批次控制技術在制絲線上的應用

林德民

(廈門煙草工業有限責任公司，福建 廈門 361022)

0 引言

近些年，隨著國家煙草專賣局對煙草行業柔性化生產、精細化管理要求的不斷提高，“中式卷煙”得到了行業內外的一致重視，并得到了積極的推廣。煙草生產企業的制絲生產線，作為卷煙行業的核心工藝段，可以說是整個卷煙行業的靈魂部分，是煙草生產企業最重要的環節，直接決定卷煙產品的質量。近年來，各企業在制絲生產線上進行了很多技術改造和創新。隨著卷煙工業分組加工技術的發展和按客戶訂單組織貨源的變化，行業越來越關注柔性制造技術在卷煙生產中的應用［1］。為實現生產過程柔性化，基于ISA88國際工業標準和一定的原則，本文對整個生產線的所有生產單元進行了詳細劃分和重組，從而構建了支持柔性化生產的制絲生產線集控系統［2－3］。

本文遵循 ISA88的標準概念，結合 GE Proficy Batch控制技術的特點，分析了煙草生產企業制絲線的發展趨勢和工藝控制的要求，以及Proficy Batch控制技術在制絲線中應用的優勢，展現了該控制技術在制絲線上的應用實現過程。

1 關于ISA88標準

1.1 ISA88標準的概念和特點

ISA88是基于工業生產的需要而發展起來的，通常稱為S88標準，是一種定義了生產過程和設備控制模型和術語的國際標準。S88標準共分為4個部分，分別是 S88.01、S88.02、S88.03、S88.04。這 4 個部分的主要內容分別為批處理控制定義、批處理的模型、配方管理以及對生產記錄的詳細執行。

其中，S88.01(全稱為 NISA-ISA88.01-1995)對批處理的模型給出了詳細的定義，是目前在各個行業應用比較成熟的部分。批處理模型包括物理模型 (physical model)、配方模型 (recipe model)、過程模型 (procedural model)以及處理模型(process model)。基于這個層疊模型，對工藝設備中所有可能涉及的功能進行標準的編程。S88規范將物理模型劃分為企業集團、工廠、車間，過程單元(process cell)、設備單元(unit)、設備模塊(equipment module)和控制模塊(control module)。其中屬于批次(batch)范疇的包括過程單元、設備單元、設備模塊、控制模塊，控制模塊在PLC中定義。

1.1.1 物理模型

S88.01提供了一種層疊物理模型，用來對物理設備進行結構化的描述。基于這個模型，可以將工藝設備分為若干部分，并對所有的部分可能涉及到的功能進行編程。S88.01物理模型示意圖如圖1所示。

圖1 S88.01物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the S88.01 physical model

在上述模型結構中，模型底層的4層物理模型分別定義如下。

過程單元:一組邏輯組合的設備組，包括完成一個批次所需的設備。

設備單元:一組相關的控制模型和設備組件以及其他的過程設備，在這里執行一項或多項重要的工藝過程活動。

設備模塊:一個功能設備組合，在這里完成特定的、有限的、較小的工藝活動。

控制模塊:物理模型中的最低級別，可以執行最基本的控制活動。

通過這4個基本的模塊，可以將S88關注的重點通過模型化的方式建立起來。

1.1.2 配方模型

配方模型是定義生產特定產品所必需的所有的信息。S88.01共定義了4種類型的配方——通用、地點、主站和控制。每種配方包括了不同的級別，最高級別定義了整個的工藝過程，最低級別定義了實現的過程，逐步細化，直至生產出最后的產品。

其中主配方主要包括頭信息、過程控制定義(包含順序控制和設備協調)、安全和適應信息、設備需求和配方公式(formula)。控制配方是依據某一個特定主配方定義的產品單批次生產配方，用來計劃和生產單一批次產品。

1.1.3 過程模型

為了完成一個批次生產所需的層次活動模型，過程模型允許配方通過重復使用通用指令來生產多種不同的產品。

1.1.4 處理模型

S88的核心之一是把設備的控制和產品生產工藝控制相分離，從而實現使用相同的設備、執行不同的工藝過程、生產出不同的產品的功能。

1.2 S88標準下的工作流程

批次的工作流程一般由以下幾個過程組成:①根據生產設備的物理布局和設備特點，建立設備的物理模型;②根據加工處理要求，建立過程模型;③根據工藝加工要求，建立工藝配方;④根據產品訂單，生成批次指令并對批次加工指令進行排程;⑤調度執行批次生產，批次生產時調用需要的控制配方;⑥對批次生產進行監控執行;⑦執行完成，產生批次報表、歸檔生產數據等。

2 GE Proficy Batch軟件

GE Proficy Batch軟件是基于ISA S88標準的、用于批次生產控制的、靈活的模塊化應用軟件。它具有強大的監督控制能力，可以實現全面的數據采集、強大的批次管理和清晰的過程可視化功能，滿足批次生產的需求。

2.1 GE Proficy Batch 的特點

作為商業化的批次控制軟件，GE Proficy Batch軟件實現了圖形化組態，可以根據生產工藝對設備進行配置，編寫程序，實現生產過程的批次化和柔性化。其平臺技術包括:ISA S88.01(批次模型)、IEC 61131-3 SFC程序語言、Microsoft COM/DCOM、Windows 2000/2003 ＆ Windows、OPC(OLE for process control)。GE Proficy Batch軟件可以快速、簡單和高效地在批次執行應用中進行開發，可以對工廠設備進行建模，添加設備路徑、設備優先級和設備狀態，創建和管理可重復使用的配方內容;也可以在這個工作臺中編輯設備和配方，開發畫面甚至配置安全和報警。

2.2 GE Proficy Batch的系統結構

Proficy Batch的系統結構如圖2所示。

圖2 Proficy Batch系統結構Fig.2 Systematic structure of Proficy Batch

GE公司的Proficy Batch軟件在結構上是標準的C/S結構，服務器端按照Unit數量的大小可分為小、中、大3種;客戶端按照功能可分為開發和運行兩種模式。在通信接口上，數據下聯可以通過OPC的方式和PLC/DCS/SCADA進行數據通信;上聯部分可以通過標準的商業信息系統(business information system，BIS)方式和企業資源計劃(enterprise resouce planning，ERP)以及制造執行系統(manufacturing execution system，MES)進行數據通信。

3 批次控制技術的實現

3.1 工藝流程和控制要求

廈煙制絲集控系統實現了制絲車間的生產管理、質量管理、工藝管理、設備在線和靜態管理等功能，具體包括生產工單接收、配方和工藝標準下發、生產過程管控、生產統計、消耗統計等。該系統與片煙物流倉庫、箱式儲絲系統集成，可實現系統數據共享，構建一個完整的制絲集控管理體系，實現系統化設計、精細化加工、快速化反應、智能化控制、信息化管理等功能。制絲線工藝路徑如圖3所示。

圖3 制絲線工藝路徑圖Fig.3 Technology path of the tabocoo cutting production line

批次處理控制在理念上采用了面向產品的設計思想，即以設備模型為基礎，將整個加工過程按單元進行管理，以配方的形勢對產品進行定義。在配方定義中將工藝參數和工藝過程相分離，在工藝參數中又將輸入物料、輸出物料和過程參數進行分離，比較符合分組加工所需要的分段化、模塊化、個性化和通用化的理念。工藝工程師只需通過對配方模型的設計就能實現產品的設計要求，使產品的整個加工過程具有較強的柔性，加快了新產品的研發速度，免除了過程工程師后期對生產過程的維護。

3.2 批次控制技術的應用

3.2.1 物理模型的建立

根據卷煙廠的生產模式以及制絲線的特點，定義整個卷煙廠和制絲線加工物理模型如圖4所示。

圖4 制絲線加工物理模型Fig.4 Machining physical model of the tobacco cutting production line

制絲線由多條線路組成，它們有一定的獨立性，但有時又是相互連通的，有時甚至是交叉的。因此，不能用傳統的生產線來構造生產路徑模型。對此，我們將加工物料的線路定義為工藝路徑，按照S88標準將生產線抽象為層疊物理模型［4］。

3.2.2 過程模型的建立

制絲線的物理模型描述了制絲線的物理相關性，不同牌號的煙絲在相同的制絲線上生產時所經過的路徑有可能是不同的，這個路徑實際上是制絲線中工藝段的不同組合。產品的生產過程就是物料在特定的工藝路徑上進行加工的過程。將加工物料的線路定義為工藝路徑，按照S88標準建立的過程模型如圖5所示。

圖5 制絲線過程模型Fig.5 Process model of the tobacco cutting production line

3.2.3 配方模型的建立

制絲線需要的配方有兩類:主配方和控制配方，它們的模型定義已經在前文分別作過說明，這里不再贅述。這里僅以舉例的形式給出配方的定義內容。

制絲線主配方是對制絲線生產產品的完整定義，包括煙絲產品加工時的頭信息、使用的設備、加工工藝過程、加工工藝參數及其他相關信息。其中，加工工藝過程的設計是建立主配方的重點，工藝過程定義制絲生產時的加工工藝，包括葉片處理、葉絲處理和摻兌加香等，采用圖形化描述［5］。

3.3 批次控制的實現和效果

通過對相應模型的建立，并按照標準對底層控制單元進行編程，在金橋制絲線上實現了基于S88標準的批次控制。批次控制很好地滿足了工藝控制要求，尤其是對于復雜的多路徑的實現，以及試驗線工藝不斷調整的要求，使得變更工藝時修改配方即可，無需改動PLC程序，減少了實施和集成成本，并且可以快速地響應需求，實現設備資源最優配置;同時批次記錄實現對數據的追蹤，為質量管理提供依據。系統運行模式分為MES控制批次生產模式、集控批次生產模式和集控生產模式。在正常情況下采用批次生產模式進行生產;在批次控制系統未能正常工作的情況下，采用監控生產模式進行生產。兩種方式可以通過硬件開關進行選擇［6］。

基于批次控制技術的金橋制絲線自投產以來，至今已經運行整整兩年時間，這兩年來系統能夠順利執行MES系統下發的各個生產任務，柔性化地對生產過程和設備運行進行有序調度，保證了各牌號煙絲的正常生產。

4 結束語

本文設計的符合ISA88標準的批次控制系統在廈門煙廠制絲生產線的應用，不僅有效地提高了制絲生產各工序過程控制精度，而且有效地實現了制絲生產的過程質量控制模式，滿足制絲精細化加工的要求。

對各個關鍵工序精確的實時過程監控，提高了產品內在質量，提升了生產管理水平，為實現卷煙工藝規范提出的要求——“工藝控制由結果控制向過程控制轉變，由人工控制經驗決策向自動化控制科學決策轉變［7］”打下了堅實的基礎。

［1］羅登山，陳良元，楊忠文，等.關于卷煙柔性制絲的幾點思考［J］.煙草科技，2010(1):15－16.

［2］石海健，魏衡華，薛美盛，等.煙葉制絲過程先進控制站的設計與開發［J］.自動化與儀表，2001，16(5):28 －31.

［3］王志強，劉中兵，張懷成，等.ISA88標準在煙草行業制絲線分組加工中的應用［J］.自動化技術與應用，2011(10):54 －57，61.

［4］朱尊權.卷煙工藝［M］.北京:北京出版社，1993.

［5］董景新，趙長德.控制工程基礎［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［6］于慶廣.可編程控制器原理及系統設計［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］國家煙草專賣局.卷煙工藝規范［S］.北京:中央文獻出版社，2003.