卷烟工业企业制丝车间少人化生产模式下集控系统应对策略

赵路，王宇

（安徽中烟工业有限责任公司阜阳卷烟厂，安徽 阜阳 236000）

随着工业4.0 革命的推动，信息化和工业化“两化”融合带来了工厂生产模式的变革，智能工厂成为现代化工厂的发展方向。在卷烟工业企业中，制丝工艺控制水平通常作为衡量工业化水平的标志，制丝车间普遍采用集中控制的模式，通过高可靠的可编程序控制器和工业互联网构建集控系统，信息交互全部由集中控制室发出，完成整条工艺段设备启停、过程加工、工艺控制等任务。这种控制模式下，自动化程度高，人员配置相对较少，生产现场保留关键工艺岗位、中控、维修岗位操作人员。如何进一步优化人员配置，实现少人化运作，除了科学的管理手段外，提升集控系统的稳定运行和自我决策能力，减少人员操作频次，是一种有效的解决方案。

1 当前集控模式下岗位配置现状调查与分析

2019 年，阜阳卷烟厂制丝车间在岗人数117 人，分为甲乙两班次，分为基层管理人员、维修人员、现场作业人员及辅助人员四类。现场作业人员和维修人员占总人员80%以上，分配在制丝车间各工序上，主要负责完成设备操作、生产任务及工艺质量控制，具有岗位分散、工作任务单一的特征。

制丝车间采用集中控制模式，包含三层逻辑结构：设备控制层、集中监控层、数据管理层。其中，设备控制层负责各主站的设备自动化控制，集中监控层主要实现工业网络互连、集中监视操作等功能，车间级数据管理层主要完成与MES/SPC/ERP 等信息系统对接，实现信息的上传下达，三层逻辑结构成熟、运行稳定，除中控室中控人员进行生产操作外，其他人员设备操作较少。从控制模式和设备工艺运行情况看，人工作业主要集中在设备和工艺质量维护两个方面。

1.1 设备稳定性不高，造成设备维保人员的投入

从故障类型和故障发生频次上看，制丝车间故障分为机械故障、电气故障、物料堵料三大类。制丝车间主机设备机型种类繁多，机械故障多数发生在各类传动、振动装置如链条、轴承等部位，此类故障发生率占机械类故障一半以上，由于缺乏有效监测手段，设备异变不易发现，一旦发生，机械故障造成的停机需要操作人员或专业人员来恢复[2]。电气故障中，检测元器件和网络故障占比70%以上，检测元器件由于数量庞大，不易进行人工点检，易受振动、保养等因素影响，网络故障具有不易排查、不易预防的特点，人工维护难度较大。物料堵料发生率较高，具有不能及时发现、故障恢复耗时长的特点。

在故障排查维修时间成本上看，机械故障发生部位较为集中直观，维修方式固定，维修时间成本稳定；由于设备型号、控制逻辑等不统一，电气故障维修难度增大，故障排查时间成本高。调研阜阳卷烟厂现状，可以看出，网络结构繁杂，通信方式较多，如HMI 存在接入工业环网和接入PLC 两种接入方式，监控层存在IFIX 监控软件和WINCC flexible多款监控软件，控制器存在西门子PLC 300、400 等多种型号，工业网络存在Profibus DP/PA、Profinet PN 等多种通信方式，造成电气设备维护难度增大。

1.2 质量智能化控制能力不足，增加精益管理上人员投入

卷烟加工工艺不仅是一个满足工艺指标、降低消耗的过程，也是提高感官质量的过程和技术方法。近年来，制丝工艺控制采用分组加工、精细化控制和柔性生产等新工艺、新技术，提高产品感官质量和产品“个性化”“差异化”，因此，对工艺精益控制提出了新要求。

受工艺流程、设备性能、工艺参数、PID 算法等影响，传统自动化控制手段难以进一步提升工艺控制精度。为了维护工艺指标的控制水平，现场关键主机设备都设立操作人员进行辅助操作，因此，需要通过信息化的融合，借助数字智能分析工具推动工艺指标控制精益化水平是减少人员配置的必要手段。

调研阜阳卷烟厂制丝车间现状，部分设备未完全接管人工操作，如烘梗丝机、梗丝加料机，人工预热后再转入自动控制，烘丝机的筒壁温度、梗丝加料前喂料机提升带频率等部分主机设备参数需要频繁手动调整，人工调节存在滞后超调等影响精度的问题，影响工艺指标控制。

2 少人化生产模式下集控系统的应对策略

2.1 构建全面数采和报警系统，实现设备全生命周期状态监控

规划一个生产大数据中心，实现全面数采。配置高点数的实时数据库（如10 万点），把电机数据（温度、电流、频率、启动次数、运行时间等）、执行器开度、传感器状态、网络节点状态等信息采集到数据库中，打通所有智能设备与上层管理软件之间的连接。建立面向设备全生命周期的状态监测，可以实时查看设备重要状态参数，结合设备的工艺指标检测，实现对设备全生命周期健康指数的统计评价和设备管理。

建立完善的报警预警机制。实现全面报警、分级报警、预判报警等模式，对器件状态、开机条件、运行时间、阀门开关、网络故障诊断等功能提供诊断或信息，具有设备故障报警、生产过程故障报警、工艺质量故障报警的功能、开机条件不足报警功能、网络故障报警等功能，提高设备的自我感知、自我调整能力。

2.2 通过集控系统改造升级，有效提高设备运行稳定性

通过“专网专用”的方式提高集控系统网络稳定性。制丝在三层网络架构的基础上，工业网络进一步划分为三张网络，即生产控制网、生产管理网和中控管理网。其中，生产控制网负责制丝车间的数据采集控制，主要连接集控系统I/O 服务器、工程师站以及PLC；生产管理网是一张完整的操作网，采用冗余光纤环网结构，实现车间现场操作站、现场MES 终端和LED 信息屏的通讯；中控管理网通过核心交换机汇聚生产控制网、生产管理网和厂级信息网络。各网络之间互不干扰、互不影响，在保证安全性和可靠性的前提下，实现不同业务数据的互联互通。

借助新技术提高集控系统稳定性，减少人为因素影响。统一硬件配置，减少维修时间成本，PLC 使用西门子PLC1500 新系列，上下位监控软件统一采用最新型号版本，对电控主要电气元器件如变频器、馈电器的选型上采用相同品牌、相同规格的设备。集控系统现场操作站、现场 PLC、现场集控和管理网交换机供电统一由厂级 UPS 提供，避免动力电源造成的设备闪停。在储柜布料行车、分配行车、喂料机定量带上使用激光测距仪、光幕代替传统的光电管，减少光电管的数量，进而减少故障发生点，由于模拟量取代数字量，控制物流流速和料位高度更加精准，对减少物料堵料起到良好的效果。

2.3 建立质量风险防控体系，提高质量风险防控能力

针对产品牌号、工艺参数、配方参数、加工路径和贮柜、料罐选择等重要质量风险点，设计一套完善的质量防差错控制模式。生产前，控制系统自动进行点检、诊断并及时显示诊断结果，让操作人员第一时间掌握设备安全状态、开机条件状态和生产条件状态。生产中，控制系统中增加信息记录和信息比对功能、批次牌号比对防错纠错功能、工艺参数报警条件判断处理功能，实时自我诊断，提高质量风险防控能力。操作方式上，对进出柜操作、线启动、批次下发等重要的操作环节采用向导式操作，增加验证确认功能，防止人为误操作。

借助大数据分析平台统计分析工艺质量数据。对工艺质量数据进行实时数据采集、过滤、存储和统计分析，通过图表、数据列表等多种方式展现工艺控制质量。同时，按照质量统计和分析判异规则，对生产过程中工艺质量数据的实时分析，产生工艺质量预警和报警。

2.4 多系统联动，实现系统间协作运行

建立集中监控系统和安防网视频监控系统的联动，制丝生产线关键设备故障报警，中控室操作员通过ActiveX控件，就近调用视频监控摄像自动转向报警位置，进行拍摄记录，根据不同报警级别做出不同处理手段。

制丝集控系统与片烟配方库系统、糖香料厨房、动力能管等系统进行集成，通过接入工业环网的控制层互通以及共享实时数据库的信息层互联两种方式，提高相关系统协同作业、数据互通能力。

在制丝集控系统与MES 互联互通上，MES 系统和制丝生产管理系统编写业务数据访问服务，通过消息中间件（如ESB）完成信息的传递，实现数据信息共享和相关系统的无缝集成。

总之，通过阜阳卷烟厂制丝车间少人化生产模式下集控系统的应对策略研究，针对设备稳定和工艺达标对人员配置的影响，明确了少人化集控系统的建设策略，从全面数采和报警系统、集控系统改造升级、质量风险防控体系、多系统联动等方面建立更加精准、更加系统、更加可靠的控制系统，进一步提升设备运行能力、精益控制能力和自我管理能力，阜阳卷烟厂制丝车间人员配置缩减13%左右。本项目对烟草工业企业少人化生产模式下制丝车间集控系统的建设具有借鉴意义。