GE Proficy HMI/SCADA - iFIX 在煙草卷接包數據采集系統中的應用

　　一、應用背景

　　卷接包數據采集系統是安徽中煙工業公司蕪湖卷煙廠“十五”重點技改工程項目之一，是企業生產執行系統（MES）的重要組成部分，也是企業信息化的基礎。本系統建立了一套面向整個卷接包工序的現場設備數據采集系統，實時、準確地采集現場設備的各種生產、設備、質量、消耗數據，為企業各級管理提供卷包數據服務。以車間數據采集為基礎，建立一個車間級的生產指揮調度中心。通過對各設備運行情況的實時監控和分析，科學、及時地對現場生產進行調度指揮，確保生產的有序和可控。

　　該系統實現以下幾個目標：

　　1.實現卷接包工序各種設備現場數據的全面、準確、實時采集；

　　2.實現現場管理的信息化，規范和強化現場管理；

　　3.以數據采集為基礎，搭建一個車間級的生產指揮調度中心，通過對設備運行情況、生產過程、產品質量的實時監控與分析，科學實時對生產進行指揮調度，確保生產的有序和可控；

　　4.實現與MES 系統等企業信息系統的全面數據集成，最終實現制造數字化的總體目標。根據系統的總體建設目標，該系統主要功能包括數據采集、現場管理、過程監控以及MES 集成與執行。

　　二、系統解決方案

　　1、卷接包生產工藝流程

　　卷接包生產包括成型發射生產、卷煙生產、包裝生產、條煙輸送、裝箱生產，以及相關輔助系統如風力送絲系統、負壓除塵系統、儲絲柜系統等。其生產流程圖如圖1 所示：

　　圖1 卷包生產工藝流程圖

　　2、卷包數采系統體系結構

　　卷包數采系統體系結構圖詳見圖2 所示。

圖2卷包數采系統體系結構圖

　　3、系統網絡拓撲結構

　　為確保網絡通訊的可靠性，卷包數采系統采用西門子OSM 為核心構建數采工業光纖環網，硬件拓撲結構如下圖（圖3）所示：

圖3 數采光纖環網拓撲結構圖

　　4、系統實現方案設計

　　現場數采站軟件運行在WINDOWS2000 PRO 平臺上，采用VC 編程，主要包括現場設備數據采集、本地監控與終端漢化、現場管理等功能。

　　4.1 數據采集功能

　　數據采集是該項目最重要和最基本的功能。針對不同設備特點，量身定制出相應的數采策略，實時采集各設備的生產、消耗、設備、質量等數據。雖然卷包設備千差萬別，但其數采軟件處理都遵循以下流程（見圖4）：

圖4 數采軟件處理流程

　　設備數據接口是由設備電控系統完成的；數采裝置數據采集（數據接口和數據處理）、數據通信是由現場數采裝置完成的；數據收集和存儲、信息下發是由數據庫服務器上的數據通信平臺完成的。

　　4.1.1 設備數據接口

　　設備數據接口是指設備本身能夠提供相應的數據輸出方式，使數采裝置可以實時獲取設備的各種原始數據。蕪湖卷煙廠大部分卷包設備已具備數據接口功能，部分設備需要新增或完善其數據接口功能，具體列表如下（見表1）：

　　通過對各種設備電控系統的分析和解剖，徹底了解其數據通信硬件接口方式和軟件數據交換協議，是實現各種設備數據采集的基礎。同時，如果設備本身不具備完整的數據接口功能，則必須通過增加相關硬件設備或修改PLC 程序來提供數據接口功能。

　　4.1.2 數采裝置數據采集

　　數采裝置數據采集是卷包數采系統的核心。包括數據接口和數據處理兩部分功能。數據接口就是按照設備數據接口協議的要求，通過相應的硬件連接，從設備上實時獲取原始數據；數據處理就是以設備原始數據為基礎，按照一定規則進行處理，最終形成各種有效、準確、全面的現場數據。

　　只要全面了解了各種設備的數據接口特性，利用相關接口卡所提供的驅動程序，遵循設備數據接口協議，即可以快速實現其數據接口功能。

　　數據處理也是數采系統的一項關鍵技術，需要許多實施經驗支持才能使數據的處理更加有效和準確，例如從原始數據中剔除不真實的數據，正確處理數據的日期、輪班；自動結帳處理等等。

　　數據采集的最終結果（數據處理的輸出）是適應于管理需要的結構一致的數據記錄。

　　4.1.3 數據通信

　　負責數采站與應用服務器間的數據雙向傳輸。其特點是：

　　1）當數采網絡和服務器發生故障時，現場數據保存在本地；當恢復正常時，自動將歷史數據上傳，確保數據的完整性。

　　2）同一型號設備（如所有包裝機組，不管是GD、還是B1），其數據通信模塊是相同的；不同設備類型之間的差異也非常小。

　　4.1.4 數據通信平臺

　　這是一個專門的卷接包數采數據通信平臺。該平臺完成各數采站的數據收集和存儲以及相關信息的下發功能，性能穩定、擴充性強。

　　4.2 本地監控與終端漢化功能

　　在數據采集的基礎上，以圖形和表格等形式實現設備運行情況的本地監控與異常報警，指導現場操作和生產。包括概要圖顯示、故障報警、生產設備質量消耗實時（歷史）數據查詢、在線故障診斷幫助等功能。此外，GDX2 包裝機組和和B1 包裝機組數采站可以完全實現原設備顯示終端上的所有功能并進行漢化，可以替代原有顯示終端。

　　4.3 集中監控系統

　　在集中監控系統中采用 GE 的 Proficy HMI/SCADA - iFIX 的監控軟件， 并利用iWebServer 通過 Web 服務器發布，客戶端可以使用標準 Web 瀏覽器看到 SCADA Server上的實時動態數據。上位監控計算機對整個卷接包生產過程，包括成型發射、卷接機、包裝機、條煙輸送、裝封箱機，以及相關輔助系統如風力送絲系統、負壓除塵系統、儲絲柜系統等進行實時有效的監控。同時監控計算機和現場數采站通過和數據庫服務器的連接，具備了全線信息查詢的功能。

　　特色：

　　集中監控層采用了 GE 的 Proficy HMI/SCADA - iFIX 的監控軟件，使得該項目在實施過程中能夠精確監視、控制整個卷包生產過程，優化生產設備和企業管理資源。并能對事件快速反映，減少原料消耗，提高生產效率。由于該系統采用 GE 的Proficy HMI/SCADA - iFIX 的監控軟件，具有以下特色功能：

　　3D 化的圖形界面:

　　Proficy HMI/SCADA - iFIX 提供了強大的繪圖功能，繪圖工具可以快速地創建所需的圖形動畫，根據需要可以調用豐富的位圖，基于 Proficy HMI/SCADA - iFIX 強大的繪圖功能，該系統采用了大量 3D 的圖形界面。 根據生產線的工藝平面布局和物料流向，通過形象的設備外形圖符方式模擬顯示系統狀態、操作模式、各個卷包設備和連接輔助設備的運行狀態、作業任務執行狀態以及各卷包機組生產牌名、生產班次、總產量、生產數據、重量數據、剔除數據、廢品數據、停機數據等當前值。

　　如下圖所示：

卷接包生產工藝概要圖

　　裝封箱機組平面圖

　　條煙輸送平面圖

　　儲絲柜平面圖

嘴棒發射機組平面圖

　　使用 VBA 編輯具有向導功能頁面:

　　該系統具有的向導功能頁面指的是利用 VBA 代碼編寫的具有向導功能的頁面。由于該系統未配置 Historian，所以系統設置兩臺高性能的 PC 服務器實現冗余配置。一方面，集中監控計算機將現場采集的主要數據定時匯總存入數據庫服務器，提供制絲線控制系統對關鍵生產、設備、工藝數據的緩存能力，另一方面，I/O 服務器提供的 OPC 2.0 服務又作為制造執行系統（MES）的生產實時數據的來源。由于生產執行系統需要下發生產計劃，和集中監控層存在一定的數據信息交互。在系統中利用 iFIX 提供的強大的 VBA 代碼編寫了具有向導功能的頁面。通過該向導，系統可以引導用戶完成一系列復雜的信息交互。前臺的表現形式都是簡單清晰的圖形界面，后臺由 VBA 編寫代碼完成大量的數據交互，有效提高了系統的執行效率。

　　如下所示為一個流程的向導頁面：

　　標簽組編輯器的大量運用:

　　由于在該系統中具有大量重復調用的頁面，所以我們根據 Proficy HMI/SCADA - iFIX 提供的標簽組編輯器和VBA 代碼開發了具有組態功能的圖符，當我們打開或切換畫面時，系統可以讀取標簽組文件，并使用其中所定義的過程值替代圖中的標記。下圖為在該工程中大量調用的電機頁面，采用了 Proficy HMI/SCADA - iFIX 中 VBA 代碼、圖符、標簽組的功能。

　　監控系統系統 WEB 發布功能:

　　由于系統采用了 iWebServer，通過監控網絡和 Web 服務器提供的 Web 發布服務，集中監控系統可以將制絲線生產過程監控畫面發布到相關的生產部門。用戶只需通過 Web 瀏覽 器即可查看生產線總體狀態、主機設備監控畫面、工藝參數的實時趨勢等生產過程信息， 發布的信息可以和監控系統的運行畫面保持一致。

　　4.4 現場管理

　　現場管理是企業信息化向機臺現場的延伸，是規范生產行為，強化現場管理的一個重要手段。現場管理軟件功能開發的宗旨是使機臺操作人員以最簡單的操作，實時錄入管理所需的各種信息，同時全面、直觀獲取現場生產所需的相關信息。主要包括現場數據錄入和現場信息查詢等兩大部分功能。

　　現場數據錄入主要包括質量自檢、維修請求、設備維護信息、設備運行狀態、換牌確認、交接班記錄等現場信息的錄入功能。是設備自動數據采集的補充，實現了現場管理的信息化。現場信息查詢主要包括生產計劃、換牌通知、生產調度指令、各機臺產量對比情況等信息的查詢功能。通過該功能的實施，確保了現場人員嚴格按標準和調度指令進行生產，加快了異常事件的反饋處理速度。當現場數采站接收到重要信息時，該信息將立即自動彈出。

　　4.4.1 現場數據錄入功能

　　數采系統除了自動實時采集設備上的各種現場數據外，還有很多管理所必需的數據是要通過人工錄入的方式來采集的，數采系統提供了這些數據的錄入功能。

　　1） 質量自檢數據的錄入

　　包括外觀檢驗情況和煙支重量數據等兩種。外觀數據包括檢驗時間、產品段、缺陷名稱、缺陷數量、處理措施等，機臺人員只要錄入相應的編號代碼（缺陷代碼、處理措施代碼等）及數量即可，操作簡單。

　　2） 維修請求、維修記錄及設備運行狀態的錄入

　　機臺出現設備故障后可以通過機臺數采站發出維修請求，維修請求經服務器轉送到維電班。因此，在維電班設有一個查詢終端，該查詢終端可以實時監視整個車間設備運行狀況，在接收到維修請求后，維修工可立即到達現場對故障進行確認和維修，設備恢復正常運行后，解除相應的請求并錄入相應的設備維修記錄（故障現象、故障原因、維修時間、換件情況及維修結論等），維修時間是由系統自動計算的，在沒有授權情況下，維修工無權改動，確保了數據的客觀性。

　　為了更加準確地采集設備的運行狀態，機臺上還提供了特殊設備運行狀態的錄入功能，這些狀態包括調度停機、設備調整、換牌、卷包不平衡（待料）、試用原輔料等。

　　3） 換牌確認

　　機臺換牌前將接收到換牌通知，機臺人員在作好相應的換牌準備工作并開始換牌生產時，應該進行相應的換牌確認。這樣就能確保數據所對應牌號的正確性。

　　4） 交接班信息的錄入

　　錄入交接班信息、帶班長交接班信息等數據。在大量歷史數據的分析統計基礎上，我們對交接班信息進行了歸類，錄入時只用選擇相應的選項避免了在機臺上錄入漢字。

　　4.4.2 現場信息查詢功能

　　1） 生產計劃情況查詢

　　查詢本機臺所在資源組ERP 系統每天下發的生產計劃

　　2） 調度通知查詢

　　包括車間或各班長下發的各種調度通知的查詢、歷史通知記錄的查詢以及工藝調度通知、換牌通知等的查詢。

　　3） 各機臺產量對比查詢

　　實時查詢各機臺產量對比情況。

　　4） 機臺維修記錄及維修經驗查詢

　　實時查詢本機臺維修記錄及相關維修經驗支持。

　　三、 結論

　　2005 年10 月，蕪湖卷煙廠“十五”技改項目通過總體驗收。該系統通過對卷接包生產過程中產生的各種基本數據信息進行監視，了解生產的最新進展，以便對生產過程實施有效控制；對生產過程中出現的設備故障或工藝質量問題、物流狀態等異常情況及時報警提示，以便及早控制與處理。可以快速而容易地發現有關的事件和趨勢，并對將要發生的問題及時做出響應，同時將各種可分配資源有效地分配給最需要的生產工藝流程中。

　　本系統具有高度的擴展性和穩定性，維護方便。通過幾年來的使用和跟蹤觀察，GE Proficy HMI/SCADA – iFIX 至今運行安全、穩定、可靠、高效，標準的 VBA 語言，更體現了本系統的可擴展性與可維護性，對于當前越來越龐大和復雜的煙草自動化控制系統是一種非常好的解決方案。

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