基于CIMS的生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遲修東 朱 敏 孟偉東

（1.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠,山東 青島 266101;2.銅陵學(xué)院,安徽 銅陵 244000）

1.引言

在知識(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，企業(yè)通過現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）統(tǒng)一、高效、靈活地實(shí)現(xiàn)企業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)、服務(wù)及管理過程柔性化，因此，CIMS信息集成系統(tǒng)已成為企業(yè)管理不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施[1]之一。目前，企業(yè)已形成以企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）為上層、以生產(chǎn)執(zhí)行分系統(tǒng)（MES）為中間層、以生產(chǎn)及物流自動(dòng)化分系統(tǒng)為底層的三層信息化管理架構(gòu)，極大地提高了企業(yè)精細(xì)化管理及制造水平。CIMS系統(tǒng)的實(shí)施，為企業(yè)提供了大量工藝、質(zhì)量等數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)和高性能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)，為企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)的實(shí)施提供了數(shù)據(jù)保證[2]。為了穩(wěn)步推進(jìn)“卷煙上水平”工作的進(jìn)度，就必須保證“質(zhì)量上水平”工作的順利實(shí)施,因此，在CIMS系統(tǒng)上構(gòu)建了生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)，以保證實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程（SPC）控制、西格瑪水平（SIGMA）測(cè)量及多維度、多角度質(zhì)量檢驗(yàn)(UNILAB)分析等質(zhì)量控制指標(biāo)的完成，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的管理。CIMS體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.體系與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于J2EE的B/S體系構(gòu)建，通過WebService接口交換數(shù)據(jù)。以關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)管理、相關(guān)工藝參數(shù)管理為基礎(chǔ)，過程監(jiān)控、參數(shù)西格瑪水平評(píng)價(jià)、分析診斷為核心，形成了一個(gè)監(jiān)控、評(píng)價(jià)、分析診斷、不斷修正、持續(xù)改進(jìn)的管理系統(tǒng)平臺(tái)。生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)由SPC系統(tǒng)、西格瑪測(cè)評(píng)系統(tǒng)和生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)組成。生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 CIMS體系結(jié)構(gòu)

質(zhì)量管理平臺(tái)模塊和報(bào)表查詢模塊位于系統(tǒng)的最頂層。其中，質(zhì)量管理平臺(tái)模塊主要是用來記錄和查詢生產(chǎn)質(zhì)量信息的變化和更新。包括：新增和修改工藝參數(shù)、工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；新增工藝牌號(hào)、工藝流程以及每月下發(fā)的工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。報(bào)表查詢模塊是根據(jù)企業(yè)需要，用戶依據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等查詢條件，對(duì)工序號(hào)、機(jī)臺(tái)號(hào)、班組號(hào)、牌號(hào)、車間代碼等西格瑪水平參數(shù)進(jìn)行查詢。對(duì)企業(yè)的質(zhì)量管理提供數(shù)字化依據(jù)和決策支持。

圖2 生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

中間層主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成，其分別是：SPC系統(tǒng)、西格瑪測(cè)評(píng)系統(tǒng)和質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)。

SPC系統(tǒng)以控制圖的形式實(shí)時(shí)展示制絲工序和卷包工序生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。制絲工序主要有水分、溫度、精度、流量、比例等關(guān)鍵指標(biāo)；卷包工序主要有缺陷類（煙支空頭、煙支漏氣、煙支過輕、煙支過重、廢品率、缺嘴率；小包剔除率、小包廢品率、小包空頭率、小包缺支、條盒剔除率、條盒廢品率）和消耗類（盤紙消耗、水松紙消耗、嘴棒消耗、鋁箔紙消耗、小盒盒片單耗、小包透明紙單耗、條盒單耗、條盒透明紙單耗）等控制指標(biāo)。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常趨勢(shì)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)預(yù)警提示，讓操作人員能及時(shí)關(guān)注并判斷系統(tǒng)異常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并幫助操作人員進(jìn)行判斷。

西格瑪測(cè)評(píng)系統(tǒng)是按照西格瑪管理模式，以行業(yè)指導(dǎo)原則為基準(zhǔn)，計(jì)算出企業(yè)級(jí)、車間級(jí)、班組級(jí)、工段級(jí)的西格瑪水平，查找質(zhì)量短板，提高質(zhì)量水平。

質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)是制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）架構(gòu)中的一個(gè)模塊，也是數(shù)據(jù)的提供層，記錄產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，為關(guān)鍵性能指標(biāo)的考核提供依據(jù)。

最底層也就是數(shù)據(jù)提供層。在本系統(tǒng)中，包括制絲工序和卷包工序的所有采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由底層的PLC通過GE的IFIX軟件完成數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 SPC系統(tǒng)

SPC（Statistical Process Control，統(tǒng)計(jì)過程控制）是為了貫徹預(yù)防原則，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法監(jiān)控生產(chǎn)過程中的各個(gè)階段，從而改進(jìn)與保證產(chǎn)品質(zhì)量[3]。SPC技術(shù)的出現(xiàn)，使得產(chǎn)品質(zhì)量管理由被動(dòng)的“事后把關(guān)”模式發(fā)展到主動(dòng)的“事前預(yù)防”模式。運(yùn)用SPC技術(shù)將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析計(jì)算后以控制圖[4]表現(xiàn)出來，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不合格趨勢(shì)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)人員可及時(shí)處理報(bào)警信息，調(diào)整生產(chǎn)過程，可以有效地避免不合格品的產(chǎn)生，從而大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)也提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

圖3 SPC系統(tǒng)功能模塊圖

該系統(tǒng)基于ASP.NET開發(fā)，采用組態(tài)控件顯示，以Wonderware公司的QI Analyst8.0產(chǎn)品作為系統(tǒng)支撐平臺(tái)。其功能如圖3所示。主要功能為：

(1)制絲車間SPC模塊管理。制絲車間是卷煙廠進(jìn)行SPC管理的核心。主要是在線實(shí)時(shí)分析模塊和歷史回溯模塊，并在歷史回溯分析中增加了同牌號(hào)不同批次的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比。對(duì)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)，提供及時(shí)有效的數(shù)據(jù)不僅可以給操作人員提供良好的技術(shù)支持，使系統(tǒng)保持在最佳的生產(chǎn)狀態(tài)，避免損失的出現(xiàn)；同時(shí)，提供了實(shí)時(shí)參數(shù)點(diǎn)的均值、標(biāo)偏和CPK計(jì)算以及相關(guān)參數(shù)點(diǎn)的同步展示，也為不斷地總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提高生產(chǎn)過程能力提供了平臺(tái)。有利于經(jīng)驗(yàn)的傳承和發(fā)展。

(2)報(bào)警信息管理。報(bào)警信息系統(tǒng)是SPC系統(tǒng)中重要的一環(huán)。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常的情況，如數(shù)據(jù)點(diǎn)落在了控制限之外等。系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的報(bào)警規(guī)則進(jìn)行報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行處理，使過程盡快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)卷包SPC管理。卷包車間的機(jī)組分為卷接機(jī)和包裝機(jī)。根據(jù)需求，主要針對(duì)了生產(chǎn)過程中的剔除和消耗進(jìn)行分析和控制。為實(shí)施企業(yè)降能減耗提供了新的管理依據(jù)。

2.2 西格瑪測(cè)評(píng)系統(tǒng)

以國家煙草專賣局發(fā)布實(shí)施的《卷煙制造過程西格瑪水平測(cè)評(píng)導(dǎo)則》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]為基點(diǎn)，導(dǎo)入西格瑪水平管理思想，將參數(shù)化控制作為核心手段，以穩(wěn)態(tài)過程控制作為評(píng)價(jià)模型，以過程制造能力評(píng)價(jià)作為測(cè)算模型，基于CIMS系統(tǒng)，構(gòu)建了生產(chǎn)過程西格瑪水平測(cè)評(píng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為煙草行業(yè)內(nèi)企業(yè)間的多點(diǎn)聯(lián)合生產(chǎn)提出了一種模式。其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

西格瑪水平測(cè)評(píng)系統(tǒng)注重關(guān)鍵性能指標(biāo)CPK(Complex Process Capability index)的計(jì)算，更強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的離散程度和整體的合成[6]。系統(tǒng)功能包括：過程西格瑪水平計(jì)算管理、過程質(zhì)量統(tǒng)計(jì)管理、公式庫管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、工藝標(biāo)準(zhǔn)管理等。

(1)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理功能，包括西格瑪水平計(jì)算、修改和查詢。根據(jù)測(cè)評(píng)模型的層次查詢西格瑪水平數(shù)值，并進(jìn)行修改和重新合成操作。

(2)西格瑪水平計(jì)算管理功能由過程西格瑪水平計(jì)算管理模塊和過程質(zhì)量統(tǒng)計(jì)管理模塊組成。該功能在針對(duì)流程性產(chǎn)品（如煙絲）的生產(chǎn)過程西格瑪水平數(shù)值采用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)含有缺陷的質(zhì)量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)過程西格瑪水平數(shù)值則采用百萬分概率缺陷參數(shù)DPMO (Defects Per Million Opportunities)進(jìn)行計(jì)算。并依照工序、車間和企業(yè)三層關(guān)系進(jìn)行合成處理。

圖4 卷煙制造過程西格瑪測(cè)評(píng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(3)公式庫管理功能對(duì)系統(tǒng)測(cè)評(píng)模型中采用的標(biāo)準(zhǔn)西格瑪測(cè)評(píng)公式進(jìn)行管理。用戶提供的特殊計(jì)算公式可通過該功能中的自定義模式進(jìn)行處理。西格瑪測(cè)評(píng)模型在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以自動(dòng)引用公式庫中的相關(guān)計(jì)算公式，以提高計(jì)算自動(dòng)化水平。

2.3 質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)

采用先進(jìn)成熟的軟件技術(shù)，以ISA-95質(zhì)量管理模型為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的從原材料、半成品、成品之間的生命周期管理。主要是對(duì)煙絲、梗絲、薄片的過程檢驗(yàn)、卷包過程檢驗(yàn)、包裝卷制、包裝標(biāo)識(shí)、主流煙氣、常規(guī)化學(xué)分析的檢驗(yàn)、感官評(píng)吸和材料、原料檢驗(yàn)。主要功能為：

(1)規(guī)范管理。相關(guān)操作人員可以通過標(biāo)準(zhǔn)LIMS接口，將產(chǎn)品規(guī)范管理模塊中所定義的產(chǎn)品類型、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、版本號(hào)等產(chǎn)品檢驗(yàn)基礎(chǔ)信息儲(chǔ)存到質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)中。

(2)過程觸發(fā)。系統(tǒng)可以在工單管理過程中，根據(jù)工單執(zhí)行的狀態(tài)值，手動(dòng)或自動(dòng)觸發(fā)生產(chǎn)過程質(zhì)量檢驗(yàn)請(qǐng)求，該檢驗(yàn)請(qǐng)求可關(guān)聯(lián)觸發(fā)相關(guān)檢驗(yàn)人員的產(chǎn)品檢驗(yàn)工作提示信息，以簡(jiǎn)化檢驗(yàn)人員的樣本取樣及產(chǎn)品檢驗(yàn)工作，繼而通過工作效率。

(3)過程檢驗(yàn)。在質(zhì)量檢驗(yàn)過程中，系統(tǒng)通過與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接，自動(dòng)提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，以方便對(duì)產(chǎn)品檢驗(yàn)樣本的檢測(cè)工作。

3.技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 用戶單點(diǎn)登錄。系統(tǒng)中所有的子系統(tǒng)共享一個(gè)身份認(rèn)證系統(tǒng)。身份認(rèn)證系統(tǒng)將用戶登錄信息和用戶信息庫相關(guān)聯(lián)，對(duì)用戶進(jìn)行身份登錄認(rèn)證；用戶身份認(rèn)證成功后，身份認(rèn)證系統(tǒng)生成唯一的用戶認(rèn)證標(biāo)志（ticket），并返還給所有子系統(tǒng)，以幫助子系統(tǒng)判斷用戶登錄的有效性。

3.2 數(shù)據(jù)采集和歸檔。西格瑪水平測(cè)評(píng)系統(tǒng)通過OPC采集器每六秒實(shí)時(shí)采集一次生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在Historian數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)可對(duì)每個(gè)Tag點(diǎn)的采集頻率和采集相位進(jìn)行獨(dú)立或批量設(shè)置、定義。系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存功能，能夠極大地緩解網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定所造成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。系統(tǒng)可自定義設(shè)置歷史數(shù)據(jù)歸檔時(shí)間，數(shù)據(jù)歸檔時(shí)先對(duì)原始數(shù)據(jù)采用偏差、斜率等壓縮算法進(jìn)行壓縮處理，提高磁盤存儲(chǔ)空間的利用效率。

3.3 數(shù)據(jù)過濾。系統(tǒng)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)按照干頭、過程、干尾、結(jié)束等生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)去區(qū)分，以便于實(shí)現(xiàn)全批次數(shù)據(jù)采集。并通過MES系統(tǒng)Simantic平臺(tái)下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾。

3.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。系統(tǒng)通過JOB方式定期對(duì)卷包綜合測(cè)試臺(tái)、MES質(zhì)量管理系統(tǒng)和KPI(Key Performance Indicator)指標(biāo)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行封包、轉(zhuǎn)存處理操作。

3.5 業(yè)務(wù)信息轉(zhuǎn)存。系統(tǒng)通過OPC方式對(duì)制絲和卷包車間的工單批次、班別、班次、產(chǎn)量等生產(chǎn)業(yè)務(wù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)存處理操作。

3.6 數(shù)據(jù)檢索。質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可使用外部報(bào)告軟件，通過Universe數(shù)據(jù)模型與報(bào)表管理模塊實(shí)現(xiàn)無縫連接，從而做到了對(duì)數(shù)據(jù)檢索處理的快速和高效。

3.7 海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)交互。系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對(duì)多數(shù)據(jù)源（Oracle 10g數(shù)據(jù)庫、Access數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫RTDS/OPC/INSQL等）的共971個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)視處理。

3.8 版本控制。系統(tǒng)支持法規(guī)遵從、21CFR11審計(jì)跟蹤，完整記錄和控制更改歷史和對(duì)象版本等信息，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

4.總結(jié)

構(gòu)建生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)離散的、簡(jiǎn)單的手工操作方式，代之以自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)在線、網(wǎng)絡(luò)控制等特點(diǎn)成為企業(yè)信息化不可缺少的一部分，實(shí)現(xiàn)由離線控制變?yōu)檫^程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)從“事后檢驗(yàn)”到“預(yù)防不合格品產(chǎn)生”。同時(shí)，關(guān)注于整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量的全過程的分析，提供了從企業(yè)整體西格瑪水平到具體的關(guān)鍵性能指標(biāo)的CPK的判斷，這些對(duì)提高產(chǎn)品可控性和產(chǎn)品質(zhì)量管理水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也為全面質(zhì)量管理提供了一種數(shù)字化的應(yīng)用。

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