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編者按：隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、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)的進一步融合，工業(yè)制造、城市交通、電力能源、農(nóng)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。推進各領(lǐng)域向智慧化發(fā)展是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，既需要單一技術(shù)與裝備的突破應(yīng)用，還需要系統(tǒng)化的集成創(chuàng)新。智慧系統(tǒng)解決方案是推廣普及智能化技術(shù)的關(guān)鍵手段，是促進各行業(yè)智能化水平提升的核心。

為深化智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進一步提升智慧產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域系統(tǒng)解決方案應(yīng)用水平，現(xiàn)由中國自動化學(xué)會、智能制造推進合作創(chuàng)新聯(lián)盟、工業(yè)控制系統(tǒng)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)會主辦，《自動化博覽》雜志社&控制網(wǎng)（www.ecwang.cn）承辦的“2018智慧系統(tǒng)解決方案征集”活動已正式啟動，面向全行業(yè)公開征集智慧系統(tǒng)解決方案。本刊特開設(shè)智慧系統(tǒng)解決方案專欄，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)濟多個行業(yè)中起到服務(wù)和配套的重要作用，廣泛應(yīng)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)投資和整個社會消費的不景氣，及國家環(huán)保要求的日益嚴格，涂料生產(chǎn)企業(yè)面臨越來越大的壓力。

隨著《中國制造2025》在工業(yè)制造領(lǐng)域的全面推進，涂料行業(yè)也面臨著向智能制造轉(zhuǎn)型升級，涂料產(chǎn)品個性化、定制化、專業(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)跟不上時代，行業(yè)需要滿足現(xiàn)代多品種、小批量，多生產(chǎn)線，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建設(shè)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(guī)模不定、周期變化大”的特點，中控的涂料行業(yè)智能制造解決方案即為解決這些問題而設(shè)計，其系統(tǒng)的建立基于中控的DCS+VxBatch+VxMES管控系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)現(xiàn)代涂料行業(yè)柔性生產(chǎn)管理和控制，可使企業(yè)按需及時調(diào)整自身的生產(chǎn)工序和工藝彈性生產(chǎn)，同時滿足涂料行業(yè)中企業(yè)對“環(huán)保、安全、提質(zhì)、降本、增效”的實際需求。

整套智能制造解決方案主要通過實現(xiàn)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(jiān)控、物流協(xié)同及質(zhì)量控制等功能，可實現(xiàn)生產(chǎn)透明化規(guī)范化的管理和操作，訂單信息通暢且便于追溯，成本透明且能實時統(tǒng)計，配方管理安全保密且高效，生產(chǎn)過程環(huán)保健康并減少人的參與，柔性化生產(chǎn)管理的目標(biāo)。

1　系統(tǒng)總體方案

1.1　系統(tǒng)流程

該智能制造解決方案包括：控制系統(tǒng)（DCS），批量控制系統(tǒng)（VxBatch）、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（VxMES）三套基本系統(tǒng)，三者之間的系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)

涂料行業(yè)多品種批量生產(chǎn)智能制造系統(tǒng)的核心是基于中控DCS+VxBatch+VxMES管控系統(tǒng)平臺，其中控制層為DCS和底層設(shè)備部分，直接負責(zé)工廠生產(chǎn)控制的環(huán)節(jié)；執(zhí)行層由批量控制系統(tǒng)（VxBatch）和生產(chǎn)管理系統(tǒng)（VxMES）兩部分組成，VxBatch負責(zé)車間級生產(chǎn)批次的控制和管理，VxBatch與控制層進行信息交互，VxMES負責(zé)整個企業(yè)的生產(chǎn)管理和協(xié)同，VxMES與ERP進行信息交互，同時VxMES與VxBatch通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)計劃指令等信息交互，最終實現(xiàn)DCS、VxBatch、VxMES以及ERP之間的信息交互，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.3　技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)建立在中控BAP開發(fā)平臺之上，BAP平臺是一個基于私有云架構(gòu)的協(xié)同管理系統(tǒng)開發(fā)平臺。主要采用的技術(shù)有：J2EE 技術(shù)架構(gòu)、OSGI、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)庫、緩存服務(wù)、授權(quán)與權(quán)限控制、AJAX 技術(shù)；支持SOA、支持自定義工作流、跨多操作系統(tǒng)平臺、跨多數(shù)據(jù)庫等。

1.4　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)充分考慮數(shù)據(jù)采集的完整性和安全性。通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC/Modbus協(xié)議，將生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器進行采集。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)的安全。

·　在實時歷史數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器方面，采用冗余的方式，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整和應(yīng)用架構(gòu)的。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

·　支持生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)可以通過外網(wǎng)以及手機端進行訪問。

1.5　集成架構(gòu)

1.5.1　信息分類

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

公共數(shù)據(jù)：為企業(yè)核心數(shù)據(jù)，屬于各系統(tǒng)中都需要的信息。如企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)、物料、人員、供應(yīng)商、客戶等信息。

共享數(shù)據(jù)：為與其它信息系統(tǒng)共享的信息。如在能源管理系統(tǒng)和成本核算系統(tǒng)中都需要產(chǎn)量、能耗、成本等信息。專有數(shù)據(jù)：為不與其它信息系統(tǒng)共享的信息。如系統(tǒng)日志、文檔信息等。圍繞這三類信息與各個信息化系統(tǒng)之間的分類模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)信息分類模型

實現(xiàn)信息集成的前提是明確哪些信息屬于公共數(shù)據(jù)，哪些信息屬于共享數(shù)據(jù)，又有哪些信息為子系統(tǒng)專有數(shù)據(jù)。

采用以下技術(shù)實現(xiàn)信息共享與交換的技術(shù)：

·　通用的靜態(tài)數(shù)據(jù)共享技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫存儲與共享；

·　中間件技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)信息交換；

·　XML技術(shù)實現(xiàn)靜態(tài)信息跨平臺交換；

·　遠程過程調(diào)用實現(xiàn)動態(tài)信息交換；

·　文件傳遞與共享實現(xiàn)靜態(tài)信息交換。

1.5.2　信息集成架構(gòu)

信息化系統(tǒng)所涉及的信息來自企業(yè)內(nèi)部和外部。各類信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)集成服務(wù)存儲于生產(chǎn)管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺服務(wù)器中，通過加工處理、規(guī)則提取和數(shù)據(jù)抽象形成各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、知識庫中，并按照結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行分類管理。

系統(tǒng)信息集成架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)信息集成架構(gòu)

1.6　數(shù)據(jù)采集方案

1.6.1　DCS數(shù)據(jù)采集

控制系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和DCS系統(tǒng)的連接。如圖6所示。增加數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)功能，結(jié)合MisGate，使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時，過程數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)關(guān)機。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，網(wǎng)關(guān)自動將本地數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫。這保證了數(shù)據(jù)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(tǒng)的運行安全。

圖6 DCS數(shù)據(jù)采集架構(gòu)圖

1.6.2　智能儀表數(shù)據(jù)采集

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

1.6.3　PLC數(shù)據(jù)采集

PLC數(shù)據(jù)采集通過上位機的SCADA系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集方式同控制系統(tǒng)。

1.6.4　斷點續(xù)傳

當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器故障等原因?qū)е聼o法及時將實時數(shù)據(jù)寫入實時庫中，則數(shù)據(jù)采集程序會將未寫入實時庫的數(shù)據(jù)暫存在網(wǎng)關(guān)上，當(dāng)故障恢復(fù)后，采集程序自動向?qū)崟r庫中追加暫存的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)機上保存的時間取決于網(wǎng)關(guān)機硬盤容量，自動上傳期限為一周，超過一周需將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，手動進行上傳。

1.7　系統(tǒng)安全方案

1.7.1　操作系統(tǒng)安全性

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的核心，負責(zé)管理系統(tǒng)的共享資源。服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)采用多任務(wù)、多用戶結(jié)構(gòu)。

·　系統(tǒng)可根據(jù)用戶對數(shù)據(jù)的不同要求，將用戶分成若干個角色，不同的角色具有不同的權(quán)限，服務(wù)器根據(jù)每個角色所具有的權(quán)限開放相關(guān)的信息通道供登錄用戶查詢和操作。

·　用NTFS（NT文件系統(tǒng)）格式取代FAT，對文件和目錄可以使用ACL（訪問控制），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，正確控制域用戶成員的權(quán)限。

1.7.2　系統(tǒng)使用安全設(shè)計

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的用戶驗證與授權(quán)，對于用戶而言，只需要一個用戶身份和密碼，就可以根據(jù)權(quán)限訪問到不同的應(yīng)用模塊。統(tǒng)一的用戶驗證和授權(quán)是采用集成的用戶驗證和授權(quán)服務(wù)器來實現(xiàn)的，其技術(shù)是基于Web Services。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

·　穿透防火墻的通訊；

·　基于XML和SOAP標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同應(yīng)用架構(gòu)和系統(tǒng)的集成；

·　支持B2B的企業(yè)應(yīng)用集成。

1.7.3　數(shù)據(jù)備份安全設(shè)計

為了保障數(shù)據(jù)的存儲安全，針對信息化系統(tǒng)中的重要服務(wù)器系統(tǒng)及數(shù)據(jù)，對于物理介質(zhì)的損壞造成的數(shù)據(jù)丟失，采用聯(lián)機磁盤冗余備份、數(shù)據(jù)庫自動備份，保證了數(shù)據(jù)的安全。當(dāng)災(zāi)難發(fā)生的時候，可以根據(jù)災(zāi)難的情況選擇恢復(fù)策略（差異，完全或日志恢復(fù)）。選擇合適的恢復(fù)策略可以讓您的損失達到最小。

1.7.4　系統(tǒng)管理安全要求

制訂信息化系統(tǒng)的維護管理規(guī)范，加強對系統(tǒng)的安全管理，避免人為的造成系統(tǒng)故障。

1.8　系統(tǒng)方案特點

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

·　基于統(tǒng)一平臺，各業(yè)務(wù)無縫集成，進行組件化模塊化構(gòu)建。可以滿足企業(yè)當(dāng)前需求與未來發(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(tǒng)，縱向打通控制層、生產(chǎn)調(diào)度層、企業(yè)決策層各層次的業(yè)務(wù)。

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

2　系統(tǒng)功能介紹

2.1　工廠模型

工廠模型即數(shù)字化建模，可以將工廠進行數(shù)字化，建立全面的數(shù)字化工廠，包括工廠結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)線處理能力、設(shè)備、儀表、物料、生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)及相關(guān)的信息。由此將數(shù)據(jù)與設(shè)備、產(chǎn)品等進行關(guān)聯(lián)，通過這一模塊，可以配置并全面描述工廠的設(shè)計信息以及生產(chǎn)流程及產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，并可對生產(chǎn)線的改造信息進行更新。

首先MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)、批量控制系統(tǒng)相互同步基礎(chǔ)信息，如：人員資料、倉庫、車間、產(chǎn)線、工作單元以及物料等；其次定義相關(guān)設(shè)置信息，如：各產(chǎn)線在各配方Unit對應(yīng)的工位（配送），物料在各車間的車間庫，工位對應(yīng)的倉庫（確定備料調(diào)撥、手工投料業(yè)務(wù)的倉庫），定義工位對應(yīng)的PDA（推送投料通知），等等。

2.2　配方管理

配方管理實現(xiàn)對工藝配方的電子化管理，將其內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，進行配方數(shù)據(jù)高度保密統(tǒng)一管理，供制造工單、批量控制系統(tǒng)使用，涂料生產(chǎn)能將原料根據(jù)配方要求實現(xiàn)精細化自動投料或人工投料，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(shè)備運行參數(shù)、配方權(quán)限等信息。

2.3　計劃排產(chǎn)

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

2.4　工單管理

涂料生產(chǎn)管理的核心是工單管理，通過工單管理實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全程跟蹤，是生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，能通過生產(chǎn)、物料配送、包裝環(huán)節(jié)的指令反饋收集現(xiàn)場實績，并同步收集現(xiàn)場質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)。工單管理分批控、非批控、工時報工三種模式。

（1）批控模式批量控制控系統(tǒng)通過監(jiān)視模塊啟動制造工單后，將狀態(tài)同步給MES系統(tǒng)。

批控模式包括自動操作方案、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(tǒng)中，手工啟動、完成、中止（報廢時）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(tǒng)會將制造工單狀態(tài)、投料記錄、產(chǎn)出記錄及時傳遞給ERP系統(tǒng)，以便后者生成出、入庫單。

（3）工時報工模式

車間每天統(tǒng)計各批次的人工工時和機器工時，匯總后錄入MES系統(tǒng)。管理上確保原始記錄中，每個人在各批次上花費的時間之和不超過實際出勤時間。

2.5　生產(chǎn)備料

生產(chǎn)備料用于車間根據(jù)生產(chǎn)指令進行備料準(zhǔn)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(biāo)簽貼在包裝上，相應(yīng)地生成備料記錄，并回填需求，當(dāng)已備量接近計劃量時，將該行設(shè)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(tǒng)利用中間表發(fā)送指令，用戶在助劑系統(tǒng)上完成備料并打印標(biāo)簽，備料記錄和完成狀態(tài)傳回MES系統(tǒng)。同樣地需要把備好的料送至相應(yīng)的工位。

（3）粉料備料

MES系統(tǒng)向粉料系統(tǒng)發(fā)送指令，并接收數(shù)量反饋，生成備料記錄。粉料放于配方罐中，無需送至工位。備料完成后，組織調(diào)撥數(shù)據(jù)傳至ERP系統(tǒng)。

2.6　質(zhì)量管理

（1）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)入產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或競爭對手標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，定義原材料、半成品、成品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，作為采購驗收、生產(chǎn)過程化驗、產(chǎn)品質(zhì)量判定、質(zhì)量偏差分析的依據(jù)。系統(tǒng)中的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)一組項目的值范圍，支持版本管理。

（2）檢化驗管理

幫助用戶實現(xiàn)更高效的檢化驗分析管理，改變原有的人工流轉(zhuǎn)樣品和紙質(zhì)填寫化驗報告的工作方式，可以實時準(zhǔn)確的審核、發(fā)布檢測結(jié)果、對檢驗數(shù)據(jù)進行回溯及歷史趨勢分析，降低運營成本、工作強度和差錯率，提升用戶在品質(zhì)管理方面的工作效率和管理水平。

業(yè)務(wù)部門通過MES系統(tǒng)生成請檢單，傳入要分析的項目及合格標(biāo)準(zhǔn)，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。

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管理通過檢化驗數(shù)據(jù)的實時采集，運用SPC（統(tǒng)計過程控制）工具將數(shù)據(jù)分析計算后表現(xiàn)為控制圖顯示，在圖形的運行有不合格趨勢時預(yù)警，技術(shù)人員可及時調(diào)整以及原因分析和整改措施，充分體現(xiàn)“測量、分析、改進”過程控制策略，做好事前可以預(yù)防，事后有效分析，將極大提高過程控制水平，使企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)提升成為可能。

2.7　批量控制

批量控制系統(tǒng)（VxBatch）負責(zé)車間級生產(chǎn)批次的控制和管理，與控制系統(tǒng)（DCS）進行信息交互。充分利用各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足小型的、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。可以通過批量控制系統(tǒng)改進生產(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(jié)束后，對批次整個生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，以預(yù)設(shè)的間隔，進行分析，重點關(guān)注其超限等異常狀況，并以圖形的方式更直觀的展現(xiàn)。結(jié)合投料記錄，形成單批完成生產(chǎn)記錄。同時，可對多批進行對比，便于工藝人員獲取分析最優(yōu)批生產(chǎn)狀況，輔助其改進生產(chǎn)配方。

摘自《自動化博覽》2018年12月刊