云模塊在煙草制絲線云平臺與工業互聯中的構想應用

肖智斌 普云偉 方瑞萍

摘 要：隨著信息化的快速發展，制造業正在升級換代，并加速步入工業4.0，云平臺隨之得到廣泛應用。文章分析了煙草制絲線的工業以太網應用現狀，探究了利用云平臺與工業互聯網構建云模塊來實現柔性制絲生產的策略，為制絲生產智能制造提供思路啟發。

關鍵詞：云模塊;煙草制絲線;云平臺與工業互聯網;智能制造

在中國制造2025的浪潮下，云平臺正被各行各業廣泛應用。基于云平臺的資源共享優勢，生產過程中不僅能夠實現PC終端及移動端的快速訪問及操作，還能促進企業員工根據使用需求在云平臺上進行相關小程序的開發。煙草行業制絲線作為卷煙生產的關鍵環節，涉及工藝管理、質量管理、設備管理、安全管理等方面，受到運行在云平臺上各種小程序的啟發，結合信息化和工業化的高層次深度融合，利用云平臺與工業互聯網構建云模塊，逐步實現CPS云模塊控制下的柔性生產，促進制絲生產智能制造。

1 工業以太網在制絲線的應用現狀

目前，大部分卷煙制絲線的生產管理采用主干環型結構+總線型結構相結合的網絡拓撲，其中以現場總線技術為主。主干環型結構采用光纖作為傳輸介質，總線型結構采用超五類屏蔽雙絞線或超六類屏蔽雙絞線作為傳輸介質，在總線型結構中還有部分網絡耦合節點用于連接DP/PA設備[1]。隨著智能設備的廣泛應用，未來總線型結構中會出現新型網絡耦合節點連接智能設備的應用。制絲生產設備聯鎖控制或生產配方信息數據采集一般依賴于集成服務商或SCADA（數據采集與監控）軟件，如西門子公司的WINCC、GE公司的IfIX等。通常情況下，集成服務商或SCADA軟件都是OPC（用于過程控制的OLF）的成員單位，OPC包括了一整套接口、屬性和方法的標準集，用于制絲生產過程自動控制。網絡拓撲及集成服務商或SCADA軟件的現有條件為智能設備接入到云平臺提供了網絡實體層保障。

制絲生產線主要由一些具有特定功能的主機設備和輔聯設備組成，各生產廠的主機設備及輔聯設備基本功能大致相同，控制模式及執行器件相似。一般情況下，主機設備有單獨的控制器，輔聯設備按工藝路線進行劃分，由工藝電控系統的控制器進行集中控制，目前制絲線上的控制器大多為西門子S7-300/400。無論是邏輯控制，還是PID控制，都是在西門子的集成環境下運行，確保了控制的快速、精準。

傳統的控制系統中，主要以自動化控制原理來進行相應控制參數的推算[2]，PID就是其中的一個經典控制算法，它是在曾經信息處理能力及數據存儲能力受限的條件下產生的，其過程簡單，易于實現。隨著信息技術的發展和使用需求的深化，基于CPS（信息物理系統）的智能制造已在部分生產廠開展試驗并取得了良好的效果，可以預想未來的傳統PID控制模型將逐步被新型智能制造的控制模型所替代。通過大數據分析和篩選，對需要的數據進行分析建模，可以模擬人的思維進行經驗分析，并綜合量化各權重比后反饋到實時的控制中，以實現生產控制新模式。這對提高產品均質化水平意義重大，契合企業高質量發展的要求，為未來統一的接口或控制模式接入到云平臺提供了設備層的保障。

2 云模塊構建思路

結合目前行業大部分制絲生產線來說，在不進行大規模的技術改造的情況下，依托企業云平臺及制絲生產線的設備及網絡實體，以CPS的理念為指導[3]，制定企業統一標準體系的制絲生產新型智能制造控制模型，解決技術壁壘問題，變被動為主動，匯聚企業員工共同智慧，協同研發和完善，運用基于機器自學習、大數據分析建模等先進算法構建擁有自主知識產權的硬核云模塊驅動制絲生產智能制造，將制絲生產的信息化和工業化融合技術掌握在自己手中。

2.1 統一接口協議和OSI模型實現數據交互

現今的工業以太網協議都是開放的，通過接口協議的標準，能夠通過編程實現對控制器數據的讀取與寫入。這就需要有統一的程序接口，并制定統一接口的協議說明及運用技術標準。根據實際統一的OSI模型，不需完全按照標準的七層模型來劃分，大致上可分為設備層、工控接口層、功能層、應用接口層等。統一接口協議和OSI模型才能讓信息數據流動起來，這也是實現云模塊的基礎。

2.2 統一CPS系統及標準構建CPS智能制造云模塊

近幾年，行業一些卷煙生產廠基于CPS的智能制造試點項目取得了顯著的效果，為整體實現CPS智能制造指明了方向。CPS的核心層面是控制模型，要做好頂層設計，到底是用傳統的PID控制算法，還是用機器自學習算法，還是用基于大數據分析的算法，需要深入思考并實際演算得出結果。根據控制模型的標準進行應用接口層的接口協議制定，同時，使得云模塊的開發盡可能簡單化、多元化。因為統一了接口，為實現云模塊的調用及嵌套調用提供了可能。在企業云平臺的支持下，匯聚各企業員工的智慧，構建各種各樣的云模塊，實現云模塊庫，減少重復開發的周期和成本。

例如，A生產廠的工控人員開發出了更具節能性能的電機驅動云模塊，通過云平臺被B生產廠的生產線集控人員調用并進行進一步開發，同時又進一步開發了基于大數據分析的智能質量管控云模塊，根據體系標準，預留了一些接口，開發好后再把該云模塊分享到了云平臺，C生產廠的工藝分析員看到了此云模塊，用其進行質量管控功能對工藝分析。可該云模塊由于B生產廠人員的崗位角度考慮有所欠缺，未預留一些信息數據的接口，C廠的工藝分析員將該情況反饋B廠人員，由B廠人員完成接口預留并再次分享，C廠工藝分析員利用更新后的云模塊再次用自己的專業知識并輔以開發語言，開發了智能工藝參數微調控制云模塊并分享。過程框架示意如下圖。

各具特色云模塊的誕生，充分體現了智慧匯聚、協同開發并完善的理念，長期以往形成了一種良性循環，最終看到的將是一個由滿目琳瑯云模塊構成的制絲云智能生態。依托云平臺，行業內的各家生產廠制絲線根據實際設備層的情況，靈活調用、組合或再次開發云模塊，實現CPS控制云模塊的柔性制絲。

2.3 引領全員參與充實云模塊

以發展的眼光來看，逐步引領全員參與和充實企業的云模塊。例如，金融領域中的期貨從業人員，他們既懂金融專業知識，又能使用簡單的編程語言進行數據分析。對應在煙草制絲線領域，要布局實現相關從業人員掌握“雙業務”，即企業員工不僅僅從事本專業的業務，同時還應具備在云平臺以本職業務輔以適當的編程語言開發各具特色的云模塊。這樣不僅促進人的價值的實現，也為云模塊的開發和資源共享貢獻力量。

2.4 總體目標

在5G時代，要深度結合制絲生產中的設備運行情況，引領各層級的企業員工匯聚全員智慧，共同參與信息化建設，以本職業務輔以適當開發工具不斷構建和充實企業制絲生產云模塊，逐步實現CPS控制云模塊柔性制絲，最終完成企業制絲生產CPS的云智能生態，驅動制絲生產智能制造。在此過程中，統一技術體系及管理體系，加大信息技術復合型人才培養力度，打破傳統信息技術開發與本職業務分離的方式，減少重復性開發，降本增效，形成基于企業云平臺的企業制絲云生態。同時，將制絲智能生產的核心控制模型（云模塊）、算法及數據轉換為知識產權，打破以往的技術封鎖，變被動為主動，將核心技術主動權掌握在自己手中。

結語

信息技術與工業技術的變化日新月異，以CPS理論為指導，基于云平臺與工業互聯網構建云模塊驅動智能制造不僅能在制絲生產中得到運用，同時還能在其他具備類似設備情況與網絡實體的制造業中得到廣泛運用。

參考文獻：

[1]廖常初.西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷[M].機械工業出版社.2009.

[2]馬坡森. 模糊PID與傳統PID的性能比較與適應場合分析[J]. 華北水利水電大學. 2019.12.017.

[3]郭楠，賈超.信息物理系統白皮書（2017）[J].中國電子技術標準化研究院.2017.

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司 ?會澤卷煙廠 ?654200）