浙江中控技术股份有限公司

编者按：随着物联网、云计算、移动互联网、大数据、人工智能等新技术的飞速发展，以及I T与O T技术的进一步融合，工业制造、城市交通、电力能源、农业等各大行业领域的智慧化发展已成为必然趋势。推进各领域向智慧化发展是一项复杂而庞大的系统工程，既需要单一技术与装备的突破应用，还需要系统化的集成创新。智慧系统解决方案是推广普及智能化技术的关键手段，是促进各行业智能化水平提升的核心。

为深化智慧产业发展，进一步提升智慧产业各领域系统解决方案应用水平，现由中国自动化学会、智能制造推进合作创新联盟、工业控制系统信息安全产业联盟、边缘计算产业联盟、中国仪器仪表行业协会主办，《自动化博览》杂志社&控制网（www.kongzhi.net）承办的“2018智慧系统解决方案征集”活动已正式启动，面向全行业公开征集智慧系统解决方案。本刊特开设智慧系统解决方案专栏，刊发其中优秀的解决方案以飨读者。

涂料行业在国民经济多个行业中起到服务和配套的重要作用，广泛应用于机械制造、交通运输、轻工、化工、建筑等行业，是不可或缺的功能材料。近两年，由于房地产行业投资和整个社会消费的不景气，及国家环保要求的日益严格，涂料生产企业面临越来越大的压力。

随着《中国制造2025》在工业制造领域的全面推进，涂料行业也面临着向智能制造转型升级，涂料产品个性化、定制化、专业化、服务化已成为涂料企业的主要方向，目前相对粗放的制造和生产已经跟不上时代，行业需要满足现代多品种、小批量，多生产线，具有订单信息跟踪等需求的智能制造解决方案中控利用在智能工厂建设方面多年经验积累，提出了面向涂料行业的智能制造解决方案，从而帮助涂料企业降低运营成本、缩短产品研制周期、提高生产效率、降低产品不良品率、提高能源资源利用率、加强创新研发，提高核心竞争优势。

涂料行业是典型的柔性化生产，具有“产品多样、规模不定、周期变化大”的特点，中控的涂料行业智能制造解决方案即为解决这些问题而设计，其系统的建立基于中控的DCS+VxBatch+VxMES管控系统平台，实现现代涂料行业柔性生产管理和控制，可使企业按需及时调整自身的生产工序和工艺弹性生产，同时满足涂料行业中企业对“环保、安全、提质、降本、增效”的实际需求。

整套智能制造解决方案主要通过实现两化融合方式为涂料企业解决从订单生成，到生产计划、工单排产、工单生产、信息汇总、成本监控、物流协同及质量控制等功能，可实现生产透明化规范化的管理和操作，订单信息通畅且便于追溯，成本透明且能实时统计，配方管理安全保密且高效，生产过程环保健康并减少人的参与，柔性化生产管理的目标。

1　系统总体方案

1.1　系统流程

该智能制造解决方案包括：控制系统（DCS），批量控制系统（VxBatch）、生产管理系统（VxMES）三套基本系统，三者之间的系统信息交互如图1所示：

图1 DCS、VxBatch、VxMES信息交互示意图

1.2　系统架构

涂料行业多品种批量生产智能制造系统的核心是基于中控DCS+VxBatch+VxMES管控系统平台，其中控制层为DCS和底层设备部分，直接负责工厂生产控制的环节；执行层由批量控制系统（VxBatch）和生产管理系统（VxMES）两部分组成，VxBatch负责车间级生产批次的控制和管理，VxBatch与控制层进行信息交互，VxMES负责整个企业的生产管理和协同，VxMES与ERP进行信息交互，同时VxMES与VxBatch通过数据接口实现计划指令等信息交互，最终实现DCS、VxBatch、VxMES以及ERP之间的信息交互，其系统架构如图2所示。

图2 系统整体架构

1.3　技术架构

系统建立在中控BAP开发平台之上，BAP平台是一个基于私有云架构的协同管理系统开发平台。主要采用的技术有：J2EE 技术架构、OSGI、数据源、数据库、缓存服务、授权与权限控制、AJAX 技术；支持SOA、支持自定义工作流、跨多操作系统平台、跨多数据库等。

1.4　网络架构

系统网络架构充分考虑数据采集的完整性和安全性。通过标准的OPC/Modbus协议，将生产现场数据通过数据采集器进行采集。在网络架构设计上采用以下技术：

·　利用MisGate和防火墙双重保护，隔离生产控制层与生产管理层网络之间的数据，保证生产控制层网络的安全。

·　在实时历史数据库和应用服务器方面，采用冗余的方式，保证生产数据的完整和应用架构的。

图3 系统网络架构

·　支持生产管理数据可以通过外网以及手机端进行访问。

1.5　集成架构

1.5.1　信息分类

信息化系统集成的基本要求是实现信息的交互与共享。在系统集成过程中所涉及的信息按其特性可分为三类：

公共数据：为企业核心数据，属于各系统中都需要的信息。如企业的组织结构、物料、人员、供应商、客户等信息。

共享数据：为与其它信息系统共享的信息。如在能源管理系统和成本核算系统中都需要产量、能耗、成本等信息。专有数据：为不与其它信息系统共享的信息。如系统日志、文档信息等。围绕这三类信息与各个信息化系统之间的分类模型如图4所示。

图4 系统信息分类模型

实现信息集成的前提是明确哪些信息属于公共数据，哪些信息属于共享数据，又有哪些信息为子系统专有数据。

采用以下技术实现信息共享与交换的技术：

·　通用的静态数据共享技术实现数据库存储与共享；

·　中间件技术实现动态信息交换；

·　XML技术实现静态信息跨平台交换；

·　远程过程调用实现动态信息交换；

·　文件传递与共享实现静态信息交换。

1.5.2　信息集成架构

信息化系统所涉及的信息来自企业内部和外部。各类信息通过网络传输和数据集成服务存储于生产管理基础数据平台服务器中，通过加工处理、规则提取和数据抽象形成各类业务数据库、知识库中，并按照结构数据与非结构数据进行分类管理。

系统信息集成架构如图5所示。

图5 系统信息集成架构

1.6　数据采集方案

1.6.1　DCS数据采集

控制系统具有标准的数据通讯协议，通过数据采集网关实现实时数据库服务器和DCS系统的连接。如图6所示。增加数据采集网关的目的在于减低操作站负荷，网关的存储转发功能，结合MisGate，使得当网络故障时，过程数据存储在网关机。当网络恢复后，网关自动将本地数据存储到实时数据库。这保证了数据不丢失。由于网关具有隔离控制网与管理网的作用，具有更高的安全性，保证控制系统的运行安全。

图6 DCS数据采集架构图

1.6.2　智能仪表数据采集

智能仪表数据采集采用Modbus协议，通过485 接口网络连接到数据采集网关机。

1.6.3　PLC数据采集

PLC数据采集通过上位机的SCADA系统进行数据采集，数据采集方式同控制系统。

1.6.4　断点续传

当由于网络、服务器故障等原因导致无法及时将实时数据写入实时库中，则数据采集程序会将未写入实时库的数据暂存在网关上，当故障恢复后，采集程序自动向实时库中追加暂存的实时数据。数据在网关机上保存的时间取决于网关机硬盘容量，自动上传期限为一周，超过一周需将数据导出，手动进行上传。

1.7　系统安全方案

1.7.1　操作系统安全性

网络操作系统（NOS）是网络系统应用的核心，负责管理系统的共享资源。服务器网络操作系统应采用多任务、多用户结构。

·　系统可根据用户对数据的不同要求，将用户分成若干个角色，不同的角色具有不同的权限，服务器根据每个角色所具有的权限开放相关的信息通道供登录用户查询和操作。

·　用NTFS（NT文件系统）格式取代FAT，对文件和目录可以使用ACL（访问控制），ACL可以管理共性目录的合理使用，而FAT只能管理共享级的安全。

·　充分利用域管理功能，正确控制域用户成员的权限。

1.7.2　系统使用安全设计

系统采用统一的用户验证与授权，对于用户而言，只需要一个用户身份和密码，就可以根据权限访问到不同的应用模块。统一的用户验证和授权是采用集成的用户验证和授权服务器来实现的，其技术是基于Web Services。其优点主要表现在：

·　穿透防火墙的通讯；

·　基于XML和SOAP标准，实现不同应用架构和系统的集成；

·　支持B2B的企业应用集成。

1.7.3　数据备份安全设计

为了保障数据的存储安全，针对信息化系统中的重要服务器系统及数据，对于物理介质的损坏造成的数据丢失，采用联机磁盘冗余备份、数据库自动备份，保证了数据的安全。当灾难发生的时候，可以根据灾难的情况选择恢复策略（差异，完全或日志恢复）。选择合适的恢复策略可以让您的损失达到最小。

1.7.4　系统管理安全要求

制订信息化系统的维护管理规范，加强对系统的安全管理，避免人为的造成系统故障。

1.8　系统方案特点

·　适用于涂料行业多品种、小批量，生产换线频繁的订单需求特征。

·　基于统一平台，各业务无缝集成，进行组件化模块化构建。可以满足企业当前需求与未来发展期望。

·　全面集成的业务框架，横向集成各业务系统，纵向打通控制层、生产调度层、企业决策层各层次的业务。

·　多终端系统支持，比如：手机APP、手持终端、手机短信、车间触屏等。

2　系统功能介绍

2.1　工厂模型

工厂模型即数字化建模，可以将工厂进行数字化，建立全面的数字化工厂，包括工厂结构、生产线处理能力、设备、仪表、物料、生产质量指标及相关的信息。由此将数据与设备、产品等进行关联，通过这一模块，可以配置并全面描述工厂的设计信息以及生产流程及产品的生产过程，并可对生产线的改造信息进行更新。

首先MES系统与ERP系统、批量控制系统相互同步基础信息，如：人员资料、仓库、车间、产线、工作单元以及物料等；其次定义相关设置信息，如：各产线在各配方Unit对应的工位（配送），物料在各车间的车间库，工位对应的仓库（确定备料调拨、手工投料业务的仓库），定义工位对应的PDA（推送投料通知），等等。

2.2　配方管理

配方管理实现对工艺配方的电子化管理，将其内容结构化，进行配方数据高度保密统一管理，供制造工单、批量控制系统使用，涂料生产能将原料根据配方要求实现精细化自动投料或人工投料，提高企业整体生产效率和竞争力。配方管理包括产品物料配方、操作步骤、设备运行参数、配方权限等信息。

2.3　计划排产

计划排产主要是将车间产能和资源良好匹配，在产能限制、关键瓶颈设备或工序限制、结合生产产品配方及订单需求，实现制造工单的同步，即在ERP系统中编辑制造工单，通过接口传递给MES系统。MES系统将其下达给批量控制系统，生成控制配方。MES系统取消制造工单时，通知ERP系统和批量控制系统。

2.4　工单管理

涂料生产管理的核心是工单管理，通过工单管理实现生产过程的全程跟踪，是生产执行系统的重要环节，能通过生产、物料配送、包装环节的指令反馈收集现场实绩，并同步收集现场质量检验数据。工单管理分批控、非批控、工时报工三种模式。

（1）批控模式批量控制控系统通过监视模块启动制造工单后，将状态同步给MES系统。

批控模式包括自动操作方案、人工投料方案、粉料投料和检验方案四种方案。

（2）非批控模式在MES系统中，手工启动、完成、中止（报废时）制造工单，手工生成投料记录、操作日志和产出记录。

MES系统会将制造工单状态、投料记录、产出记录及时传递给ERP系统，以便后者生成出、入库单。

（3）工时报工模式

车间每天统计各批次的人工工时和机器工时，汇总后录入MES系统。管理上确保原始记录中，每个人在各批次上花费的时间之和不超过实际出勤时间。

2.5　生产备料

生产备料用于车间根据生产指令进行备料准备工作，防止停工待料，提高生产效率，生产备料分人工备料、助剂备料、粉料备料三种方式。

（1）人工备料

物流部对照清单依次备料，打印标签贴在包装上，相应地生成备料记录，并回填需求，当已备量接近计划量时，将该行设为“完成”状态。

备料物品送至工位后，操作工在PDA上签收，备料记录变为“送达”状态。

（2）助剂备料

MES系统利用中间表发送指令，用户在助剂系统上完成备料并打印标签，备料记录和完成状态传回MES系统。同样地需要把备好的料送至相应的工位。

（3）粉料备料

MES系统向粉料系统发送指令，并接收数量反馈，生成备料记录。粉料放于配方罐中，无需送至工位。备料完成后，组织调拨数据传至ERP系统。

2.6　质量管理

（1）质量标准

导入产品的国家标准、行业标准或竞争对手标准，根据生产工艺的需要，定义原材料、半成品、成品的质量标准，作为采购验收、生产过程化验、产品质量判定、质量偏差分析的依据。系统中的质量标准对应一组项目的值范围，支持版本管理。

（2）检化验管理

帮助用户实现更高效的检化验分析管理，改变原有的人工流转样品和纸质填写化验报告的工作方式，可以实时准确的审核、发布检测结果、对检验数据进行回溯及历史趋势分析，降低运营成本、工作强度和差错率，提升用户在品质管理方面的工作效率和管理水平。

业务部门通过MES系统生成请检单，传入要分析的项目及合格标准，检测中心逐项测试，最终形成检验报告，经审批反馈给业务部门。

检化验管理主要功能包括任务管理、样品管理、任务分配、检验记录单和检验报告打印功能。

（3）SPC管理

SPC管理通过检化验数据的实时采集，运用SPC（统计过程控制）工具将数据分析计算后表现为控制图显示，在图形的运行有不合格趋势时预警，技术人员可及时调整以及原因分析和整改措施，充分体现“测量、分析、改进”过程控制策略，做好事前可以预防，事后有效分析，将极大提高过程控制水平，使企业产品质量持续提升成为可能。

2.7　批量控制

批量控制系统（VxBatch）负责车间级生产批次的控制和管理，与控制系统（DCS）进行信息交互。充分利用各种工业标准，可以满足小型的、基本的批次/顺序处理需求以及分布式的、综合的批次/顺序处理需求。可以通过批量控制系统改进生产、提高产量、降低成本并提高质量。

2.8　批次分析

生产结束后，对批次整个生产过程中的关键工艺参数，以预设的间隔，进行分析，重点关注其超限等异常状况，并以图形的方式更直观的展现。结合投料记录，形成单批完成生产记录。同时，可对多批进行对比，便于工艺人员获取分析最优批生产状况，辅助其改进生产配方。

摘自《自动化博览》2018年12月刊