许昌卷烟厂“九五”制丝线中控系统改造项目制造执行系统设计

1 前言

　　许昌卷烟厂“九五”制丝线中控系统2000年设计，2001年12月投入正式运行。随着新产品、新技术、新工艺的不断发展，及新版工艺规范的推广应用，目前在系统运行上存在很多不适应的情况。

　　（1）原中控系统为第一代研制产品。原设计的各工序控制模块间高度关联，整个系统呈钢性结构，稍加改动，就影响整个系统运转。与现行的高内聚、低偶合的设计思想完全相反。新增设备或工艺调度模式无法集成进MES系统。

　　（2）当时设计时为单批、单柜操作调度，随着我厂合并批次生产、分组加工、回丝掺配、烟丝转存等多道工序改造的实施和应用，已使得其调度模式无法进行控制，多数生产操作隔离在调度系统之外，从MES系统看，已处于调度失控状态。

　　（3）无法进行分组加工调度，使进出柜和相关配比控制必须人工反复确认，操作高度紧张，压力大，易出错。

　　（4）实际批次信息也无法有效跟踪。给批次生产情况数据追溯和工艺数据的批量分析带来严重负担或漏洞。批量历史批次数据出现较大范围内无法关联问题。

　　基于解决以上问题，提出了本次制丝线中控系统改造项目。

　　2 系统总体设计

　　2.1 系统平台选择

　　制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)是近10年来在国际上迅速发展、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。GE 电气公司的Proficy Plant Application（以下简称GE PA）系统是利用了最新软件技术的平台化方案，是目前自动化业界集成度最高，开放性和易用性最好的产品平台。它建立在微软系统平台上，依托于最新的 Web 服务架构和.NET 技术。目前主要应用在烟草、汽车、零售、食品等行业。

　　2.2 系统总体结构

　　本项目以GE PA系统的平台为基础，结合烟草行业的特点，利用.NET平台进行二次开发，设计出一套适合卷烟厂的MES系统。通过GE PA各种组件化应用模块和系统连接器形成一个整体的解决方案，具有清晰的信息流和模块构成。

　　系统功能模块图见下图1系统整体解决方案，最下层为IFIX数据采集层，主要有制丝主线IO数据采集系统，HXD数据采集系统，采集数据中重要的参数保存到GE Proficy Historian (以下简称IH)数据库中，用于MES层查询统计分析等，ORALCE数据库用来保存质量检验数据，质量统计数据以及设备管理等内容，通过GE PA各种组件化应用模块和系统连接器与IH和ORACLE数据库相连。许昌MES以GE PA平台为基础，二次开发出适合于卷烟厂的MES服务层和客户端。同时把PORTAL信息门户也集成进MES客户端，让用户可以从统一入口登陆MES平台和远程监控WEB平台。

　　图1系统总体结构图

　　图2 MES服务管理层

　　3系统详细设计

　　本系统主要由系统管理、生产建模、生产管理、质量管理、设备管理、人员管理、报表管理等几个子系统组成。其中各子系统又分别包括几个功能模块，各子系统之间相互关联、相辅相成，它们之间的功能协作构成一个功能完备、性能可靠的制丝线制造执行系统。

　　3.1生产建模

　　3.1.1生产单元划分

　　 生产单元是整个工厂模型的基础，因此对生产单元的划分很重要。

　　（1）具体的生产单元划分：

　　能独立处理物料的最小工作单位，每段自己下发工艺参数，独立的批号、牌号，单独启停，相邻段不得存在不同牌号，作为工艺路线的基础。

　　（2） 存储单元：

　　存储单元为一组贮柜或者其他的大型存储设备（主要是能保存一或几批批物料，且保存至少几个小时以上）可划分成一个存储单元，存储单元是作为生产单元的源头或者目的。因此和前生产单元或者后生产单元一块控制。

　　图3 制丝车间生产线生产单元划分情况

　　3.1.2 生产设备建模

　　生产建模系统能够根据车间的设备情况按照国际ISA95标准对车间的生产情况进行动态的数字建模，整个平台的数据以数字模型为基础；当设备进行改动后，只需在数字模型中对相应的设备进行改动就可，其他模块会相应的自动改变。

　　工厂建模内容主要分为部门建模（负责车间的生产单元建模），公共信息（负责生产过程中的公共基础信息建模），贮柜信息和物料信息。详细的结构树内容见图2.　　

图4工厂建模主体页面

图5工厂建模结构树内容

　　3.1.3 生产事件的建模

　　生产事件建模对生产设备及路径上发生的各种生产事件进行定义，主要是生产单元批次事件、设备运行事件、贮柜状态事件等。

　　3.2 产品管理系统

　　产品管理系统负责烟厂产品以及相关的工艺配方管理，产品可以根据不同的产品家族进行管理，比如全配方、分组加工烟牌，香料厨房香糖料等。　　

　　图6 产品家族的详细树形结构

　　对于不同烟牌产品可能会经过不同的工艺设备，因此需要制定不同产品的工艺路线，工艺路线由工厂建模中的生产单元组成。

　　图7生产路线管理界面

　　图8 生产路线的图形标示

　　同时每个产品的工艺参数、配方参数、设备参数可以保存所有做过的版本，可以很清楚的知道这个烟牌的参数变更的版本记录，制定参数时可以从其他的相近的烟牌引用参数进行制定，增加的产品配方参数维护的灵活性；工艺参数由工艺制定后，车间只能查询不能修改，制定计划时，工艺配方参数会随着选定的烟牌下发到PLC去进行生产控制。　

　 图9 工艺配方管理

　　3.3 生产管理

　　生产管理承担着从计划的执行到现场操作的很多重要任务，其主要功能是建立在生产配置基础上的。通过对生产过程进行统筹安排，提供对生产过程的指导，生产过程中对各种数据的采集和录入，对生产数据进行分类储存、挖掘和分析，生成各种报告用以跟踪和研究生产过程，提高对生产过程的控制力。

　　图10 计划处理流程

图11 计划调度画面

　　3.4、质量管理：

　　质量管理是整个系统的重要模块，能对各种质量参数进行统计分析，由于MES的数据以IH数据库为主要数据源，IH数据库能以百毫秒级的粒度保存数据，保存只要硬盘足够大，可以保存很长时间的数据，因此管理系统能很方便的取到所需要的数据，用于各种质量分析。

　　以彩虹图形式实时显示主要工序的生产数据，能对生产数据有一个直接快速的了解，可以实时监控一个批次中该参数失控趋势以及实时统计结果。

　　图12 彩虹图分析

　　对于检验数据，通过检验员录入离线数据，输入录入时间后能和同时间的在线采集数据进行对比。

　　图13 离线检验保存

　　图14 离线检验查询

　　对各个工段的参数进行实时SPC的X-R、X-S控制图形分析，也可以查找历史的数据进行相应的SPC控制图形分析，真正的实现过程控制、分析以及预测，然后用于指导生产。

　　图15 PORTAL上的X-R 与X-S实时控制图主页

　　图16 加料机出口水分X-R图

　　同时能对过程参数进行质量数据查询、分析；同时能对一个工段内的多个参数进行同时分析，查找生产中异常的原因，有助于提高生产能力。

　　图17 工艺参数统计分析

　　图18 单个过程数据的历史统计分析

　　图19 多个过程数据的历史统计分析

　　3.5、设备管理：

　　设备管理主要以以下几个模块为主：

　　工艺段效率管理主要记录工艺段的总体运行时间、有效运行时间、故障运行时间，同时录入故障时间和原因、是否造成该工艺段停产等，通过以上基础数据等进行设备运行效率和故障分析。

　　设备档案管理，把设备的资料统一管理起来，提高生产车间维护查询设备资料的效率，能更加方便的查询相应设备的相关资料。

　　设备跟班维修，可以对一个维修过程进行全程跟踪记录，不同的角色都可以很清晰的查看到相应的维修过程的状况，增加了各个负责人之间意见的实时传递，很大的提高了设备跟班维修的效率。

　　日常检修计划指对于现场的一些已经出现的问题，或者潜在的问题的一种维护性的有计划的检查维修。该计划以任务的形式制定并下发，跟踪维护。

　　设备点检管理，没很大程度提高了车间点检管理效率。

　　3.7、生产人员管理：

　　对车间每个生产人员、每个岗位等进行维护管理，使车间管理人员可以实时了解整个车间的人员情况。

　　图20 生产人员管理系统2

　　图20 生产人员管理系统2

　　4项目特点

　　（1）国内烟厂首先采用GE PA 系统平台搭建MES系统并正式上线运行，GE Proficy 解决方案的应用架构从设计到应用模块上均参照 S95 标准的要求，其主要模块质量，生产和效率（包括设备总体效率计算，跟踪和生产统计）均与S95标准一致。在与ERP 系统连接上， Proficy 遵照了 S95 对象定义规范，通过目前流行的中间件方式连接各种主流ERP 关系数据库，连接的模型对象支持 B2MML定义。

　　（2）采用了GE的 HISTORIAL实时历史数据库，数据能以百毫秒级进行保存，由于该实时历史数据库采用了螺旋压缩方式对采集到的数据进行压缩保存，可以使系统能够查询和分析到更长时间、更密集的原始数据，对于质量统计分析、实验数据分析、错误过程分析等提供了强大的原始数据。

　　（3）本系统可以从多种类型的数据源采集数据，对于那些需要实时显示的数据，可以直接从监控系统服务器或者客户端的SCADA中采集数据点，对于大量的历史数据可以从实时历史数据库中读取数据，同时可以通过OPC等直接从控制层直接采集数据，丰富了系统的数据来源。

　　（4）制造执行系统(MES)软件弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隙，是制造过程信息集成的纽带。但是控制层和MES怎么最好的结合，本系统对于控制层和MES层采用相同最小的生产单元，将过去独立的IT和自动化控制领域无缝融合在一起。控制层和MES层采用相同最小的生产单元,在MES以生产单元建模时能够实际合理的反映自动化层的控制逻辑，真正的发挥MES的实际作用，并且可以很好的提高生产效率和降低设备能耗。

　　（5）独特的过程参数分析系统和彩虹图实时分析系统以及PA趋势图形显示。通过过程参数在线统计分析、彩虹图方式和PA趋势图形显示，使重要工序的重要参数的控制过程可视化，并实时的统计出烟厂需要的指标值，同时能对多个相关参数进行显示分析，促进了实时工艺水平、关键过程能力稳定。同时借助数据挖掘技术，有力支撑了工艺水平、过程控制的评价、分析、指导、考核工作。该质量系统使用户对采集的数据进行深层次的数据处理和分析，有利于用户获取有价值的工艺参数和生产规律，来指导生产，同时也可以对生产进行多角度的考核，进一步提高生产效率和生产质量。

　　（6）生产调度单制定，稍一疏忽就会引发生产事故。系统在辅助调度单制定的同时，增加了差错提示；生产技术科调度单下发后，还要经过车间主任、中控室操作工两层确认，从而杜绝了生产调度中可能出现的人为失误。

　　关于GE智能平台

　　GE智能平台是一个提供高新技术的企业，它为世界各地的用户提供用于自动化控制的软件、硬件和技术服务以及嵌入式计算。我们为用户提供一个独特的，灵活的，超可靠的技术基础，使得他们在包括能源、水处理、消费品、国防和防御，以及通讯等产业领域获得持续的优势。GE智能平台是一家总部设在美国弗吉尼亚州的夏洛茨维尔的全球性企业，是GE企业解决方案集团公司的一员。想获取更多信息，请访问：www.ge-ip.com。