編者按：隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等新技術(shù)的飛速發(fā)展，以及I T與O T技術(shù)的進(jìn)一步融合，工業(yè)制造、城市交通、電力能源、農業(yè)等各大行業(yè)領(lǐng)域的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢。推進(jìn)各領(lǐng)域向智慧化發(fā)展是一項復雜而龐大的系統工程，既需要單一技術(shù)與裝備的突破應用，還需要系統化的集成創(chuàng )新。智慧系統解決方案是推廣普及智能化技術(shù)的關(guān)鍵手段，是促進(jìn)各行業(yè)智能化水平提升的核心。

為深化智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步提升智慧產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域系統解決方案應用水平，現由中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )、智能制造推進(jìn)合作創(chuàng )新聯(lián)盟、工業(yè)控制系統信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )主辦，《自動(dòng)化博覽》雜志社&控制網(wǎng)（fcfhome.com）承辦的“2018智慧系統解決方案征集”活動(dòng)已正式啟動(dòng)，面向全行業(yè)公開(kāi)征集智慧系統解決方案。本刊特開(kāi)設智慧系統解決方案專(zhuān)欄，刊發(fā)其中優(yōu)秀的解決方案以饗讀者。

涂料行業(yè)在國民經(jīng)濟多個(gè)行業(yè)中起到服務(wù)和配套的重要作用，廣泛應用于機械制造、交通運輸、輕工、化工、建筑等行業(yè)，是不可或缺的功能材料。近兩年，由于房地產(chǎn)行業(yè)投資和整個(gè)社會(huì )消費的不景氣，及國家環(huán)保要求的日益嚴格，涂料生產(chǎn)企業(yè)面臨越來(lái)越大的壓力。

隨著(zhù)《中國制造2025》在工業(yè)制造領(lǐng)域的全面推進(jìn)，涂料行業(yè)也面臨著(zhù)向智能制造轉型升級，涂料產(chǎn)品個(gè)性化、定制化、專(zhuān)業(yè)化、服務(wù)化已成為涂料企業(yè)的主要方向，目前相對粗放的制造和生產(chǎn)已經(jīng)跟不上時(shí)代，行業(yè)需要滿(mǎn)足現代多品種、小批量，多生產(chǎn)線(xiàn)，具有訂單信息跟蹤等需求的智能制造解決方案中控利用在智能工廠(chǎng)建設方面多年經(jīng)驗積累，提出了面向涂料行業(yè)的智能制造解決方案，從而幫助涂料企業(yè)降低運營(yíng)成本、縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品不良品率、提高能源資源利用率、加強創(chuàng )新研發(fā)，提高核心競爭優(yōu)勢。

涂料行業(yè)是典型的柔性化生產(chǎn)，具有“產(chǎn)品多樣、規模不定、周期變化大”的特點(diǎn)，中控的涂料行業(yè)智能制造解決方案即為解決這些問(wèn)題而設計，其系統的建立基于中控的DCS+VxBatch+VxMES管控系統平臺，實(shí)現現代涂料行業(yè)柔性生產(chǎn)管理和控制，可使企業(yè)按需及時(shí)調整自身的生產(chǎn)工序和工藝彈性生產(chǎn)，同時(shí)滿(mǎn)足涂料行業(yè)中企業(yè)對“環(huán)保、安全、提質(zhì)、降本、增效”的實(shí)際需求。

整套智能制造解決方案主要通過(guò)實(shí)現兩化融合方式為涂料企業(yè)解決從訂單生成，到生產(chǎn)計劃、工單排產(chǎn)、工單生產(chǎn)、信息匯總、成本監控、物流協(xié)同及質(zhì)量控制等功能，可實(shí)現生產(chǎn)透明化規范化的管理和操作，訂單信息通暢且便于追溯，成本透明且能實(shí)時(shí)統計，配方管理安全保密且高效，生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保健康并減少人的參與，柔性化生產(chǎn)管理的目標。

1　系統總體方案

1.1　系統流程

該智能制造解決方案包括：控制系統（DCS），批量控制系統（VxBatch）、生產(chǎn)管理系統（VxMES）三套基本系統，三者之間的系統信息交互如圖1所示：

圖1 DCS、VxBatch、VxMES信息交互示意圖

1.2　系統架構

涂料行業(yè)多品種批量生產(chǎn)智能制造系統的核心是基于中控DCS+VxBatch+VxMES管控系統平臺，其中控制層為DCS和底層設備部分，直接負責工廠(chǎng)生產(chǎn)控制的環(huán)節；執行層由批量控制系統（VxBatch）和生產(chǎn)管理系統（VxMES）兩部分組成，VxBatch負責車(chē)間級生產(chǎn)批次的控制和管理，VxBatch與控制層進(jìn)行信息交互，VxMES負責整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)管理和協(xié)同，VxMES與ERP進(jìn)行信息交互，同時(shí)VxMES與VxBatch通過(guò)數據接口實(shí)現計劃指令等信息交互，最終實(shí)現DCS、VxBatch、VxMES以及ERP之間的信息交互，其系統架構如圖2所示。

圖2 系統整體架構

1.3　技術(shù)架構

系統建立在中控BAP開(kāi)發(fā)平臺之上，BAP平臺是一個(gè)基于私有云架構的協(xié)同管理系統開(kāi)發(fā)平臺。主要采用的技術(shù)有：J2EE 技術(shù)架構、OSGI、數據源、數據庫、緩存服務(wù)、授權與權限控制、AJAX 技術(shù)；支持SOA、支持自定義工作流、跨多操作系統平臺、跨多數據庫等。

1.4　網(wǎng)絡(luò )架構

系統網(wǎng)絡(luò )架構充分考慮數據采集的完整性和安全性。通過(guò)標準的OPC/Modbus協(xié)議，將生產(chǎn)現場(chǎng)數據通過(guò)數據采集器進(jìn)行采集。在網(wǎng)絡(luò )架構設計上采用以下技術(shù)：

·　利用MisGate和防火墻雙重保護，隔離生產(chǎn)控制層與生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò )之間的數據，保證生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò )的安全。

·　在實(shí)時(shí)歷史數據庫和應用服務(wù)器方面，采用冗余的方式，保證生產(chǎn)數據的完整和應用架構的。

圖3 系統網(wǎng)絡(luò )架構

·　支持生產(chǎn)管理數據可以通過(guò)外網(wǎng)以及手機端進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

1.5　集成架構

1.5.1　信息分類(lèi)

信息化系統集成的基本要求是實(shí)現信息的交互與共享。在系統集成過(guò)程中所涉及的信息按其特性可分為三類(lèi)：

公共數據：為企業(yè)核心數據，屬于各系統中都需要的信息。如企業(yè)的組織結構、物料、人員、供應商、客戶(hù)等信息。

共享數據：為與其它信息系統共享的信息。如在能源管理系統和成本核算系統中都需要產(chǎn)量、能耗、成本等信息。專(zhuān)有數據：為不與其它信息系統共享的信息。如系統日志、文檔信息等。圍繞這三類(lèi)信息與各個(gè)信息化系統之間的分類(lèi)模型如圖4所示。

圖4 系統信息分類(lèi)模型

實(shí)現信息集成的前提是明確哪些信息屬于公共數據，哪些信息屬于共享數據，又有哪些信息為子系統專(zhuān)有數據。

采用以下技術(shù)實(shí)現信息共享與交換的技術(shù)：

·　通用的靜態(tài)數據共享技術(shù)實(shí)現數據庫存儲與共享；

·　中間件技術(shù)實(shí)現動(dòng)態(tài)信息交換；

·　XML技術(shù)實(shí)現靜態(tài)信息跨平臺交換；

·　遠程過(guò)程調用實(shí)現動(dòng)態(tài)信息交換；

·　文件傳遞與共享實(shí)現靜態(tài)信息交換。

1.5.2　信息集成架構

信息化系統所涉及的信息來(lái)自企業(yè)內部和外部。各類(lèi)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸和數據集成服務(wù)存儲于生產(chǎn)管理基礎數據平臺服務(wù)器中，通過(guò)加工處理、規則提取和數據抽象形成各類(lèi)業(yè)務(wù)數據庫、知識庫中，并按照結構數據與非結構數據進(jìn)行分類(lèi)管理。

系統信息集成架構如圖5所示。

圖5 系統信息集成架構

1.6　數據采集方案

1.6.1　DCS數據采集

控制系統具有標準的數據通訊協(xié)議，通過(guò)數據采集網(wǎng)關(guān)實(shí)現實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器和DCS系統的連接。如圖6所示。增加數據采集網(wǎng)關(guān)的目的在于減低操作站負荷，網(wǎng)關(guān)的存儲轉發(fā)功能，結合MisGate，使得當網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)，過(guò)程數據存儲在網(wǎng)關(guān)機。當網(wǎng)絡(luò )恢復后，網(wǎng)關(guān)自動(dòng)將本地數據存儲到實(shí)時(shí)數據庫。這保證了數據不丟失。由于網(wǎng)關(guān)具有隔離控制網(wǎng)與管理網(wǎng)的作用，具有更高的安全性，保證控制系統的運行安全。

圖6 DCS數據采集架構圖

1.6.2　智能儀表數據采集

智能儀表數據采集采用Modbus協(xié)議，通過(guò)485 接口網(wǎng)絡(luò )連接到數據采集網(wǎng)關(guān)機。

1.6.3　PLC數據采集

PLC數據采集通過(guò)上位機的SCADA系統進(jìn)行數據采集，數據采集方式同控制系統。

1.6.4　斷點(diǎn)續傳

當由于網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器故障等原因導致無(wú)法及時(shí)將實(shí)時(shí)數據寫(xiě)入實(shí)時(shí)庫中，則數據采集程序會(huì )將未寫(xiě)入實(shí)時(shí)庫的數據暫存在網(wǎng)關(guān)上，當故障恢復后，采集程序自動(dòng)向實(shí)時(shí)庫中追加暫存的實(shí)時(shí)數據。數據在網(wǎng)關(guān)機上保存的時(shí)間取決于網(wǎng)關(guān)機硬盤(pán)容量，自動(dòng)上傳期限為一周，超過(guò)一周需將數據導出，手動(dòng)進(jìn)行上傳。

1.7　系統安全方案

1.7.1　操作系統安全性

網(wǎng)絡(luò )操作系統（NOS）是網(wǎng)絡(luò )系統應用的核心，負責管理系統的共享資源。服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )操作系統應采用多任務(wù)、多用戶(hù)結構。

·　系統可根據用戶(hù)對數據的不同要求，將用戶(hù)分成若干個(gè)角色，不同的角色具有不同的權限，服務(wù)器根據每個(gè)角色所具有的權限開(kāi)放相關(guān)的信息通道供登錄用戶(hù)查詢(xún)和操作。

·　用NTFS（NT文件系統）格式取代FAT，對文件和目錄可以使用ACL（訪(fǎng)問(wèn)控制），ACL可以管理共性目錄的合理使用，而FAT只能管理共享級的安全。

·　充分利用域管理功能，正確控制域用戶(hù)成員的權限。

1.7.2　系統使用安全設計

系統采用統一的用戶(hù)驗證與授權，對于用戶(hù)而言，只需要一個(gè)用戶(hù)身份和密碼，就可以根據權限訪(fǎng)問(wèn)到不同的應用模塊。統一的用戶(hù)驗證和授權是采用集成的用戶(hù)驗證和授權服務(wù)器來(lái)實(shí)現的，其技術(shù)是基于Web Services。其優(yōu)點(diǎn)主要表現在：

·　穿透防火墻的通訊；

·　基于XML和SOAP標準，實(shí)現不同應用架構和系統的集成；

·　支持B2B的企業(yè)應用集成。

1.7.3　數據備份安全設計

為了保障數據的存儲安全，針對信息化系統中的重要服務(wù)器系統及數據，對于物理介質(zhì)的損壞造成的數據丟失，采用聯(lián)機磁盤(pán)冗余備份、數據庫自動(dòng)備份，保證了數據的安全。當災難發(fā)生的時(shí)候，可以根據災難的情況選擇恢復策略（差異，完全或日志恢復）。選擇合適的恢復策略可以讓您的損失達到最小。

1.7.4　系統管理安全要求

制訂信息化系統的維護管理規范，加強對系統的安全管理，避免人為的造成系統故障。

1.8　系統方案特點(diǎn)

·　適用于涂料行業(yè)多品種、小批量，生產(chǎn)換線(xiàn)頻繁的訂單需求特征。

·　基于統一平臺，各業(yè)務(wù)無(wú)縫集成，進(jìn)行組件化模塊化構建?？梢詽M(mǎn)足企業(yè)當前需求與未來(lái)發(fā)展期望。

·　全面集成的業(yè)務(wù)框架，橫向集成各業(yè)務(wù)系統，縱向打通控制層、生產(chǎn)調度層、企業(yè)決策層各層次的業(yè)務(wù)。

·　多終端系統支持，比如：手機APP、手持終端、手機短信、車(chē)間觸屏等。

2　系統功能介紹

2.1　工廠(chǎng)模型

工廠(chǎng)模型即數字化建模，可以將工廠(chǎng)進(jìn)行數字化，建立全面的數字化工廠(chǎng)，包括工廠(chǎng)結構、生產(chǎn)線(xiàn)處理能力、設備、儀表、物料、生產(chǎn)質(zhì)量指標及相關(guān)的信息。由此將數據與設備、產(chǎn)品等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)這一模塊，可以配置并全面描述工廠(chǎng)的設計信息以及生產(chǎn)流程及產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，并可對生產(chǎn)線(xiàn)的改造信息進(jìn)行更新。

首先MES系統與ERP系統、批量控制系統相互同步基礎信息，如：人員資料、倉庫、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)、工作單元以及物料等；其次定義相關(guān)設置信息，如：各產(chǎn)線(xiàn)在各配方Unit對應的工位（配送），物料在各車(chē)間的車(chē)間庫，工位對應的倉庫（確定備料調撥、手工投料業(yè)務(wù)的倉庫），定義工位對應的PDA（推送投料通知），等等。

2.2　配方管理

配方管理實(shí)現對工藝配方的電子化管理，將其內容結構化，進(jìn)行配方數據高度保密統一管理，供制造工單、批量控制系統使用，涂料生產(chǎn)能將原料根據配方要求實(shí)現精細化自動(dòng)投料或人工投料，提高企業(yè)整體生產(chǎn)效率和競爭力。配方管理包括產(chǎn)品物料配方、操作步驟、設備運行參數、配方權限等信息。

2.3　計劃排產(chǎn)

計劃排產(chǎn)主要是將車(chē)間產(chǎn)能和資源良好匹配，在產(chǎn)能限制、關(guān)鍵瓶頸設備或工序限制、結合生產(chǎn)產(chǎn)品配方及訂單需求，實(shí)現制造工單的同步，即在ERP系統中編輯制造工單，通過(guò)接口傳遞給MES系統。MES系統將其下達給批量控制系統，生成控制配方。MES系統取消制造工單時(shí)，通知ERP系統和批量控制系統。

2.4　工單管理

涂料生產(chǎn)管理的核心是工單管理，通過(guò)工單管理實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的全程跟蹤，是生產(chǎn)執行系統的重要環(huán)節，能通過(guò)生產(chǎn)、物料配送、包裝環(huán)節的指令反饋收集現場(chǎng)實(shí)績(jì)，并同步收集現場(chǎng)質(zhì)量檢驗數據。工單管理分批控、非批控、工時(shí)報工三種模式。

（1）批控模式批量控制控系統通過(guò)監視模塊啟動(dòng)制造工單后，將狀態(tài)同步給MES系統。

批控模式包括自動(dòng)操作方案、人工投料方案、粉料投料和檢驗方案四種方案。

（2）非批控模式在MES系統中，手工啟動(dòng)、完成、中止（報廢時(shí)）制造工單，手工生成投料記錄、操作日志和產(chǎn)出記錄。

MES系統會(huì )將制造工單狀態(tài)、投料記錄、產(chǎn)出記錄及時(shí)傳遞給ERP系統，以便后者生成出、入庫單。

（3）工時(shí)報工模式

車(chē)間每天統計各批次的人工工時(shí)和機器工時(shí)，匯總后錄入MES系統。管理上確保原始記錄中，每個(gè)人在各批次上花費的時(shí)間之和不超過(guò)實(shí)際出勤時(shí)間。

2.5　生產(chǎn)備料

生產(chǎn)備料用于車(chē)間根據生產(chǎn)指令進(jìn)行備料準備工作，防止停工待料，提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)備料分人工備料、助劑備料、粉料備料三種方式。

（1）人工備料

物流部對照清單依次備料，打印標簽貼在包裝上，相應地生成備料記錄，并回填需求，當已備量接近計劃量時(shí)，將該行設為“完成”狀態(tài)。

備料物品送至工位后，操作工在PDA上簽收，備料記錄變?yōu)椤八瓦_”狀態(tài)。

（2）助劑備料

MES系統利用中間表發(fā)送指令，用戶(hù)在助劑系統上完成備料并打印標簽，備料記錄和完成狀態(tài)傳回MES系統。同樣地需要把備好的料送至相應的工位。

（3）粉料備料

MES系統向粉料系統發(fā)送指令，并接收數量反饋，生成備料記錄。粉料放于配方罐中，無(wú)需送至工位。備料完成后，組織調撥數據傳至ERP系統。

2.6　質(zhì)量管理

（1）質(zhì)量標準

導入產(chǎn)品的國家標準、行業(yè)標準或競爭對手標準，根據生產(chǎn)工藝的需要，定義原材料、半成品、成品的質(zhì)量標準，作為采購驗收、生產(chǎn)過(guò)程化驗、產(chǎn)品質(zhì)量判定、質(zhì)量偏差分析的依據。系統中的質(zhì)量標準對應一組項目的值范圍，支持版本管理。

（2）檢化驗管理

幫助用戶(hù)實(shí)現更高效的檢化驗分析管理，改變原有的人工流轉樣品和紙質(zhì)填寫(xiě)化驗報告的工作方式，可以實(shí)時(shí)準確的審核、發(fā)布檢測結果、對檢驗數據進(jìn)行回溯及歷史趨勢分析，降低運營(yíng)成本、工作強度和差錯率，提升用戶(hù)在品質(zhì)管理方面的工作效率和管理水平。

業(yè)務(wù)部門(mén)通過(guò)MES系統生成請檢單，傳入要分析的項目及合格標準，檢測中心逐項測試，最終形成檢驗報告，經(jīng)審批反饋給業(yè)務(wù)部門(mén)。

檢化驗管理主要功能包括任務(wù)管理、樣品管理、任務(wù)分配、檢驗記錄單和檢驗報告打印功能。

（3）SPC管理

SPC管理通過(guò)檢化驗數據的實(shí)時(shí)采集，運用SPC（統計過(guò)程控制）工具將數據分析計算后表現為控制圖顯示，在圖形的運行有不合格趨勢時(shí)預警，技術(shù)人員可及時(shí)調整以及原因分析和整改措施，充分體現“測量、分析、改進(jìn)”過(guò)程控制策略，做好事前可以預防，事后有效分析，將極大提高過(guò)程控制水平，使企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量持續提升成為可能。

2.7　批量控制

批量控制系統（VxBatch）負責車(chē)間級生產(chǎn)批次的控制和管理，與控制系統（DCS）進(jìn)行信息交互。充分利用各種工業(yè)標準，可以滿(mǎn)足小型的、基本的批次/順序處理需求以及分布式的、綜合的批次/順序處理需求?？梢酝ㄟ^(guò)批量控制系統改進(jìn)生產(chǎn)、提高產(chǎn)量、降低成本并提高質(zhì)量。

2.8　批次分析

生產(chǎn)結束后，對批次整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數，以預設的間隔，進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注其超限等異常狀況，并以圖形的方式更直觀(guān)的展現。結合投料記錄，形成單批完成生產(chǎn)記錄。同時(shí)，可對多批進(jìn)行對比，便于工藝人員獲取分析最優(yōu)批生產(chǎn)狀況，輔助其改進(jìn)生產(chǎn)配方。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年12月刊