卷煙工業企業制絲車間少人化生產模式下集控系統應對策略

趙路，王宇

（安徽中煙工業有限責任公司阜陽卷煙廠，安徽 阜陽 236000）

隨著工業4.0 革命的推動，信息化和工業化“兩化”融合帶來了工廠生產模式的變革，智能工廠成為現代化工廠的發展方向。在卷煙工業企業中，制絲工藝控制水平通常作為衡量工業化水平的標志，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互聯網構建集控系統，信息交互全部由集中控制室發出，完成整條工藝段設備啟停、過程加工、工藝控制等任務。這種控制模式下，自動化程度高，人員配置相對較少，生產現場保留關鍵工藝崗位、中控、維修崗位操作人員。如何進一步優化人員配置，實現少人化運作，除了科學的管理手段外，提升集控系統的穩定運行和自我決策能力，減少人員操作頻次，是一種有效的解決方案。

1 當前集控模式下崗位配置現狀調查與分析

2019 年，阜陽卷煙廠制絲車間在崗人數117 人，分為甲乙兩班次，分為基層管理人員、維修人員、現場作業人員及輔助人員四類。現場作業人員和維修人員占總人員80%以上，分配在制絲車間各工序上，主要負責完成設備操作、生產任務及工藝質量控制，具有崗位分散、工作任務單一的特征。

制絲車間采用集中控制模式，包含三層邏輯結構：設備控制層、集中監控層、數據管理層。其中，設備控制層負責各主站的設備自動化控制，集中監控層主要實現工業網絡互連、集中監視操作等功能，車間級數據管理層主要完成與MES/SPC/ERP 等信息系統對接，實現信息的上傳下達，三層邏輯結構成熟、運行穩定，除中控室中控人員進行生產操作外，其他人員設備操作較少。從控制模式和設備工藝運行情況看，人工作業主要集中在設備和工藝質量維護兩個方面。

1.1 設備穩定性不高，造成設備維保人員的投入

從故障類型和故障發生頻次上看，制絲車間故障分為機械故障、電氣故障、物料堵料三大類。制絲車間主機設備機型種類繁多，機械故障多數發生在各類傳動、振動裝置如鏈條、軸承等部位，此類故障發生率占機械類故障一半以上，由于缺乏有效監測手段，設備異變不易發現，一旦發生，機械故障造成的停機需要操作人員或專業人員來恢復[2]。電氣故障中，檢測元器件和網絡故障占比70%以上，檢測元器件由于數量龐大，不易進行人工點檢，易受振動、保養等因素影響，網絡故障具有不易排查、不易預防的特點，人工維護難度較大。物料堵料發生率較高，具有不能及時發現、故障恢復耗時長的特點。

在故障排查維修時間成本上看，機械故障發生部位較為集中直觀，維修方式固定，維修時間成本穩定；由于設備型號、控制邏輯等不統一，電氣故障維修難度增大，故障排查時間成本高。調研阜陽卷煙廠現狀，可以看出，網絡結構繁雜，通信方式較多，如HMI 存在接入工業環網和接入PLC 兩種接入方式，監控層存在IFIX 監控軟件和WINCC flexible多款監控軟件，控制器存在西門子PLC 300、400 等多種型號，工業網絡存在Profibus DP/PA、Profinet PN 等多種通信方式，造成電氣設備維護難度增大。

1.2 質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滿足工藝指標、降低消耗的過程，也是提高感官質量的過程和技術方法。近年來，制絲工藝控制采用分組加工、精細化控制和柔性生產等新工藝、新技術，提高產品感官質量和產品“個性化”“差異化”，因此，對工藝精益控制提出了新要求。

受工藝流程、設備性能、工藝參數、PID 算法等影響，傳統自動化控制手段難以進一步提升工藝控制精度。為了維護工藝指標的控制水平，現場關鍵主機設備都設立操作人員進行輔助操作，因此，需要通過信息化的融合，借助數字智能分析工具推動工藝指標控制精益化水平是減少人員配置的必要手段。

調研阜陽卷煙廠制絲車間現狀，部分設備未完全接管人工操作，如烘梗絲機、梗絲加料機，人工預熱后再轉入自動控制，烘絲機的筒壁溫度、梗絲加料前喂料機提升帶頻率等部分主機設備參數需要頻繁手動調整，人工調節存在滯后超調等影響精度的問題，影響工藝指標控制。

2 少人化生產模式下集控系統的應對策略

2.1 構建全面數采和報警系統，實現設備全生命周期狀態監控

規劃一個生產大數據中心，實現全面數采。配置高點數的實時數據庫（如10 萬點），把電機數據（溫度、電流、頻率、啟動次數、運行時間等）、執行器開度、傳感器狀態、網絡節點狀態等信息采集到數據庫中，打通所有智能設備與上層管理軟件之間的連接。建立面向設備全生命周期的狀態監測，可以實時查看設備重要狀態參數，結合設備的工藝指標檢測，實現對設備全生命周期健康指數的統計評價和設備管理。

建立完善的報警預警機制。實現全面報警、分級報警、預判報警等模式，對器件狀態、開機條件、運行時間、閥門開關、網絡故障診斷等功能提供診斷或信息，具有設備故障報警、生產過程故障報警、工藝質量故障報警的功能、開機條件不足報警功能、網絡故障報警等功能，提高設備的自我感知、自我調整能力。

2.2 通過集控系統改造升級，有效提高設備運行穩定性

通過“專網專用”的方式提高集控系統網絡穩定性。制絲在三層網絡架構的基礎上，工業網絡進一步劃分為三張網絡，即生產控制網、生產管理網和中控管理網。其中，生產控制網負責制絲車間的數據采集控制，主要連接集控系統I/O 服務器、工程師站以及PLC；生產管理網是一張完整的操作網，采用冗余光纖環網結構，實現車間現場操作站、現場MES 終端和LED 信息屏的通訊；中控管理網通過核心交換機匯聚生產控制網、生產管理網和廠級信息網絡。各網絡之間互不干擾、互不影響，在保證安全性和可靠性的前提下，實現不同業務數據的互聯互通。

借助新技術提高集控系統穩定性，減少人為因素影響。統一硬件配置，減少維修時間成本，PLC 使用西門子PLC1500 新系列，上下位監控軟件統一采用最新型號版本，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、相同規格的設備。集控系統現場操作站、現場 PLC、現場集控和管理網交換機供電統一由廠級 UPS 提供，避免動力電源造成的設備閃停。在儲柜布料行車、分配行車、喂料機定量帶上使用激光測距儀、光幕代替傳統的光電管，減少光電管的數量，進而減少故障發生點，由于模擬量取代數字量，控制物流流速和料位高度更加精準，對減少物料堵料起到良好的效果。

2.3 建立質量風險防控體系，提高質量風險防控能力

針對產品牌號、工藝參數、配方參數、加工路徑和貯柜、料罐選擇等重要質量風險點，設計一套完善的質量防差錯控制模式。生產前，控制系統自動進行點檢、診斷并及時顯示診斷結果，讓操作人員第一時間掌握設備安全狀態、開機條件狀態和生產條件狀態。生產中，控制系統中增加信息記錄和信息比對功能、批次牌號比對防錯糾錯功能、工藝參數報警條件判斷處理功能，實時自我診斷，提高質量風險防控能力。操作方式上，對進出柜操作、線啟動、批次下發等重要的操作環節采用向導式操作，增加驗證確認功能，防止人為誤操作。

借助大數據分析平臺統計分析工藝質量數據。對工藝質量數據進行實時數據采集、過濾、存儲和統計分析，通過圖表、數據列表等多種方式展現工藝控制質量。同時，按照質量統計和分析判異規則，對生產過程中工藝質量數據的實時分析，產生工藝質量預警和報警。

2.4 多系統聯動，實現系統間協作運行

建立集中監控系統和安防網視頻監控系統的聯動，制絲生產線關鍵設備故障報警，中控室操作員通過ActiveX控件，就近調用視頻監控攝像自動轉向報警位置，進行拍攝記錄，根據不同報警級別做出不同處理手段。

制絲集控系統與片煙配方庫系統、糖香料廚房、動力能管等系統進行集成，通過接入工業環網的控制層互通以及共享實時數據庫的信息層互聯兩種方式，提高相關系統協同作業、數據互通能力。

在制絲集控系統與MES 互聯互通上，MES 系統和制絲生產管理系統編寫業務數據訪問服務，通過消息中間件（如ESB）完成信息的傳遞，實現數據信息共享和相關系統的無縫集成。

總之，通過阜陽卷煙廠制絲車間少人化生產模式下集控系統的應對策略研究，針對設備穩定和工藝達標對人員配置的影響，明確了少人化集控系統的建設策略，從全面數采和報警系統、集控系統改造升級、質量風險防控體系、多系統聯動等方面建立更加精準、更加系統、更加可靠的控制系統，進一步提升設備運行能力、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。本項目對煙草工業企業少人化生產模式下制絲車間集控系統的建設具有借鑒意義。