将历史数据上传，确保数据的完整性。

　　2）同一型号设备（如所有包装机组，不管是GD、还是B1），其数据通信模块是相同的；不同设备类型之间的差异也非常小。

　　4.1.4 数据通信平台

　　这是一个专门的卷接包数采数据通信平台。该平台完成各数采站的数据收集和存储以及相关信息的下发功能，性能稳定、扩充性强。

　　4.2 本地监控与终端汉化功能

　　在数据采集的基础上，以图形和表格等形式实现设备运行情况的本地监控与异常报警，指导现场操作和生产。包括概要图显示、故障报警、生产设备质量消耗实时（历史）数据查询、在线故障诊断帮助等功能。此外，GDX2 包装机组和和B1 包装机组数采站可以完全实现原设备显示终端上的所有功能并进行汉化，可以替代原有显示终端。

　　4.3 集中监控系统

　　在集中监控系统中采用 GE 的 Proficy HMI/SCADA - iFIX 的监控软件， 并利用iWebServer 通过 Web 服务器发布，客户端可以使用标准 Web 浏览器看到 SCADA Server上的实时动态数据。上位监控计算机对整个卷接包生产过程，包括成型发射、卷接机、包装机、条烟输送、装封箱机，以及相关辅助系统如风力送丝系统、负压除尘系统、储丝柜系统等进行实时有效的监控。同时监控计算机和现场数采站通过和数据库服务器的连接，具备了全线信息查询的功能。

　　特色：

　　集中监控层采用了 GE 的 Proficy HMI/SCADA - iFIX 的监控软件，使得该项目在实施过程中能够精确监视、控制整个卷包生产过程，优化生产设备和企业管理资源。并能对事件快速反映，减少原料消耗，提高生产效率。由于该系统采用 GE 的Proficy HMI/SCADA - iFIX 的监控软件，具有以下特色功能：

　　3D 化的图形界面:

　　Proficy HMI/SCADA - iFIX 提供了强大的绘图功能，绘图工具可以快速地创建所需的图形动画，根据需要可以调用丰富的位图，基于 Proficy HMI/SCADA - iFIX 强大的绘图功能，该系统采用了大量 3D 的图形界面。 根据生产线的工艺平面布局和物料流向，通过形象的设备外形图符方式模拟显示系统状态、操作模式、各个卷包设备和连接辅助设备的运行状态、作业任务执行状态以及各卷包机组生产牌名、生产班次、总产量、生产数据、重量数据、剔除数据、废品数据、停机数据等当前值。

　　如下图所示：

卷接包生产工艺概要图

　　装封箱机组平面图

　　条烟输送平面图

　　储丝柜平面图

嘴棒发射机组平面图

　　使用 VBA 编辑具有向导功能页面:

　　该系统具有的向导功能页面指的是利用 VBA 代码编写的具有向导功能的页面。由于该系统未配置 Historian，所以系统设置两台高性能的 PC 服务器实现冗余配置。一方面，集中监控计算机将现场采集的主要数据定时汇总存入数据库服务器，提供制丝线控制系统对关键生产、设备、工艺数据的缓存能力，另一方面，I/O 服务器提供的 OPC 2.0 服务又作为制造执行系统（MES）的生产实时数据的来源。由于生产执行系统需要下发生产计划，和集中监控层存在一定的数据信息交互。在系统中利用 iFIX 提供的强大的 VBA 代码编写了具有向导功能的页面。通过该向导，系统可以引导用户完成一系列复杂的信息交互。前台的表现形式都是简单清晰的图形界面，后台由 VBA 编写代码完成大量的数据交互，有效提高了系统的执行效率。

　　如下所示为一个流程的向导页面：

　　标签组编辑器的大量运用:

　　由于在该系统中具有大量重复调用的页面，所以我们根据 Proficy HMI/SCADA - iFIX 提供的标签组编辑器和VBA 代码开发了具有组态功能的图符，当我们打开或切换画面时，系统可以读取标签组文件，并使用其中所定义的过程值替代图中的标记。下图为在该工程中大量调用的电机页面，采用了 Proficy HMI/SCADA - iFIX 中 VBA 代码、图符、标签组的功能。

　　监控系统系统 WEB 发布功能:

　　由于系统采用了 iWebServer，通过监控网络和 Web 服务器提供的 Web 发布服务，集中监控系统可以将制丝线生产过程监控画面发布到相关的生产部门。用户只需通过 Web 浏览 器即可查看生产线总体状态、主机设备监控画面、工艺参数的实时趋势等生产过程信息， 发布的信息可以和监控系统的运行画面保持一致。

　　4.4 现场管理

　　现场管理是企业信息化向机台现场的延伸，是规范生产行为，强化现场管理的一个重要手段。现场管理软件功能开发的宗旨是使机台操作人员以最简单的操作，实时录入管理所需的各种信息，同时全面、直观获取现场生产所需的相关信息。主要包括现场数据录入和现场信息查询等两大部分功能。

　　现场数据录入主要包括质量自检、维修请求、设备维护信息、设备运行状态、换牌确认、交接班记录等现场信息的录入功能。是设备自动数据采集的补充，实现了现场管理的信息化。现场信息查询主要包括生产计划、换牌通知、生产调度指令、各机台产量对比情况等信息的查询功能。通过该功能的实施，确保了现场人员严格按标准和调度指令进行生产，加快了异常事件的反馈处理速度。当现场数采站接收到重要信息时，该信息将立即自动弹出。

　　4.4.1 现场数据录入功能

　　数采系统除了自动实时采集设备上的各种现场数据外，还有很多管理所必需的数据是要通过人工录入的方式来采集的，数采系统提供了这些数据的录入功能。

　　1） 质量自检数据的录入

　　包括外观检验情况和烟支重量数据等两种。外观数据包括检验时间、产品段、缺陷名称、缺陷数量、处理措施等，机台人员只要录入相应的编号代码（缺陷代码、处理措施代码等）及数量即可，操作简单。

　　2） 维修请求、维修记录及设备运行状态的录入

　　机台出现设备故障后可以通过机台数采站发出维修请求，维修请求经服务器转送到维电班。因此，在维电班设有一个查询终端，该查询终端可以实时监视整个车间设备运行状况，在接收到维修请求后，维修工可立即到达现场对故障进行确认和维修，设备恢复正常运行后，解除相应的请求并录入相应的设备维修记录（故障现象、故障原因、维修时间、换件情况及维修结论等），维修时间是由系统自动计算的，在没有授权情况下，维修工无权改动，确保了数据的客观性。

　　为了更加准确地采集设备的运行状态，机台上还提供了特殊设备运行状态的录入功能，这些状态包括调度停机、设备调整、换牌、卷包不平衡（待料）、试用原辅料等。

　　3） 换牌确认

　　机台换牌前将接收到换牌通知，机台人员在作好相应的换牌准备工作并开始换牌生产时，应该进行相应的换牌确认。这样就能确保数据所对应牌号的正确性。

　　4） 交接班信息的录入

　　录入交接班信息、带班长交接班信息等数据。在大量历史数据的分析统计基础上，我们对交接班信息进行了归类，录入时只用选择相应的选项避免了在机台上录入汉字。

　　4.4.2 现场信息查询功能

　　1） 生产计划情况查询

　　查询本机台所在资源组ERP 系统每天下发的生产计划

　　2） 调度通知查询

　　包括车间或各班长下发的各种调度通知的查询、历史通知记录的查询以及工艺调度通知、换牌通知等的查询。

　　3） 各机台产量对比查询

　　实时查询各机台产量对比情况。

　　4） 机台维修记录及维修经验查询

　　实时查询本机台维修记录及相关维修经验支持。

　　三、 结论

　　2005 年10 月，芜湖卷烟厂“十五”技改项目通过总体验收。该系统通过对卷接包生产过程中产生的各种基本数据信息进行监视，了解生产的最新进展，以便对生产过程实施有效控制；对生产过程中出现的设备故障或工艺质量问题、物流状态等异常情况及时报警提示，以便及早控制与处理。可以快速而容易地发现有关的事件和趋势，并对将要发生的问题及时做出响应，同时将各种可分配资源有效地分配给最需要的生产工艺流程中。

　　本系统具有高度的扩展性和稳定性，维护方便。通过几年来的使用和跟踪观察，GE Proficy HMI/SCADA – iFIX 至今运行安全、稳定、可靠、高效，标准的 VBA 语言，更体现了本系统的可扩展性与可维护性，对于当前越来越庞大和复杂的烟草自动化控制系统是一种非常好的解决方案。

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