試論復(fù)烤生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺設(shè)計

金劍，周曉龍，呂小波，李建榮，雷翔，高宇雷

(塔集團(tuán)玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100)

盡管生產(chǎn)設(shè)備自動化程度很高，并采用了ERP管理系統(tǒng)，但現(xiàn)場的數(shù)據(jù)不能全面、準(zhǔn)確、實時上傳給上層信息管理系統(tǒng)，因此，與生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)嚴(yán)重脫節(jié)。不得不將大量的生產(chǎn)過程的底層數(shù)據(jù)通過人工匯總處理后，再錄入ERP。造成上下層系統(tǒng)信息溝通不暢，影響ERP的使用效果，因此，迫切需要對復(fù)烤數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和研究，建立復(fù)烤生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集歸檔平臺。實現(xiàn)對上層ERP、MES管理信息化的基礎(chǔ)支撐。

1 復(fù)烤業(yè)務(wù)需求

通過對該復(fù)烤生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀調(diào)研，發(fā)現(xiàn)ERP、MES等信息化管理系統(tǒng)與底層PCS之間的信息通道存在脫節(jié)，具體業(yè)務(wù)問題如表1所示：（1）復(fù)烤在長期的改造中，形成了多種不同類型的設(shè)備并存；（2）存在大量的手工記錄流程，實時性差，容易產(chǎn)生誤差；（3）質(zhì)量控制，長期采用人工抽檢，過程控制能力差；（4）現(xiàn)有系統(tǒng)“各自為政”，形成“信息孤島”。

表1 數(shù)據(jù)采集需求表

因此，需要通過全面數(shù)據(jù)集成、信息共享來優(yōu)化復(fù)烤生產(chǎn)管控，為管理層與設(shè)備現(xiàn)場之間搭建了一條雙向快速、安全可靠的信息通道，為企業(yè)信息化向機(jī)臺現(xiàn)場延伸提供條件。

2 數(shù)據(jù)采集方案

2.1 數(shù)采系統(tǒng)總體構(gòu)建

復(fù)烤車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從軟件架構(gòu)上可以分為四部分：設(shè)備控制層實時數(shù)采、原有信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成整合、ERP對應(yīng)模塊數(shù)據(jù)通信（MQ中間件）和MES應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，也包括了原HMI煙葉工藝配方管理，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 復(fù)烤數(shù)采方案總體結(jié)構(gòu)圖

（1）SFC底層實時數(shù)采：包括InterBus現(xiàn)場總線，GE、SIEMENS的PLC，上位監(jiān)控WINCC6.2、CITECT5.4，主要用于實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)不能大量長期存儲。對此，采用分布式結(jié)構(gòu)，新增兩臺服務(wù)器，一臺用作關(guān)系數(shù)據(jù)庫，一臺作為InSQL實時數(shù)據(jù)庫。并增加兩臺冗余IDAS數(shù)采站，實現(xiàn)各種PCS設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，IDAS采用了“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”模式,掛接多個DAServers數(shù)據(jù)源采集器，用于采集異構(gòu)控制系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)，并通過TCP/IP方式連接到IDAS，IDAS再把采集到的各種工序檢測數(shù)據(jù)集中提供給InSQL。

（2）HMI煙葉工藝配方管理：原中控SCADA系統(tǒng)主要用于對生產(chǎn)線操作控制，如設(shè)備組合起動等，不具備歷史實時數(shù)據(jù)庫；同時，煙葉加工的的配方參數(shù)、設(shè)備參數(shù)也是人工輸入。對此增加煙葉模塊配方庫、從ERP獲取不同煙葉模塊的配方數(shù)據(jù)，存入配方數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)時由HMI根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)用，下載到PLC控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)煙葉配方生產(chǎn)管理。

（3）MES應(yīng)用系統(tǒng)：以復(fù)烤數(shù)采平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對整個復(fù)烤生產(chǎn)過程的集中管控：分級投料管理、過程質(zhì)量分析、生產(chǎn)物料能耗等業(yè)務(wù)管理。并通過部署的現(xiàn)場終端實現(xiàn)“看板”管理。

（4）原有子業(yè)務(wù)系統(tǒng)：包括分級、能耗檢測、成品條碼打印、質(zhì)量檢測儀器平臺。這些數(shù)據(jù)原來采用人工記錄、統(tǒng)計，根據(jù)這些原系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口特性和管理要求，分別設(shè)計相應(yīng)的數(shù)采方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集歸檔，存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

（5）集團(tuán)ERP系統(tǒng)：采用中間件MQ獲取煙葉生產(chǎn)訂單、配方、工藝標(biāo)準(zhǔn)、備件物料等相應(yīng)的ERP信息，提供給MES使用；同時，MES系統(tǒng)采集訂單批次生產(chǎn)消耗統(tǒng)計，反饋給ERP系統(tǒng)，實現(xiàn)ERP的物料、財務(wù)的集中管理與復(fù)烤車間現(xiàn)場分散指揮控制。

2.2 數(shù)據(jù)庫存儲與檢索

（1）實時歷史數(shù)據(jù)庫InSQL：復(fù)烤生產(chǎn)需要對大量工藝過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集存儲（以秒為單位），為滿足實時數(shù)據(jù)存儲要求，因此，采用實時歷史數(shù)據(jù)庫InSQL來進(jìn)行實時KPI數(shù)據(jù)的采集、檢索、歸檔。InSQL（IndustrialSQL Server）由于采用了高效的實時壓縮算法，它的存儲速度要比傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫快100倍以上，且存儲空間只是傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的2%。InSQL的配置信息都存放在MSSQL中，客戶程序的實時和歷史數(shù)據(jù)請求由OLE-DB處理，訪問Runtime數(shù)據(jù)庫，獲取歸檔后的壓縮“history block”數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理流程：數(shù)據(jù)采集的處理流程如圖2所示。首先獲取各檢測設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，對History數(shù)據(jù)采樣周期、檢索模式和剔除規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、清洗，得到中間數(shù)據(jù)；然后將經(jīng)過中間數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息(如作業(yè)訂單批次、生產(chǎn)線設(shè)備信息)進(jìn)行綁定，形成可供管理系統(tǒng)使用的有效數(shù)據(jù)；再根據(jù)不同的算法配置策略（運算規(guī)則）對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出管理分析用數(shù)據(jù)，最終的數(shù)據(jù)存入存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。對于非實時性流程，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲、交換、檢索。對數(shù)據(jù)庫的訪問采用.NET平臺進(jìn)行開發(fā)。SQLSever用于關(guān)系數(shù)據(jù)存儲，前后臺之間采用ADO.NET的技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問和信息交換。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 原信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

針對原有各系統(tǒng)，量身定制相應(yīng)的采集存儲策略，以便擴(kuò)展利用、集成原系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)。

3.1 能耗數(shù)據(jù)采集

原復(fù)烤能源監(jiān)控系統(tǒng)，采用智能儀表+現(xiàn)場總線+WinAC控制器+PC的架構(gòu)實現(xiàn)復(fù)烤生產(chǎn)能源采集、監(jiān)控。根據(jù)能耗管理需求，需要對大量能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行長期保存，并開發(fā)班次機(jī)臺報表等。因此，需要把Wincc的實時數(shù)據(jù)庫Sybase SQL Anywhere中相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到長期存儲數(shù)據(jù)庫SQLServer中。對此通過SQL/ODBC方式編寫功能程序，并通過Wincc腳本調(diào)用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存歸檔。

3.2 化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)（UAarchive）轉(zhuǎn)儲

由于化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)存儲于原WinCC系統(tǒng)的用戶歸檔表（UserArchive），而UserArchive表存儲的數(shù)據(jù)有限，因此，需要從UserArchive表中提取所需的數(shù)據(jù)，進(jìn)行長期存儲。對此建立化學(xué)成分長期歸檔數(shù)據(jù)庫，存儲煙葉的生產(chǎn)信息、化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)和“身份”信息，為煙葉成品管理提供完整，可追溯的數(shù)據(jù)。采用MS OLE DB Provider接口進(jìn)行訪問，定時執(zhí)行的轉(zhuǎn)儲。

3.3 串口儀表RS232通信數(shù)采

復(fù)烤生產(chǎn)中共采用20多臺電子秤，通過人工記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)投入產(chǎn)出統(tǒng)計；同時，生產(chǎn)質(zhì)量檢測平臺也大量使用人工填表記錄：煙葉檢測水分，溫度，大部分檢測儀表只提供RS232接口。對此，設(shè)計OPC數(shù)采服務(wù)器，實現(xiàn)串口儀表數(shù)據(jù)交互通信與發(fā)布，其采集方式如圖3所示。

圖3 OPCServer數(shù)采設(shè)計

該數(shù)采OPC Server主要有兩部組成，一是OPC標(biāo)準(zhǔn)接口的實現(xiàn)；二是與硬件設(shè)備的通信模塊。OPC Server接口采用WinTECH OPC的API函數(shù)進(jìn)行設(shè)計。所有的OPC規(guī)范、接口細(xì)節(jié)、對底層的DCOM訪問，由服務(wù)器進(jìn)行處理。編寫接口程序，處理與設(shè)備通信，把數(shù)據(jù)從硬件設(shè)備中讀取上來并與OPC項進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)OPC Server的發(fā)布。

3.4 煙葉生產(chǎn)配方管理

煙葉根據(jù)特性分為83個等級，對不同的等級需要采用不同的加工參數(shù)，因此，在復(fù)烤數(shù)采平臺建立煙葉生產(chǎn)配方數(shù)據(jù)庫，通過中間件，從PLM獲取的配方工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，存入了配方庫。根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行配方的查尋﹑調(diào)用﹑更改。煙葉配方管理通過ODBC方式的訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。配方查尋流程如圖4，SQLExec執(zhí)行查詢。hSQL為連接數(shù)據(jù)庫后返回的句柄，QUERYSTR為查詢字符串。UpdateForm函數(shù)，用于更新配方顯示參數(shù)表。

圖4 配方查尋調(diào)用流程

4 結(jié)語

復(fù)烤數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺是聯(lián)系車間各種生產(chǎn)設(shè)備與MES系統(tǒng)的樞紐，通過平臺與底層自動化設(shè)備的有機(jī)集成，采集監(jiān)控車間生產(chǎn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量進(jìn)行匯總統(tǒng)計分析，向MES、ERP系統(tǒng)反饋信息，接受企業(yè)MES、ERP系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃、調(diào)度和工藝配方等信息指導(dǎo)，提高管理部門和生產(chǎn)執(zhí)行部門之間協(xié)同合作的能力，保證生產(chǎn)全過程的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速反應(yīng)與敏捷制造，為實現(xiàn)制造數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。