卷煙工業(yè)企業(yè)制絲車間少人化生產(chǎn)模式下集控系統(tǒng)應(yīng)對策略

趙路，王宇

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司阜陽卷煙廠，安徽 阜陽 236000）

隨著工業(yè)4.0 革命的推動(dòng)，信息化和工業(yè)化“兩化”融合帶來了工廠生產(chǎn)模式的變革，智能工廠成為現(xiàn)代化工廠的發(fā)展方向。在卷煙工業(yè)企業(yè)中，制絲工藝控制水平通常作為衡量工業(yè)化水平的標(biāo)志，制絲車間普遍采用集中控制的模式，通過高可靠的可編程序控制器和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建集控系統(tǒng)，信息交互全部由集中控制室發(fā)出，完成整條工藝段設(shè)備啟停、過程加工、工藝控制等任務(wù)。這種控制模式下，自動(dòng)化程度高，人員配置相對較少，生產(chǎn)現(xiàn)場保留關(guān)鍵工藝崗位、中控、維修崗位操作人員。如何進(jìn)一步優(yōu)化人員配置，實(shí)現(xiàn)少人化運(yùn)作，除了科學(xué)的管理手段外，提升集控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和自我決策能力，減少人員操作頻次，是一種有效的解決方案。

1 當(dāng)前集控模式下崗位配置現(xiàn)狀調(diào)查與分析

2019 年，阜陽卷煙廠制絲車間在崗人數(shù)117 人，分為甲乙兩班次，分為基層管理人員、維修人員、現(xiàn)場作業(yè)人員及輔助人員四類?，F(xiàn)場作業(yè)人員和維修人員占總?cè)藛T80%以上，分配在制絲車間各工序上，主要負(fù)責(zé)完成設(shè)備操作、生產(chǎn)任務(wù)及工藝質(zhì)量控制，具有崗位分散、工作任務(wù)單一的特征。

制絲車間采用集中控制模式，包含三層邏輯結(jié)構(gòu)：設(shè)備控制層、集中監(jiān)控層、數(shù)據(jù)管理層。其中，設(shè)備控制層負(fù)責(zé)各主站的設(shè)備自動(dòng)化控制，集中監(jiān)控層主要實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互連、集中監(jiān)視操作等功能，車間級(jí)數(shù)據(jù)管理層主要完成與MES/SPC/ERP 等信息系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)信息的上傳下達(dá)，三層邏輯結(jié)構(gòu)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，除中控室中控人員進(jìn)行生產(chǎn)操作外，其他人員設(shè)備操作較少。從控制模式和設(shè)備工藝運(yùn)行情況看，人工作業(yè)主要集中在設(shè)備和工藝質(zhì)量維護(hù)兩個(gè)方面。

1.1 設(shè)備穩(wěn)定性不高，造成設(shè)備維保人員的投入

從故障類型和故障發(fā)生頻次上看，制絲車間故障分為機(jī)械故障、電氣故障、物料堵料三大類。制絲車間主機(jī)設(shè)備機(jī)型種類繁多，機(jī)械故障多數(shù)發(fā)生在各類傳動(dòng)、振動(dòng)裝置如鏈條、軸承等部位，此類故障發(fā)生率占機(jī)械類故障一半以上，由于缺乏有效監(jiān)測手段，設(shè)備異變不易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生，機(jī)械故障造成的停機(jī)需要操作人員或?qū)I(yè)人員來恢復(fù)[2]。電氣故障中，檢測元器件和網(wǎng)絡(luò)故障占比70%以上，檢測元器件由于數(shù)量龐大，不易進(jìn)行人工點(diǎn)檢，易受振動(dòng)、保養(yǎng)等因素影響，網(wǎng)絡(luò)故障具有不易排查、不易預(yù)防的特點(diǎn)，人工維護(hù)難度較大。物料堵料發(fā)生率較高，具有不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、故障恢復(fù)耗時(shí)長的特點(diǎn)。

在故障排查維修時(shí)間成本上看，機(jī)械故障發(fā)生部位較為集中直觀，維修方式固定，維修時(shí)間成本穩(wěn)定；由于設(shè)備型號(hào)、控制邏輯等不統(tǒng)一，電氣故障維修難度增大，故障排查時(shí)間成本高。調(diào)研阜陽卷煙廠現(xiàn)狀，可以看出，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)繁雜，通信方式較多，如HMI 存在接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)和接入PLC 兩種接入方式，監(jiān)控層存在IFIX 監(jiān)控軟件和WINCC flexible多款監(jiān)控軟件，控制器存在西門子PLC 300、400 等多種型號(hào)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在Profibus DP/PA、Profinet PN 等多種通信方式，造成電氣設(shè)備維護(hù)難度增大。

1.2 質(zhì)量智能化控制能力不足，增加精益管理上人員投入

卷煙加工工藝不僅是一個(gè)滿足工藝指標(biāo)、降低消耗的過程，也是提高感官質(zhì)量的過程和技術(shù)方法。近年來，制絲工藝控制采用分組加工、精細(xì)化控制和柔性生產(chǎn)等新工藝、新技術(shù)，提高產(chǎn)品感官質(zhì)量和產(chǎn)品“個(gè)性化”“差異化”，因此，對工藝精益控制提出了新要求。

受工藝流程、設(shè)備性能、工藝參數(shù)、PID 算法等影響，傳統(tǒng)自動(dòng)化控制手段難以進(jìn)一步提升工藝控制精度。為了維護(hù)工藝指標(biāo)的控制水平，現(xiàn)場關(guān)鍵主機(jī)設(shè)備都設(shè)立操作人員進(jìn)行輔助操作，因此，需要通過信息化的融合，借助數(shù)字智能分析工具推動(dòng)工藝指標(biāo)控制精益化水平是減少人員配置的必要手段。

調(diào)研阜陽卷煙廠制絲車間現(xiàn)狀，部分設(shè)備未完全接管人工操作，如烘梗絲機(jī)、梗絲加料機(jī)，人工預(yù)熱后再轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制，烘絲機(jī)的筒壁溫度、梗絲加料前喂料機(jī)提升帶頻率等部分主機(jī)設(shè)備參數(shù)需要頻繁手動(dòng)調(diào)整，人工調(diào)節(jié)存在滯后超調(diào)等影響精度的問題，影響工藝指標(biāo)控制。

2 少人化生產(chǎn)模式下集控系統(tǒng)的應(yīng)對策略

2.1 構(gòu)建全面數(shù)采和報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期狀態(tài)監(jiān)控

規(guī)劃一個(gè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)全面數(shù)采。配置高點(diǎn)數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（如10 萬點(diǎn)），把電機(jī)數(shù)據(jù)（溫度、電流、頻率、啟動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等）、執(zhí)行器開度、傳感器狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息采集到數(shù)據(jù)庫中，打通所有智能設(shè)備與上層管理軟件之間的連接。建立面向設(shè)備全生命周期的狀態(tài)監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)查看設(shè)備重要狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合設(shè)備的工藝指標(biāo)檢測，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備全生命周期健康指數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)和設(shè)備管理。

建立完善的報(bào)警預(yù)警機(jī)制。實(shí)現(xiàn)全面報(bào)警、分級(jí)報(bào)警、預(yù)判報(bào)警等模式，對器件狀態(tài)、開機(jī)條件、運(yùn)行時(shí)間、閥門開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)故障診斷等功能提供診斷或信息，具有設(shè)備故障報(bào)警、生產(chǎn)過程故障報(bào)警、工藝質(zhì)量故障報(bào)警的功能、開機(jī)條件不足報(bào)警功能、網(wǎng)絡(luò)故障報(bào)警等功能，提高設(shè)備的自我感知、自我調(diào)整能力。

2.2 通過集控系統(tǒng)改造升級(jí)，有效提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性

通過“專網(wǎng)專用”的方式提高集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。制絲在三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步劃分為三張網(wǎng)絡(luò)，即生產(chǎn)控制網(wǎng)、生產(chǎn)管理網(wǎng)和中控管理網(wǎng)。其中，生產(chǎn)控制網(wǎng)負(fù)責(zé)制絲車間的數(shù)據(jù)采集控制，主要連接集控系統(tǒng)I/O 服務(wù)器、工程師站以及PLC；生產(chǎn)管理網(wǎng)是一張完整的操作網(wǎng)，采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場MES 終端和LED 信息屏的通訊；中控管理網(wǎng)通過核心交換機(jī)匯聚生產(chǎn)控制網(wǎng)、生產(chǎn)管理網(wǎng)和廠級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)。各網(wǎng)絡(luò)之間互不干擾、互不影響，在保證安全性和可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

借助新技術(shù)提高集控系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少人為因素影響。統(tǒng)一硬件配置，減少維修時(shí)間成本，PLC 使用西門子PLC1500 新系列，上下位監(jiān)控軟件統(tǒng)一采用最新型號(hào)版本，對電控主要電氣元器件如變頻器、饋電器的選型上采用相同品牌、相同規(guī)格的設(shè)備。集控系統(tǒng)現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場 PLC、現(xiàn)場集控和管理網(wǎng)交換機(jī)供電統(tǒng)一由廠級(jí) UPS 提供，避免動(dòng)力電源造成的設(shè)備閃停。在儲(chǔ)柜布料行車、分配行車、喂料機(jī)定量帶上使用激光測距儀、光幕代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電管，減少光電管的數(shù)量，進(jìn)而減少故障發(fā)生點(diǎn)，由于模擬量取代數(shù)字量，控制物流流速和料位高度更加精準(zhǔn)，對減少物料堵料起到良好的效果。

2.3 建立質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控體系，提高質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控能力

針對產(chǎn)品牌號(hào)、工藝參數(shù)、配方參數(shù)、加工路徑和貯柜、料罐選擇等重要質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套完善的質(zhì)量防差錯(cuò)控制模式。生產(chǎn)前，控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)檢、診斷并及時(shí)顯示診斷結(jié)果，讓操作人員第一時(shí)間掌握設(shè)備安全狀態(tài)、開機(jī)條件狀態(tài)和生產(chǎn)條件狀態(tài)。生產(chǎn)中，控制系統(tǒng)中增加信息記錄和信息比對功能、批次牌號(hào)比對防錯(cuò)糾錯(cuò)功能、工藝參數(shù)報(bào)警條件判斷處理功能，實(shí)時(shí)自我診斷，提高質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控能力。操作方式上，對進(jìn)出柜操作、線啟動(dòng)、批次下發(fā)等重要的操作環(huán)節(jié)采用向?qū)讲僮?，增加?yàn)證確認(rèn)功能，防止人為誤操作。

借助大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)。對工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、過濾、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析，通過圖表、數(shù)據(jù)列表等多種方式展現(xiàn)工藝控制質(zhì)量。同時(shí)，按照質(zhì)量統(tǒng)計(jì)和分析判異規(guī)則，對生產(chǎn)過程中工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，產(chǎn)生工藝質(zhì)量預(yù)警和報(bào)警。

2.4 多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間協(xié)作運(yùn)行

建立集中監(jiān)控系統(tǒng)和安防網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，制絲生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備故障報(bào)警，中控室操作員通過ActiveX控件，就近調(diào)用視頻監(jiān)控?cái)z像自動(dòng)轉(zhuǎn)向報(bào)警位置，進(jìn)行拍攝記錄，根據(jù)不同報(bào)警級(jí)別做出不同處理手段。

制絲集控系統(tǒng)與片煙配方庫系統(tǒng)、糖香料廚房、動(dòng)力能管等系統(tǒng)進(jìn)行集成，通過接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)的控制層互通以及共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的信息層互聯(lián)兩種方式，提高相關(guān)系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)、數(shù)據(jù)互通能力。

在制絲集控系統(tǒng)與MES 互聯(lián)互通上，MES 系統(tǒng)和制絲生產(chǎn)管理系統(tǒng)編寫業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，通過消息中間件（如ESB）完成信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享和相關(guān)系統(tǒng)的無縫集成。

總之，通過阜陽卷煙廠制絲車間少人化生產(chǎn)模式下集控系統(tǒng)的應(yīng)對策略研究，針對設(shè)備穩(wěn)定和工藝達(dá)標(biāo)對人員配置的影響，明確了少人化集控系統(tǒng)的建設(shè)策略，從全面數(shù)采和報(bào)警系統(tǒng)、集控系統(tǒng)改造升級(jí)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控體系、多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等方面建立更加精準(zhǔn)、更加系統(tǒng)、更加可靠的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提升設(shè)備運(yùn)行能力、精益控制能力和自我管理能力，阜陽卷煙廠制絲車間人員配置縮減13%左右。本項(xiàng)目對煙草工業(yè)企業(yè)少人化生產(chǎn)模式下制絲車間集控系統(tǒng)的建設(shè)具有借鑒意義。