烟草工业企业自动数据采集系统的研究与实践

关键字: 烟草工业企业；数据采集；监控软件；数据库 摘 要：通过上海卷烟厂数据采集与监控系统的开发实例，结合烟草工业企业数据采集的特点，讨论了有关烟草企业实施现场数据采集系统的难点和对策，并对系统实施过程中可能出现的有关问题进行了具体的探讨。 我国烟草工业企业经过多年持续的技术改造和设备引进，在基础自动化和过程自动化方面普遍采用了以PLC, FCS和IPC为代表的自动化技术。在管理自动化方面，已初步建立了以企业资源计划系统（MRP II, ERP）为核心的管理信息系统。EPB中虽有生产控制模块，但由于得不到制造过程实时信息的支持，并不能帮助和指导分析生产瓶颈，改进和控制产品质量，以及对具体的产品生产进行排产。各大烟草工业企业已充分认识到存在的问题，面向制造执行层的MES（制造执行系统）软件的开发与应用已提上日程。实施MES，实现企业内制造系统和管理系统之间的信息无缝双向流动，符合管控一体化。数据采集系统是现场自动化控制设备与管理层之间的信息纽带，建立和完善自动数据采集系统已成为烟草工业企业信息化建设的重点。 本文以上海卷烟厂为例，介绍数据采集系统在烟草行业的实施情况，对系统实施过程中可能出现的有关问题进行探讨。 一、烟草工业企业数据采集系统的特点 烟草工业企业的制丝设备控制系统属于过程控制系统，卷包设备控制系统属于运动控制系统。 近年来，制丝设备的控制系统普遍采用了现场总线技术，形成分散控制、集中管理和监控的管控一体化模式。制丝流水线上没有现场操作站，操作人员在控制室利用上位机进行集中监控。 随着现场总线和CNC控制技术的发展，一些最新引进的卷包设备采用IPC的SOFT-PLC技术替代了PLC控制，现场操作站采用标准计算机。卷包设备本身自动化程度较高，控制系统复杂，每台设备都有单独的控制系统和本地操作站。但由于卷包设备供应厂商较多，很多设备采用专用控制器，技术不开放，数据采集接口复杂，是烟草工业企业中信息化集成的难点。在新一代卷包设备中，各家设备供应商意识到数据采集的重要性，都提供标准的数据采集接口，因此，实施卷包数据采集系统变得相对容易。 如果能够实现数据采集替代人工数据录人，及时、准确获得生产现场产品质量情况，对质量控制十分有益。一般的检测仪器配有串口用于输出测试数据，只要仪器厂商提供通信协议，实施烟草检测仪器的数据采集系统比较简单。 许多烟草工业企业建立了动能监控中心，但在没有更进一步应用（如先进控制技术在锅炉上的应用，动能设备的集中控制）的情况下，动能设备的数据采集没有很大意义。 二、系统实例 上海卷烟厂数据采集与监控系统由三个分系统组成：生产数据采集分系统、烟草检测仪器数据采集分系统和动力能源数据采集分系统。每个分系统自成体系，有各自的厂级监控中心。各数据采集分系统的结构相似，只是复杂程度有所不同。 生产数据采集分系统由制丝车间、卷包车间和膨丝车间等三个子系统组成。每个子系统以车间为单位分别建设，都建有车间级监控中心，并建有厂级生产监控中心。物流数据采集分散在各车间生产数据子系统中，不作为单独的分系统存在。现以生产数据采集分系统中最复杂的卷包子系统为例介绍系统结构。 1．系统结构 卷包子系统的硬件架构分为四个层次，即现场层、车间监控层、厂级监控层和Intranet层。考虑到现有卷包设备种类繁多、各种数据库系统异构情况突出、数据比较分散等实际状况，采用分布式数据库模式，软硬件分步集成，实现了现场数据采集，车间、厂级二级监控与数据集成功能。 现场层的各种设备采用不同的控制系统进行生产控制、实时数据采集和数据传送。不同厂家的控制器不尽相同，提供的数据接口也不一样，采取一台上位机采集同一厂家多台设备的生产数据。 车间监控层由多台PC组成，功能有：(1)提供车间级集中监控界面；(2)采集现场层的数据，存人本地数据库；(3)为上一级监控系统提供数据接口。在车间监控层，用于数据采集的计算机称为监控机（上位机）。根据现场层提供的数据采集接口技术的开放程度，监控机建设有两种方案：(1）在通用监控软件基础上做二次开发；(2)由设备供应商提供监控系统。 厂级监控层由数据库服务器、监视计算机组成。监视计算机从车间监控层上位机采集数据完成监视功能，并向厂级数据库服务器提供数据。每台厂级数据服务器中有历史和准实时两个数据库，准实时数据库以数据更新形式提供当前生产状况的准实时数据，历史数据库保存生产历史数据。所有厂级数据库服务器组成一个分布式数据库，向数据仓库提供数据，同时作为后台数据库以备Web Server调用。 Intranet层由WEB服务器、数据仓库和其他管理系统构成。WEB服务器负责接收全厂范围内授权用户的数据访问请求，然后向数据库服务器发出数据请求，得到响应后，传送数据至用户所在计算机。数据仓库作为生产子系统的后台数据仓库，定时保存各数据采集服务器内历史数据。 2．系统数据流说明 各个数据采集子系统都将数据分为实时数据和历史数据分别传送到上一层。 实时数据流采用数据刷新方式，实时数据经车间监控机、厂级监视计算机到达数据服务器的准实时数据库，为其他系统提供准实时的数据服务。 历史数据流的处理较特殊，数据库服务器的历史数据库的数据来源于车间监控层的历史数据库。厂级监视计算机不参与历史数据流处理，它只起实时数据显示和历史数据中转作用。这种历史数据处理流程基于以下两方面原因，一是历史数据用于数据分析、挖掘，需要更高的可靠性，由于数据在上升时，其可靠性是下降的，为了达到高冗余、高可靠度的目的，数据服务器的历史数据可直接从车间级监控机的历史数据库中恢复；二是由于数据上升时，实时性下降，服务器采用关系数据库得不到与时间密切相关的过程数据，而这些过程数据多是制丝温度、水分等一些十分重要的工艺状态数据，因此必须在班末（批次末）从车间机监控机上的历史数据库中导人。 三、实施数据采集系统需注意的问题 1．规划阶段 系统规划的具体实施次序是根据其他系统数据应用的需求，而不是根据技术的成熟程度；将整个项目分成若干个小项目分期开发。实施的先后顺序为：制丝设备、物流系统（包括高架库、条烟、滤棒、原辅材料）、烟草检测仪器、卷包设备和动能设备。对于没有数据应用需求的数据采集项目，即使技术上已成熟，也可暂不实施。 2．设计阶段 (1)严格限定数据采集项目的范围。在设计调研时，特别是底层用户所要求的内容往往超过实际需要，因此应严格限定数据采集系统的范围，只为其他系统提供未经加工的基础数据，否则项目扩大，管理需求多变，将难于完成。 (2）明确采集数据内容。以采集有用数据作为数据是否需要采集的标准。例如用户提出增加卷包设备的辅料消耗数据，而这些内容在底层控制器中没有，给实施造成很大难度，且不能真正反映实际消耗情况。所以不便采集这些数据，但可从辅料供应系统取得更为准确的消耗数据。 (3)由应用需求决定数据的实时性。数据采集系统的实时性由其他应用系统对数据实时性要求决定，因数据采集系统不参与控制层的控制，其实时性要求并不高。出于监控目的，用户可能要求数据更新越快越好，但实时性提高会增加投资成本，故应以“够用”为原则。 (4)为统一数据源，从控制系统中采集数据时，应尽量避免补充测控系统。建立外挂的、独立于设备控制系统的测控系统可解决数据采集接口不开放或没有数据采集接口的困难。但它只适用于控制简单的物流系统，对于复杂的控制系统如卷包设备，必定会导致采集的数据同设备控制系统的数据不一致。 (5)适度的采集自动化。数据采集并不排斥数据的人工录人，只要满足对数据“及时、准确、完整”的要求即可。在某些没有数据采集接口的情况下，先人工录人以解决数据采集系统需要的数据，待设备更新或条件具备后，再实现数据采集的自动化。 (6)技术方案符合标准。从保护投资和提高系统利用率出发，在设计阶段决定方案时，应采用IT的标准，如标准的PC机，Ethernet TCP/IP，标准的关系数据库等。 (7)在技术条件允许的情况下，同时实施设备控制系统和数据采集系统。目的是加快数据采集系统实施进度，不受设备接口技术保密等因素影响。 3．实施阶段 (1)选择有经验的HMI和SCADA系统集成商作为合作伙伴。虽然现在ERP软件开发商和系统集成商自上向下的渗透，将其功能扩展到MES当中，但由于设备数据采集接口的复杂，由打软件开发商和系统集成商实施数据采集项目并不合适。 (2）选择Intouch, iFix, Wince等监控软件作为数据采集软件，虽然成本可能较编程开发高，但因都是标准化成熟软件，系统集成商只需做二次开发即可，在技术上不会遇到问题，实施周期短，可靠性高，维护也方便。这些软件还提供很多附加功能，如在线的SPC质量控制软件等，将来扩展也方便。 (3)采集数据的筛选、过滤。由于上层管理系统对数据分辨率需求是下降的，故数据在上传时需筛选、过滤。例如车间监控层需要监控设备的状态信息，在数据上传厂级监控层时，监控设备的状态信息就可筛选掉，做到只有“有用”数据才上传。 4．运行阶段 数据采集子项目完成后，应立即投入使用，特别是无需人工干预的，通过网络传输的自动数据采集，不经使用，就不能发现问题。对已正常使用的系统，即使有新的需求，修改也要慎重，要在相当长的时间内保证系统的稳定性，待新的需求稳定后，，再做系统升级或完善的计划。 5．其他需注意的问题 系统安全是实施数据采集系统必须考虑的问题。如硬件上生产网络和管理网络独立，生产网络提供统一出口与外部通信；还有Web的应用需考虑合理的管理权限等。 自动数据采集会产生海