北京卷烟厂制丝线自控集成及管控一体化系统———西门子在烟草行

［摘要］：本文结合烟草工业制丝生产数据采集与控制系统的特点，以北京卷烟厂为例介绍了制丝生产车间数据采集与控制系统的应用情况，并对一些关键技术和引领行业发展方向的控制理论做深入探讨。［关键词］：制丝线 ET200S profinet WinnCC  摘要：国内卷烟厂作为典型的混合流程制造型企业，从上世纪八十年代开始引入自动化生产控制和管理信息化概念，先后经历了生产自动化、管理信息化和基于企业资源计划的CIMS为主要特点的发展阶段。早期受制于自动化技术发展水平和系统整体解决方案的不完善，国内卷烟厂的自动化系统主要表现为分割不同工艺的数个相互独立中小型控制系统，各个系统间规范协议的差异和总线技术的不统一，造成集中的管理和协调控制很难实现。随着近年来系统集成技术的迅猛发展和智能化仪表设备的不断涌现，同时国内烟草行业的竞争加剧也要求烟草企业需要积极提升自身生产效率、提高自动化控制程度和企业信息化管理水平。具有统一现场总线平台和整体解决方案架构的自动化集成控制系统被越来越多的用户接纳和认可，其中西门子借助独一无二的有能力提供成套产品和综合解决方案的优势被绝大多数用户所使用。本文结合烟草工业制丝生产数据采集与控制系统的特点，以北京卷烟厂为例介绍了制丝生产车间数据采集与控制系统的应用情况，并对一些关键技术和引领行业发展方向的控制理论做深入探讨。        关键词：        北京卷烟厂、制丝线、烟草行业、中南海、制丝工艺、备料配叶、烟片预处理、制叶丝、白肋烟处理、烟梗预处理、制梗丝、掺配加香、贮丝喂丝、数字化工厂、透明化工厂、ET200S、 profinet、WinnCC RT 64K、WinCC RC 64K、WinCC RT128、WinCC Server、WinCC Redundancy 、S7-400、SCALANCE 414-3E、DataMonitor、Historain、LED显示屏        行业概述        中国烟草行业是国家的支柱产业，行业年税收占国家总税收的10%左右，这样巨大的贡献还是在平均税率不超过46%的低税率情况下实现的，相比发展国家烟草行业普遍50-60%的税率，足见我国烟草行业在国家经济中的支柱作用。据统计中国共拥有三亿多烟民，占世界总烟民的近1/3，中国的烟叶生产量及成品烟销售量也大概占到世界的1/3左右。同时中国还是世界上烤烟种植面积、烤烟产量、烤烟增长速度、卷烟产销量、卷烟增长速度、吸烟人数、吸烟人数增加数量、烟税增长速度等多项世界第一。        然而在规模数量优势的光环下，中国烟草行业面临的境地同样令人担忧。随着中国加入WTO后保护期的尾声临近，国内越来越多的垄断行业开始逐步开放市场。中国的烟草行业，将在未来的几年内面临全面开放市场，进入国内市场国际化的全面自由竞争局面。长期以来，国家对烟草行业实行专卖制度，国家对烟草行业的发展方针是：既要适当满足消费需要，又必须提高质量，改进配方，尽可能减少对消费者健康的影响。实行专卖有利于控制其生产和销售，并课以重税，这样既可以保证国家财政收入，又可防止地方盲目发展。面对即将来临的市场开放，中国烟草业有很多需要提高改进的地方，中国烟企大小加起来数百家，牌号有数百个，然而最强势品牌的行业市场集中度也不超过2%。 企业介绍和项目背景        北京卷烟厂始建于1970年，是制造卷烟产品的国有重点骨干企业。老厂位于北京朝阳区管庄西里，总占地面积约11.2公顷，设计生产规模为年产16万箱，制丝生产线1986年投产，迄今已运行使用了20多年，虽然不断进行技术改造和设备更新，但都是修修补补，整体工艺流程不尽合理，对进一步完善、拓展混合型卷烟工艺形成了制约。技改前北京卷烟厂存在工艺落后、设备陈旧、厂房老化、设计生产规模低等诸多问题，这将直接制约或影响企业生产规模扩大、产品结构升级、产品质量提高等一系列发展问题。只有进行易地技术改造，新建大跨度、模块化生产厂房，采用先进适合的工艺流程及技术，才能为实现“走向联合、共同发展、共同壮大”、“做精做强”、“国内一流、国际先进”的企业战略目标提供保证和实现可能。因此北京卷烟厂启动了新厂区的技改建设，新厂区选址在北京市通州区，东西长约650米，南北宽约434米，设计生产规模为年产卷烟50万箱250亿支，同时预留了适当发展余地。        北京卷烟厂一直走发展低危害混合型卷烟，着力于研制中国特色混合型卷烟工艺，打造国内一流、国际先进混合型卷烟的生产、研发、出口和对外技术合作基地，专注于做大做强中南海品牌。        北京卷烟厂新厂区技改在工艺设计和设备配置方面,首先满足了现有品牌生产工艺要求，保证质量稳定，顺利完成生产过渡。同时根据产品发展及工艺研究、发展的需要，配合分类加料、分组烘丝采用不同的工艺路线、流程参数实现更精细化的分类分组加工，形成北京卷烟厂的特色生产工艺。根据北京卷烟厂制丝线生产的特色加工工艺和生产组织模式的要求，需要设计建设一套全集成制丝管控一体化系统，实现智能化、图形化、参数化控制和适度的信息化、自动化生产，满足柔性化生产和灵活性加工的需要。以打造“数字化工厂”、“透明化工厂”, 彻底消除“信息孤岛”，提高企业的市场竞争力。制丝管控系统通过构件化程序的设计和系统硬件和软件柔性灵活的组合，最终实现建立一个柔性的、能够随需而变、操作简便，能充分满足生产工艺路线灵活组态和工艺路线选择的操作平台。        制丝工艺是衡量一个烟草企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。制丝生产线主要由备料配叶、烟片预处理、制叶丝、白肋烟处理、烟梗预处理、制梗丝、掺配加香、贮丝喂丝八个工段组成。北京卷烟厂制丝车间新工艺设计紧紧围绕提高工艺技术水平展开，实现工艺上的“三化”：设计系统化、控制智能化和加工精细化。 系统架构体系        制丝线自控集成及管控一体化系统主要分三大功能组件：数据采集、控制执行组件和监控发布组件。数据采集组件又可以分为三类，分别是生产管理数据采集、设备数据采集、工艺质量数据采集；控制执行组件负责生产相关数据的处理和生产下达指令的执行；监控发布组件负责生产状态的监控、数据的诊断、存储和发布等。
           生产管理数据来自于各生产工艺段或机台，通过实时在线采集或关联计算，为各级管理者提供制丝生产线的各类信息如当前的班次、人员、牌号、生产时间、相关数量等各种信息。设备数据主要是记录设备的参数、运行状态等数据，计算设备的停机情况、设备开动率、设备空转率等信息，同时也可人工记录包括设备参数设定，设备点检、备品备件和维修请求等信息。工艺质量数据的采集与分析主要是完成制丝生产线各工艺段质量数据的采集、人工处理和关联计算以及与标准设定值的比较和分析，如相关工艺段中需要检测的含水率、温度、精度、比例、质量参数走势分析与历史同期比较等。
           数据处理用于将采集的数据进行运算处理，执行生产下达指令，常见的生产指令如将牌号、产量等计划信息和相应的工艺参数下达到设备上，真正实现管控一体化，提高生产效率。        监控发布功能集中在控制系统监控中心施行，主要是用于监控现场设备，实现数据采集检测，接受控制指令，下传控制信息的以监控软件为基础的监控系统,同时包括用于生产监控的视频监控系统、生产信息发布系统、调试维护系统以及其它智能监控系统等生产辅助系统。        各组件紧密集成，数据共享共同构成透明的信息平台，主要包括监控计算机、WinCC服务器、管理机、工程师站、实时数据库IO服务器、DataMonitor服务器、Historain实时数据库服务器、HistorianWeb服务器、打印机、网络通讯设备、LED显示屏、RIO站、PLC控制系统、现场智能仪表、智能设备等。集中监控系统通过工业以太网将现场PLC与集中监控层连接起来。集中监控系统将采集的数据进行处理，与主控PLC进行数据交换，以实现对全线的监控和管理。监控系统同时内置公开、开放的数据接口，便于与生产管理层的通讯。
   北京卷烟厂制丝线自控集成及管控一体化系统整体架构如下：        北京卷烟厂集中监控中心从功能和系统配置方面划分为集中监控系统、信息发布系统和调试维护系统。在集中监控中心，共配套8台服务器、2套共4台冗余配置的WINCC服务器、 1台DataMonitor服务器、1台实时数据库I/O服务器、1台实时数据库服务器、1台Historian应用及WEB服务器。
           集中监控中心系统采用当前先进而成熟的C/S模式。配置2套冗余配置的WINCC服务器，负责集控系统与现场PLC的数据通讯，负责所有的监控功能（如画面、归档、报警、脚本等），所有监控计算机作为WINCC服务器的客户端，显示监控画面和数据。配2套WINCC服务器可以合理的分担服务器的负担，避免出现一台服务器负担过重的情况。DataMonitor服务器作为WinCC服务器的客户端，他负责将WinCC的监控画面进行发布。实时数据库I/O服务器也是作为WinCC服务器的客户端，它负责将所有的数据集中起来，共Historian使用，也为上层管理系统的MES读取数据做好准备。实时数据库服务器负责从实时数据库I/O服务器中读取相关的数据，并保存在自己的实时数据库中。Historian应用及WEB服务器负责将保存在实时数据库中的数据进行各种分析和查询，并以发布的方式提供给用户。信息发布系统通过RS485和TCP/IP协议通讯将生产相关信息发布到现场LED显示屏。集中监控中心采用Siemens公司的WinnCC、DataMonitor、Historian完成生产过程数据实时采集、监控、发布、存储和分析等。
           集中监控中心网络体系采用标准以太网将数采服务器、监控计算机、管理计算机、工程师站、DataMonitor服务器、实时数据库IO服务器、实时数据库服务器及HistorianWeb服务器（另外还有管理数据库服务器及管理Web服务器）组成一个内部局域网。控制系统网络采用工业以太网，使用光纤和Siemens工业交换机连成光纤冗余环网，数据采集服务器及各现场控制段共102套RIO站通过Siemens工业交换机连接到主干控制网络上。数据采集服务器通过Siemens工业交换机与各现场控制段PLC之间实现数据交换。另外工程师站也可通过Siemens工业交换机对现场控制段PLC进行编程维护。        制丝线自控集成及管控一体化系统项目配置及为满足系统实时通讯性能，车间控制系统主干网络采用1000M bit/s光纤环形冗余拓扑结构，配SIEMENS公司千兆模块化交换机将工程师站、数采服务器、PLC 控制主站等接入主干工业以太网络。主干网交换机均采用SIEMENS公司模块化带管理功能SCALANCE 414-3E交换机，便于网络扩展和调整，交换机之间通过多模光纤组成的1000M冗余环网，作为监控层与控制层间的通讯链路。        集中监控中心通过接收MES系统或车间信息管理系统下达的生产调度计划、工艺配方参数等信息，按计划组织生产流程，根据分组加工实际需求选择最佳工艺路线，监视生产设备运行状态、物料流转状况，采集和显示生产线上的过程生产数据和故障报警信息，控制生产线各关键工艺参数，记录重要工艺参数实时数据，以趋势图和报表形式反馈相应信息，同时按设定规则存储到关系数据，为信息管理系统数据统计分析提供基础数据。        为了提高现场管理效果，根据需要在制丝线上采用LED汉字显示屏，要求直观、大方、醒目，且正确性、可靠性高、使用寿命长，环境适用性强。各个LED显示屏是采用以太网通讯方式连接到控制计算机上的。控制计算机由中控室的管理计算机兼管，通过运行LED显示控制软件来实现与LED屏幕的通讯。管理计算机将从数采服务器中获得的实时数据和从数据库中获得生产信息经过LED显示控制软件处理后发送到相应的LED显示屏。
           各个LED显示屏通过以太网连接到控制计算机上，控制计算机由中控室的管理计算机兼管，通过运行LED显示控制软件来实现与LED屏幕的通讯。管理计算机将数采服务器中的数据获得实时数据和从数据库中获得生产信息。经过LED显示控制软件处理后发送到相应的LED显示屏。针对每个屏体，具备手工控制发送和自动发送两种模式。可在贮叶柜、白肋烟、膨胀烟段等处配置5个交换机，各贮柜的条屏直接连接到交换机上，再与管理计算机通讯。 系统实现及关键技术
           PROFINET一网到底：PROFINET是PROFIBUS客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。PROFINET是一种基于实时工业以太网的自动化解决方案,它以一整套完整高性能并可升级的方式，可以为PROFIBUS及其他各种现场总线网络提供以太网移植服务。PROFINET标准的开放性保证了其长远的兼容性与扩展性，保护了用户的投资与利益。PROFINET可以使工程与组态、试运行、操作和维护更为便捷，并且能够与PROFIBUS以及其它现场总线网络实现无缝集成与连接。这种跨越供应商的开放式标准建立在工业以太网基础之上，覆盖了工厂自动化的所有领域，它可以同时挂接传统PROFIBUS系统和新型的智能现场设备,现有的PROFIBUS网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFINET网络当中，使整套PROFIBUS设备和协议能够原封不动地在PROFINET中。PROFIBUS一网到底即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案。北京卷烟厂制丝线自控集成及管控一体化系统就是采用了PROFINET一网到底的现场总线解决方案，整个自动化控制系统使用了大量的带PROFINET接口的变频器和智能现场仪表。        分布式I/O站：北京卷烟厂制丝线车间流水线分布于长260米两侧并行排列的位置上，如果按传统的集中控制方式进行设计，需要敷设大量的各类仪表通讯线缆，而且集控中心盘柜的接线及日后维护也将非常繁琐，但借助于PROFINET现场总线技术，整个制丝车间共使用了102个RIO站，仪表设备就近接入RIO站，然后RIO站通过网络方式与集控中心交互，大大节省了线缆的使用量、减轻了系统维护的难度和较少了系统故障处理的时间。        生产控制:为方便操作加强安全性，所有跟控制有关的功能集中在一个控制画面里。比如叶组启动和停止、选柜、修改批号和牌号、切丝机选择等集中放在同一画面监控操作。        集中监视：画面以三维立体画面实时模拟显示各主设备运行状态。按生产流程将主设备、辅连设备和各测控点画出，主设备像滚筒回潮机、加料机、烘丝机和流冷机等需标示其运行状态及其相关参数。各测控点主要有振槽、皮带、电子皮带秤、水分仪、测温仪、变频器、行程开关、光电开关等，各测控点一般根据其实际位置显示在监控主画面上。        单机模拟：实时通过设备外形模拟图及其详细的管路图来反映主要单机设备的运行状况、设备参数和工艺参数等。主设备像回潮机、加料机、烘丝机等有其设备模拟图。画面以单机设备模拟图和其管路图为主，显示设备主要电机运行状态、相关参数（如入口水分、入口温度、出口水分、出口温度、电机频率、加料流量累计量、蒸汽压力等）以及整个单机设备所处状态，如回潮机的预热、工作、停机等状态，加料机的预加料、加料、回料吹扫、清洗等状态，烘丝机的加压、预热、启动、生产、倒料、冷却、停机等状态。        贮柜信息：各工艺段将贮柜集中在一个画面里单独管理，以各种形式显示贮柜当前生产的批号、牌号、运行状态（进料、存料、出料、待料）、底带频率、底带脉冲、进料量/存料量、出料/存料百分比、进料/出料开始时间和结束时间等贮柜信息。同时各储柜的批号、烟牌、进/出料状态、底带脉冲可加密修改，即可纠正因异常情况导致的贮柜信息错误，又能保证安全性，防止数据修改的随意性。贮柜管理一般以列表的形式显示各种数据和状态，也可以将贮柜模拟图单独放大显示，将其相关数据标注在周围。        WINCC和STEP7的硬件诊断与监控：系统能自动显示PLC控制系统错误信息，通过报警回路或自动跳到报警画面，借助SETP7硬件诊断功能和程序快速诊断和定位故障，实现网络诊断、通讯诊断、脚本诊断、S7 300/400诊断、Profibus DP/PA从站诊断、ProfiNet IO设备诊断、WINCC过程诊断等功能，直接在人机界面上定位错误并进行纠正，快速诊断有故障的机器/设备。        在线诊断帮助：显示网络(总线)故障诊断、电控器件故障诊断、生产设备故障诊断、工艺参数超差诊断、异常报警和提示、操作帮助及提示等信息。各诊断信息根据实际测控点位置在相应画面闪烁提示，并进入报警记录数据库，自动弹出报警窗口显示详细的故障诊断信息，以便操作管理人员及时发现、快速定位各项报警，做出及时处理。        开放性和扩展性：考虑到制丝线采用不同厂家的主机设备及其监控系统，各监控子系统需要具有开放的总线、协议及数据接口，紧密集成无缝连接，才能高效可靠的完成制丝生产线的集中监控功能，保证生产的顺利进行和数据的完整有效性。例如集中监控系统内部接口设计各子系统都开放了如下几个功能模块：当前生产计划信息（包括批号、烟牌编码等）存储模块、下一生产计划信息（包括批号、烟牌编码等）存储模块、贮柜状态信息（包括批号、烟牌编码、柜状态、进料?等）存储模块等。        调试维护系统:随着企业自动化程度的提高，设备、仪器及软件的调试和维护重要性不断提高，为方便系统调试及维护, 在中控室内配置专门的工程师站计算机负责整个制丝线电控系统的PLC程序以及监控程序的调试、诊断和维护。 系统效益分析        安全效益分析：自控集成及管控一体化系统通过对生产相关的关键信息，如设备状态、工艺状态、物料状态、环境状态、能源品质、生产工单、产量、消耗等进行采集，并以直观的形式表现出来，供生产管理者，特别是生产调度人员实时了解当前生产实况提供帮助，以便其做出正确的生产决策与指挥，同时诊断异常状态，及时发现故障苗头并提前处理。        质量效益分析：自动管控系统有力地保证了产品的质量，提高生产管理的科学性：通过生产监视系统，实时了解制丝、卷接包生产和物流自动化的等生产现场的情况，为做出及时合理决策提供依据。实现了全程生产跟踪监测，满足了MES根据相关法规和市场要求需要能提供生产物料的全程正向和逆向追溯功能的要求。        管理效益分析：借助自动管控系统车间可以改进生产管理，提高产品质量，加快新产品研发。管理人员可以更有效的管理生产数据和生产流程，车间工作人员可以得到系统的决策支持信息，同时动化程度的提高减少了手工操作，这不仅节约了时间还大大降低了人工产生的错误。        生效效率效益分析：北京卷烟厂新制丝车间工艺流程、设备布局与自动管控系统的结合使生产更加灵活性，有利于分组加工技术的研究与实施，突出原料特征，实现特色工艺，成品烟丝均匀性得到提高，自动、高效、智能的控制系统和信息反馈系统，使控制更加精确，操作更加简捷，信息反馈更加及时，质量更加稳定，品质更加优质，极大地提高了北京卷烟厂的生产效率。