基于GE PA的卷煙廠制絲線MES的設計

摘要：分析了卷煙廠制造執行系統的特點以及發展現狀。以PA平臺為基礎。設計了一套卷煙廠制絲線的制造執行系統，主要由系統管理、生產建模、生產管理、質量管理、設備管理、人員管理等模塊組成。該系統的開發大大提高了卷煙廠制絲車間的生產管理水平。

關鍵詞：GE PA；卷煙廠；制絲線；制造執行系統

0 引言

煙草行業作為一種特殊行業，兼有國家宏觀調控和市場經濟的特征。目前，煙草企業間的競爭加劇，難以依靠傳統技術及改造提升其競爭力。通過引入信息技術，全面實現企業信息化來提升企業綜合競爭力，已成為煙草工業企業贏得市場與利潤的有效手段。在煙草企業信息化中，制造執行系統(MES)是一個分布式系統，以管理、指揮、控制和協調生產為核心，在企業上層(決策管理層)和企業底層(生產過程控制層)間建立雙向信息交換通道，實現信息的縱向集成。

制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)是近10年來在國際上迅速發展、面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。GE電器公司的PA(Plant Application)系統采用了最新軟件技術的平臺化方案，是目前自動化業界集成度最高，開放性和易用性最好的產品平臺。它建立在微軟系統平臺上，依托于最新的Web服務架構和.NET技術。但是在國內煙草行業，GE PA系統平臺的應用還很少，目前主要只應用在汽車、零售、食品等少數行業。

1 系統總體設計

我們以許昌卷煙廠制絲車間為對象，以GE PA系統的平臺為基礎，結合煙草行業的特點，利用NET平臺開發了一套適用于卷煙廠的MES系統。系統由各種組件化應用模塊和系統連接器構成，信息流清晰。

系統功能模塊圖如圖1所示。系統從功能上可以分成四個部分，各種系統連接通過公共的系統連接服務實現。系統平臺包含了各種不同功能的后臺服務，如信息傳遞、安全驗證、報警、工廠模型的建立等。所有實時信息、歷史信息、各種報表以及分析結果均可以通過實時信息門戶顯示。各個功能子系統均有自己的應用模塊。應用模塊利用工廠模型機制和實時數據庫里的數據完成各種管理功能。

2 系統模塊設計

本系統主要由系統管理、生產建模、生產管理、質量管理、設備管理、人員管理、報表管理等子系統組成，各子系統又包含幾個功能模塊。各予系統之間相互關聯，它們的功能協作構成了一個功能完備、性能可靠的制絲生產線制造執行系統。

2.1 生產建模

2.1.1 生產設備建模

生產建模系統能夠根據車間的設備情況按照國際ISA95-標準對車間的生產情況進行動態的數字建模。整個平臺的數據以數字模型為基礎。當設備改動后，只需在數字模型中改動相應的設備即可，其他模塊會相應地自動改變。

建模對象和層次為：

車間->

工藝段/生產單元/存儲單元->

設備，主輔設備->

生產檢測變量組，工序/工段->

生產變量

2.1.2 生產事件的建模

定義生產設備及生產路徑上發生的各種生產事件，主要是生產單元批次事件、設備運行事件、貯柜狀態事件等。

2.1.3 生產單元劃分

生產單元是整個工廠模型的基礎，因此對生產單元的劃分很重要。

(1)生產單元

能獨立處理物料的最小工作單位，可以自行下發工藝參數，獨立的批號、牌號，單獨啟停，相鄰單元不得存在不同牌號。它是工藝路線的基礎元素。

(2)存儲單元

存儲單元為一組貯柜或者其他的大型存儲設備(主要是能保存一或幾批物料，且保存至少幾個小時以上)所劃分成的一個存儲單元。存儲單元是生產單元的源頭或者最終目標。因此需要與前生產單元或者后生產單元一起控制。

2.2 產品管理系統

產品管理系統負責煙廠產品以及相關的工藝配方管理。產品可以根據不同的產品家族進行管理，比如全配方、分組加工煙牌，香料廚房香糖料等。

不同煙牌產品可能要經過不同工藝設備的處理，因此需要制定不同產品的工藝路線。工藝路線由工廠模型中的生產單元組成。

保存每個產品的工藝參數、配方參數、設備參數的歷史版本，可以很清楚地掌握參數變更的記錄，制定參數時可以引用其他相近的煙牌參數，使得新增加的產品配方參的數維護具有靈活性；工藝參數制定后，車間只能查詢不能修改。制定計劃時，工藝配方參數會隨著選定的煙牌下發到PLC去進行生產控制。

2.3 生產管理

生產管理承擔著從計劃的執行到現場操作等很多重要任務，其主要功能包括：對生產過程進行統籌安排，提供對生產過程的指導，采集和錄入生產過程中的各種數據，對生產數據進行分類儲存、挖掘和分析，生成各種報告等。制絲車間計劃流程如圖2所示。

2.4 質量管理

質量管理是整個系統的重要模塊，能對各種質量參數進行統計分析，以彩虹圖形式實時顯示主要工序的生產數據，可以實時監控一個批次中某參數失控趨勢以及實時統計結果。

在本模塊中，可對過程參數進行質量數據查詢、分析；能對—個工段內的多個參數進行分析，查找生產中異常的原因。

對于檢驗數據，通過檢驗員錄入離線數據，輸入錄入時間后能和同時間的在線采集數據進行對比。

可對各個工段的參數進行實時SPC的X-R、X-S控制圖形分析，也可以查找歷史數據進行相應的SPC控制圖形分析。

2.5 設備管理

設備管理主要由以下幾個模塊組成：

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、故障原因、故障造成的后果等。利用以上基礎數據可進行設備運行效率和故障分析。

設備檔案管理。設備資料統一管理，可提高生產車間維護查詢設備資料的效率。

設備跟班維修。可以對維修過程進行全程跟蹤記錄、不同角色都可以查看到相應的維修過程的狀況，提高了設備跟班維修的效率。

日常檢修計劃。對現場出現的問題，或者潛在的問題制定檢查維修計劃，該計劃以任務的形式下發。

設備點檢管理。本模塊的運行很大程度提高了車間點檢的管理效率。

2.6 生產人員管理

車間管理人員可以實時了解整個車間的人員情況。

3 系統關鍵技術

(1)在國內煙廠中，我們是首先采用GE PA平臺搭建MES系統的。GE Proficy解決方案遵照$95標準，包括設備總體效率計算，跟蹤和生產統計在內的主要模塊的設計均與$95標準一致。在與ERP系統連接上，Proficy遵照了$95對象定義規范，通過目前流行的中間件方式連接各種主流ERP關系數據庫，連接的模型對象支持B2MML定義。

(2)采用了GE的HISTORIAL實時歷史數據庫，數據能以百毫秒級進行保存。由于該實時歷史數據庫采用了螺旋壓縮方式對采集到的數據進行壓縮保存，使系統能夠查詢和分析更長時間、更密集的原始數據，為質量統計分析、實驗數據分析、錯誤過程分析等提供了強大的數據支持。

(3)本系統可以從多種類型的數據源采集數據。對于需要實時顯示的數據，可以直接從監控系統服務器或者客戶端的SCADA中采集數據；對于歷史數據可以從實時歷史數據庫中讀取數據。同時通過OPC等可以從控制層直接采集數據。

(4)制造執行系統(MES)彌合了企業計劃層和生產車間過程控制系統之間的間隙，是制造過程信息集成的紐帶。本系統對于控制層和MES層采用相同的生產單元，將過去獨立的IT和自動化控制領域無縫地融合在一起。控制層和MES層采用相同的生產單元，在MES中以生產單元建模時，能夠實際合理地反映自動化層的控制邏輯，真正的發揮MES的實際作用，并且可以很好地提高生產效率和降低設備能耗。

(5)利用過程參數在線統計分析和彩虹圖，實時統計出煙廠需要的指標值，使重要工序的重要參數的控制過程可視化，提高了實時工藝水平，保證了關鍵過程能力的穩定。借助數據挖掘技術，有力支撐了工藝水平、過程控制的評價、分析、指導、考核。該質量系統使用戶可對采集的數據進行深層次的處理和分析，以獲取有價值的工藝參數和生產規律，來指導生產，同時也可以對生產進行多角度的考核，進一步提高生產效率和生產質量。

(6)系統在輔助調度單制定的同時，增加了差錯提示，生產技術科調度單下發后。還要經過車間主任、中控室操作工兩層確認，從而杜絕了生產調度中可能出現的人為失誤。

(7)維護人員只需要打開瀏覽器進行本系統的安裝。系統升級時，客戶端軟件會自動檢測到新軟件，進行自動升級，維護人員的工作量大為減少。

4 結束語

基于GE PA平臺的制絲車間制造執行系統，已在許昌卷煙廠投入運行。實踐表明，車間生產管理能力得到了很大的提高。