試論復烤生產數據采集系統平臺設計

金劍，周曉龍，呂小波，李建榮，雷翔，高宇雷

(塔集團玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100)

盡管生產設備自動化程度很高，并采用了ERP管理系統，但現場的數據不能全面、準確、實時上傳給上層信息管理系統，因此，與生產自動化控制系統嚴重脫節。不得不將大量的生產過程的底層數據通過人工匯總處理后，再錄入ERP。造成上下層系統信息溝通不暢，影響ERP的使用效果，因此，迫切需要對復烤數據采集系統進行設計和研究，建立復烤生產數據采集歸檔平臺。實現對上層ERP、MES管理信息化的基礎支撐。

1 復烤業務需求

通過對該復烤生產設備現狀調研，發現ERP、MES等信息化管理系統與底層PCS之間的信息通道存在脫節，具體業務問題如表1所示：（1）復烤在長期的改造中，形成了多種不同類型的設備并存；（2）存在大量的手工記錄流程，實時性差，容易產生誤差；（3）質量控制，長期采用人工抽檢，過程控制能力差；（4）現有系統“各自為政”，形成“信息孤島”。

表1 數據采集需求表

因此，需要通過全面數據集成、信息共享來優化復烤生產管控，為管理層與設備現場之間搭建了一條雙向快速、安全可靠的信息通道，為企業信息化向機臺現場延伸提供條件。

2 數據采集方案

2.1 數采系統總體構建

復烤車間數據采集系統從軟件架構上可以分為四部分：設備控制層實時數采、原有信息系統數據集成整合、ERP對應模塊數據通信（MQ中間件）和MES應用系統的數據交換，也包括了原HMI煙葉工藝配方管理，系統總體結構設計如圖1所示。

圖1 復烤數采方案總體結構圖

（1）SFC底層實時數采：包括InterBus現場總線，GE、SIEMENS的PLC，上位監控WINCC6.2、CITECT5.4，主要用于實時監控，數據不能大量長期存儲。對此，采用分布式結構，新增兩臺服務器，一臺用作關系數據庫，一臺作為InSQL實時數據庫。并增加兩臺冗余IDAS數采站，實現各種PCS設備現場數據的實時采集，IDAS采用了“存儲-轉發”模式,掛接多個DAServers數據源采集器，用于采集異構控制系統的過程數據，并通過TCP/IP方式連接到IDAS，IDAS再把采集到的各種工序檢測數據集中提供給InSQL。

（2）HMI煙葉工藝配方管理：原中控SCADA系統主要用于對生產線操作控制，如設備組合起動等，不具備歷史實時數據庫；同時，煙葉加工的的配方參數、設備參數也是人工輸入。對此增加煙葉模塊配方庫、從ERP獲取不同煙葉模塊的配方數據，存入配方數據庫，生產時由HMI根據需求進行調用，下載到PLC控制系統中，實現煙葉配方生產管理。

（3）MES應用系統：以復烤數采平臺為基礎，實現對整個復烤生產過程的集中管控：分級投料管理、過程質量分析、生產物料能耗等業務管理。并通過部署的現場終端實現“看板”管理。

（4）原有子業務系統：包括分級、能耗檢測、成品條碼打印、質量檢測儀器平臺。這些數據原來采用人工記錄、統計，根據這些原系統數據接口特性和管理要求，分別設計相應的數采方式進行數據采集歸檔，存入關系數據庫中。

（5）集團ERP系統：采用中間件MQ獲取煙葉生產訂單、配方、工藝標準、備件物料等相應的ERP信息，提供給MES使用；同時，MES系統采集訂單批次生產消耗統計，反饋給ERP系統，實現ERP的物料、財務的集中管理與復烤車間現場分散指揮控制。

2.2 數據庫存儲與檢索

（1）實時歷史數據庫InSQL：復烤生產需要對大量工藝過程數據進行實時采集存儲（以秒為單位），為滿足實時數據存儲要求，因此，采用實時歷史數據庫InSQL來進行實時KPI數據的采集、檢索、歸檔。InSQL（IndustrialSQL Server）由于采用了高效的實時壓縮算法，它的存儲速度要比傳統關系型數據庫快100倍以上，且存儲空間只是傳統關系型數據庫的2%。InSQL的配置信息都存放在MSSQL中，客戶程序的實時和歷史數據請求由OLE-DB處理，訪問Runtime數據庫，獲取歸檔后的壓縮“history block”數據。

（2）數據處理流程：數據采集的處理流程如圖2所示。首先獲取各檢測設備的原始數據，對History數據采樣周期、檢索模式和剔除規則對數據進行提取、清洗，得到中間數據；然后將經過中間數據與生產信息(如作業訂單批次、生產線設備信息)進行綁定，形成可供管理系統使用的有效數據；再根據不同的算法配置策略（運算規則）對數據進行計算，得出管理分析用數據，最終的數據存入存儲于系統數據庫中。對于非實時性流程，采用關系數據庫進行存儲、交換、檢索。對數據庫的訪問采用.NET平臺進行開發。SQLSever用于關系數據存儲，前后臺之間采用ADO.NET的技術進行數據庫訪問和信息交換。

圖2 數據處理流程圖

3 原信息系統數據集成

針對原有各系統，量身定制相應的采集存儲策略，以便擴展利用、集成原系統有效數據。

3.1 能耗數據采集

原復烤能源監控系統，采用智能儀表+現場總線+WinAC控制器+PC的架構實現復烤生產能源采集、監控。根據能耗管理需求，需要對大量能耗數據，進行長期保存，并開發班次機臺報表等。因此，需要把Wincc的實時數據庫Sybase SQL Anywhere中相關的能耗數據轉存到長期存儲數據庫SQLServer中。對此通過SQL/ODBC方式編寫功能程序，并通過Wincc腳本調用來實現數據的轉存歸檔。

3.2 化學成分數據（UAarchive）轉儲

由于化學成分數據存儲于原WinCC系統的用戶歸檔表（UserArchive），而UserArchive表存儲的數據有限，因此，需要從UserArchive表中提取所需的數據，進行長期存儲。對此建立化學成分長期歸檔數據庫，存儲煙葉的生產信息、化學成分數據和“身份”信息，為煙葉成品管理提供完整，可追溯的數據。采用MS OLE DB Provider接口進行訪問，定時執行的轉儲。

3.3 串口儀表RS232通信數采

復烤生產中共采用20多臺電子秤，通過人工記錄數據，實現投入產出統計；同時，生產質量檢測平臺也大量使用人工填表記錄：煙葉檢測水分，溫度，大部分檢測儀表只提供RS232接口。對此，設計OPC數采服務器，實現串口儀表數據交互通信與發布，其采集方式如圖3所示。

圖3 OPCServer數采設計

該數采OPC Server主要有兩部組成，一是OPC標準接口的實現；二是與硬件設備的通信模塊。OPC Server接口采用WinTECH OPC的API函數進行設計。所有的OPC規范、接口細節、對底層的DCOM訪問，由服務器進行處理。編寫接口程序，處理與設備通信，把數據從硬件設備中讀取上來并與OPC項進行關聯，實現OPC Server的發布。

3.4 煙葉生產配方管理

煙葉根據特性分為83個等級，對不同的等級需要采用不同的加工參數，因此，在復烤數采平臺建立煙葉生產配方數據庫，通過中間件，從PLM獲取的配方工藝、質量標準，存入了配方庫。根據生產需要進行配方的查尋﹑調用﹑更改。煙葉配方管理通過ODBC方式的訪問網絡數據庫實現。配方查尋流程如圖4，SQLExec執行查詢。hSQL為連接數據庫后返回的句柄，QUERYSTR為查詢字符串。UpdateForm函數，用于更新配方顯示參數表。

圖4 配方查尋調用流程

4 結語

復烤數據采集監控平臺是聯系車間各種生產設備與MES系統的樞紐，通過平臺與底層自動化設備的有機集成，采集監控車間生產現場實時數據，對生產、設備、質量進行匯總統計分析，向MES、ERP系統反饋信息，接受企業MES、ERP系統下發的生產計劃、調度和工藝配方等信息指導，提高管理部門和生產執行部門之間協同合作的能力，保證生產全過程的協調運轉，實現生產過程的快速反應與敏捷制造，為實現制造數字化奠定了基礎。