基于工業4.0建設思想的智慧制絲平臺研究

楊常勇+張立淼

摘要：智慧制絲平臺建設是卷煙廠走向智慧工廠建設的第一步，也是未來智慧卷煙工廠的“智慧核心”，思路背景源于智慧工廠的深入理解和行業市場取向改革的深入解讀，在智慧工廠和工業4.0所涵蓋的八項范圍中（能源、生產、控制、信息），強調制造企業制造單元在物聯網的基礎上，核心是生產過程的準確檢測、精準控制、動態優化和關鍵點的自律式生產。本文主要論述基于工業4.0建設思想的智慧制絲平臺。

Abstract： The construction of wisdom tobacco making platform is the first step towards the construction of a wisdom cigarette factory and also the "wisdom core" for the future wisdom cigarette factory. The background of the idea originated from the in-depth understanding of wisdom factory and the reform of market orientation in industry. Wisdom factory and Industry 4.0 covered eight areas （energy， production， control， information， etc.）， emphasizing manufacturing enterprises' manufacturing units based on the Internet of Things. The core is the accurate detection of the production process， precise control， dynamic optimization and the key points of self-regulatory production. This article mainly discusses the wisdom tobacco making platform based on the idea of industry 4.0 construction.

關鍵詞：工業4.0；智慧制絲平臺；煙草企業

Key words： Industry 4.0；wisdom tobacco making platform；tobacco companies

0 引言

在智慧工廠體系中，以監測系統為基礎，通過實時感知、采集、監控生產過程中產生的海量數據，利用大數據分析模型技術，讓生產過程的海量數據形成基于穩態品控的“生產過程最佳控制曲線”，讓數據產生價值，回歸服務于企業生產的核心，促進生產過程的動態自律式優化和最佳品控，真正將生產過程數據變成企業核心價值，同時對行業CT-155的解讀，未來行業煙草企業的競爭高地就是“數據”，對數據的利用涉及卷煙整體的供應鏈的全生命周期，那么對于工廠來講，提升自身核心競爭力，就是如何將生產過程的大數據回歸服務于生產和過程品控本身是關鍵，所以如何對我廠的生產過程控制、優化和關鍵工序的自律式生產的研究是卷煙廠走向智慧工廠的關鍵，所以如何構建一種模式、一個平臺，將曾經分離的上層信息管理系統和底層控制系統在大數據平臺的支撐下進行“安全融合”，在這樣的模式和平臺下可實現卷煙廠生產過程的智能分析和控制決策優化，同時在控制優化決策的支持下，使生產各控制單元實現“最佳品控”的動態自律生產模式，從而使卷煙廠的生產方式向著智慧制造、網絡制造、柔性制造方向變革，在行業內領先一步，同時也是我廠面向智慧工廠及“工業4.0”走出的堅實一步，因在卷煙生產過程中，制絲是決定品質的最重要環節，故此方案首先定位于制絲生產環節的智慧平臺研究。

1 智慧制絲平臺的建設內容及目標

①建立制絲“MDT”&大數據模型結合的預警、觸發自律控制平臺。

制絲自律式智能生產的實現，需要準確的信號去觸發啟動基于大數據的分析模型和動態控制模型，所以就需要對現場生產的實時過程進行準確的判斷和預警，制絲智慧化自律式生產的實現，不僅要依靠基于大數據和底層PLC的預警和觸發，同時需要視頻偵測技術的應用，在智慧工廠體系中，“MDT”（Motion detection technology）移動偵測技術，一般也叫運動檢測，被認為是可以應用在生產過程監控、安防監控等方面的可靠技術，通過攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像會被CPU按照一定算法進行計算和比較，當畫面有變化時，如有煙葉物料移動，計算比較的結果會指示系統能自動觸發相應的診斷自律模式進行處理，例如向自律模型反饋有煙信號、堵料信號等，同時制絲“MDT”平臺可監控范圍廣，同時監控區域可調，完全可以用于制絲生產過程中物料運行位置的檢測，避免通過廣電開關、電子皮帶秤進行物料位置檢測的大量硬件投入。

②基于生產過程大數據分析平臺建立制絲關鍵工序自律式聯動分析模型（分為開關控制和模擬控制兩大類），開關量模型更多分步于上下游設備關聯控制，模擬量模型建立與制絲以溫度、水分為重心的關鍵工序自律關節，具體實現上，建立的制絲自律式控制模型需對目前控制系統邏輯進行調整。

模型處理邏輯一：通過制絲智慧平臺的大數據自律模型分析，找出對控制指標產生影響不同因子的影響權重，根據該權重，疊加到現有PID控制模式中，通過不同影響因子的權重比例，修正PID控制對象，實現控制指標的預判控制，解決后反饋PID控制模式中只有出現偏差，才會進行修正的控制缺陷。

以松散回潮為例：來料水分參與松散回潮理論加水量的計算，實現加水量根據來料水分的變化自動變化；當來料流量變化時，自動參與加水量的計算實現對加水量的控制；補償蒸汽流量變化時會對出口水分產生直接影響，也將補償蒸汽流量的變化自動參與加水量的計算實現對出口水分的控制，目前無論是國產設備還是進口設備，對熱風溫度都有單獨的控制回路，單熱風溫度存在一定的波動，當熱風溫度波動時，將該波動量也參與到松散回潮加水量的計算中，實現對加水量的調節。endprint

模型處理邏輯二：

對控制指標產生影響的不同因子如單獨可控，在PLC控制系統中形成單獨的控制環路，根據智慧制絲平臺大數據自律模型分析結果，對該控制回路單獨控制。當這些控制回路出現控制偏差時，這些控制偏差量仍按照影響權重不同，參與到對被控對象的控制。以松散回潮為例：將來料水分的變化情況分析后可對真空工藝參數進行修正，確保松散回潮入口水分穩定可控（如有真空回潮工藝），減少來料水分變化對出口水分的影響；補償蒸汽流量變化時會對出口水分產生直接影響，可將補償蒸汽控制作為單獨的控制回路進行控制，同時設定補償蒸汽的允許調整范圍，避免超調現象發生，避免大范圍的變化變化自動參與加水量的計算實現對出口水分的控制。來料流量和熱風溫度都有單獨的控制回路，再次不在說明，但物料流量和熱風溫度的波動量也參與到松散回潮加水量的計算中，實現對加水量的調節。

以上兩個大數據自律模型處理方式對設備工藝指標產生影響的各因素都能夠定量的在設備控制參數中反映出來。例如TBL松散回潮機，其為定量加水模式，計算公式為：加水量=來料秤流量*加水系數（升/百公斤）；修改后可為：加水量=理論加水量+Δ出口水分偏差+Δ熱風溫度波動偏差+Δ補償蒸汽流量波動偏差+加水修正系數。

③建立智慧制絲控制多項控制模型。

基于“制絲聯動分析模型”輸出結果，建立對制絲關鍵工序的“多項控制模型”，目前制絲對各工藝指標的控制主要為已知條件下的PID自動跟蹤調整，或基于PID控制模式的步進自動調整控制（例如熱風溫度等部分慣性比較大的控制指標，使用PID控制會出現超調的控制問題），以上兩種控制模式都是基于固定的控制對象，達到對工藝指標的要求，例如松散回潮出口水分，目前不論是國內設備還是國外設備，都是對加水量進行調節控制，進而控制松散回潮出口水分，但影響出口水分的因素較多，比如來料水分、來料流量、熱風溫度、補償蒸汽流量等都會對松散回潮出口水分產生直接影響，但在當前的松散回潮控制模式下，這些影響因素無論對出口水分影響有多大，都只有通過一種手段進行調節，即調節加水量。當前的控制模式下，工藝控制指標表面上雖然達到了我們的控制要求，但其掩蓋了松散回潮工序存在的其他問題，在其后道加料或切絲、烘絲工序存在著明顯的批次差異（即從松散回潮出口水分平均值來看批次間差異很小，但到下游工序后表現出了明顯的批次間來料平均水分差異），在智慧制絲平臺中，根據“聯動控制模型”輸出的指令，“多項控制模型”可依據大數據分析平臺的“最佳決策”多維調整參數，以保證制絲關鍵工序的真正穩態。

④建立智慧制絲自律監控平臺。

建立智慧制絲自律式監控平臺，對智慧制絲平臺中觸發的分析模型、控制模型、過程預警等進行統一展示，并對每一個模型的處理結果、分析成熟度、控制過程曲線等進行記錄和跟蹤，同時自律監控平臺實時處理對上層信息化系統的安全數據交互和驗證。

2 智慧制絲平臺的建設的條件和建議

2.1 網絡

目前，工業以太網在制絲生產線監控系統中得到廣泛的應用，按照智慧制絲平臺建設的基本要求，需滿足PLC間通訊要求；TCP/IP通訊網構成上層通訊鏈路，需滿足集中監控層數據通訊要求。設備控制層模型需要對PLC數據進行改造，需對工藝段的設備進行控制，完成對閥門通斷、電機啟停等數字開關量和物料水分、工藝熱風溫度、電子皮帶秤流量等工藝參數實施控制以及泵的頻率調整、薄膜閥門開度等其它控制元器件的參數化控制。

此外，以CPS物理信息網絡為建設方向，設備與設備間、網絡與設備間的通訊協議和標準在我廠智慧化的過程中逐步建立。

2.2 目前可能存在的不足

2.2.1 制絲線過程數據收集信息不足，同時部分數據存在缺陷

煙草工業生產工藝線有許多關鍵工藝指標控制點，如水份、溫度、壓力、流量等，但目前仍很多儀器儀表采用模擬量信號，即便部分儀器儀表選用總線型智能儀表，通常也只把儀表當成采集現場檢測數據的通道，僅意味著模擬信號傳輸提升為數字信號傳輸，信號抗干擾能力增強而己，還是由PLC控制器承擔過程信號的濾波、工程定標等處理功能，存在一定的偏差和數據失真問題。

2.2.2 制絲外部能源狀態信息未知

制絲線外部能源（主要是水、氣、汽）供應對制絲生產過程具有至關重要的作用，但目前制絲線對外部能源信息基本上是未知數，部分三級計量覆蓋到位的制絲線也只是實現了能源的計量，但對能源供應的狀態未知，而這些恰恰是應用制絲控制過程穩定性的重要因素，當前只有這些能源因素對生產過程產生影響了，制絲控制系統才能被動的調整糾正。

2.2.3 物流信息感知不足

智能生產線首先要對物流信息進行精準的掌控，但目前制絲生產線具體物流信息僅靠光電開關、電子皮帶秤等進行物料位置信息判斷，在沒有光電檢測及電子皮帶秤的長距離輸送過程中，物料的位置信息無法根治。

2.2.4 目前制絲監控系統不能和廠級生產管理系統直接信息交互

目前制絲監控系統主要對現場設備、器件運行狀態的顯示或報警信息的展示，和廠級生產管理系統之間的信息交換僅限于制絲管控系統和廠級生產管理系統和之間，廠級生產管理系統的信息不能及時在制絲監控系統中展示，存在消息的延遲。

2.2.5 制絲集控系統對自帶電控主機設備管控不足

現階段各制絲集控廠家在自己控制范圍內的設備信息比較完整規范，帶對自帶控制系統的部分國產設備和進口設備，一般只進行為保障設備實現順序控制、滿足工藝要求必須下達的工藝指標以及生產、質量數據的收集信息等，這些現象僅完成了為保障生產過程連續，生產數據完整的目前，對與要實現工業4.0級的智慧制絲線，這些數據遠遠不夠。

2.3 為實現智慧制絲自律管控模式的建議

2.3.1 完善制絲線過程數據收集存在缺陷，實現制絲過程數據應采必采，能采全采endprint

在進行項目系統構建規劃初期，應結合應用場合、控制對象合理選擇智能儀器儀表（例如純凈水，需要選用質量流量計），實現數據充分采集，同時在集成過程中盡量把信號變換、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場儀表中完成，減少和分散PLC中央主控制系統的負荷，保證復雜的過程控制運算的穩定性，提高系統效率及可靠性。

2.3.2 加強制絲能源狀態監控

能源是制絲設備控制和工作的基礎，能源供應的穩定和可靠性直接影響制絲設備的控制水平，僅完善制絲設備自身數據的采集，數據再完善和充分，對生產過程控制穩定性的分析也無法形成閉環。建議對壓縮空氣，增加對其壓力穩定性的檢測機預警；對于水源，主要實現對壓力、流量穩定性的采集及水中帶氣的檢測；蒸汽主要實現對其流量、壓力、飽和度（含水率）的檢測；并將以上檢測結果應用與工藝指標的事前控制，提供控制系統抗干擾能力。

2.3.3 完善制絲集控與上層系統信息交互

為實現大數據分析結果的應用，制絲集控系統必須能夠接收來自廠級決策分析系統的信息，第一步實現分析結果的展示，用于提醒操作人員注意，并制定操作人員根據分析結果調整設備控制指標，第二步，實現分析結果在一定范圍內自動調試設備控制指標或控制參數，實現制絲線控制指標的自律控制。

要實現以上功能，首先制絲線需要在PLC控制系統中或集控系統中開辟數據區域，按照約定格式，進行決策分析系統和集控系統信息交互；交互信息在集控系統中展示應不是難點，難點在于第二步要實現對設備的控制。達到第二步時，交互的信息不僅僅是文本類的提示信息，更重要的是控制信息，首先制絲底層控制系統要實現對設備不同工藝控制點的控制功能，同時能夠接受到來自決策分析系統的數據，同時還要能夠區分出數據是來自制絲集控系統還是決策分析系統，并能夠對來自決策分析系統的數據范圍進行限制，避免調整步幅過大產生的負面影響。

比如可以在制絲集控系統增加是通過集控控制還是通過決策分析系統進行的選擇，不同的控制模式，使用不同的控制配方參數，通過對控制配方參數及其范圍的限制，實現決策分析系統在約束的范圍內進行制絲生產過程自律控制。

2.3.4 完善對自帶電控主機設備管控

針對部分自帶電控的設備，制絲集控單位應按照集控的標準，當作該設備有自己來控制，實現對自帶電控設備控制畫面集成，同時對設備狀體及設備過程信息數據進行全面的收集于處理，實現對大數據收集的支撐。

2.3.5 關于制絲線質量和效率管理模式

隨著很多大型異地技改項目的落地，目前制絲線如何在滿足工藝質量要求的前提下盡可能的提高制絲生產線作業效率成為一個重要的課題。

目前有兩個方向，一個是嚴格的質量優先，生產過程必須執行嚴格的批次間物料的物理斷開，批次任務和設備控制掛鉤，批次任務的啟停控制設備的啟停，同時按照批次任務進行生產過程數據的歸集，在一個工藝段上只能一個工單在運行。該模式突出的問題是設備物理生產線越長，等待的時間就越長，生產效率嚴重下降。針對此類模式，建議應將制絲線的物理工藝段劃分的盡可能的短，只要有物料緩存或緩沖設備，就要作為工藝段的分界點，以實現在滿足物料物理分開的前提下提高工藝段的切換效率，避免長時間的換批等待；

另一個方向是在保證產品質量的前提下盡可能的提高生產效率，允許短時間的兩個工單并行（在一個工藝段的前后不同部分由兩個工單），并將設備的運行控制和批次任務脫離，設備運行控制和工單任務控制完全分開，甚至進行同牌號連批次生產，以提高生產效率并減少過程消耗，但數據的歸集按照單批次進行歸集。該模式突出的問題是批次與批次之間分界點的確定及摻兌物及加香加料重量信息的歸集。摻兌物及加香加料和主秤間存在一定的時間差，處理不好會造成批次不合格的問題。

2.3.6 設備自身抗干擾能力需提升

制絲線上影響設備控制指標穩定性的因素很多，涉及到設備自身內部，基本可調通過調整避免和解決，但涉及到外部條件變化或能源質量波動時，設備自身調控不足。可建議針對水中帶氣的問題，增加水源氣體自動排放裝置或進行排放控制，針對蒸汽含水率高的問題，可建議增加冷凝水的自動排放控制。

2.3.7 考慮環境對大數據分析的影響

制絲線工藝要求恒溫、恒濕，從表面上看制絲線環境溫濕度滿足工藝要求，但不同的季節設備允許參數存在一定的差異，目前有企業進行過相關的研究，甚至制定了不同季節的不同工藝標準，建議基于大數據的分析能有這部分內容，找出不同季節、不同月份的內在影響因素。

2.3.8 大數據應用分析指導工藝技術標準優化是否管理能支持

根據大數據分析結果，作為工藝技術標準修訂完善的依據，那些是指令性標準，必須嚴格執行，那些是指導性標準，可以給定范圍，在允許范圍內調整，那些是可以放開的標準。可以作為設備參數進行管理。

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