王光宇，呂希勝

WANG Guang-yu1, LV Xi-sheng2

（1.紅塔遼寧煙草有限責(zé)任公司 沈陽卷煙廠，沈陽 110001；2.中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所 工業(yè)信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016）

0 引言

煙草行業(yè)作為一種特殊行業(yè)，兼有國家宏觀調(diào)控和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的特征[1]。目前，煙草企業(yè)間的競爭加劇，難以依靠傳統(tǒng)技術(shù)及改造提升其競爭力。而通過引入信息技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化，提升企業(yè)綜合競爭力，已成為煙草工業(yè)企業(yè)贏得市場(chǎng)與利潤的有效手段[1,2]。在煙草企業(yè)信息化中，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是一個(gè)分布式系統(tǒng)[3]，以管理、指揮、控制和協(xié)調(diào)生產(chǎn)為核心，與企業(yè)上層（決策管理層）和企業(yè)底層（生產(chǎn)過程控制層）間建立雙向信息交換通道，實(shí)現(xiàn)信息的縱向集成。

對(duì)于煙草企業(yè)來說，制絲是卷煙生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，制絲線的生產(chǎn)效率和成品煙絲質(zhì)量直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[4]。制絲工藝復(fù)雜，影響效率和成品煙絲質(zhì)量的因素較多，各種工藝參數(shù)，如溫度、濕度、流量、壓力、轉(zhuǎn)速等物理量穩(wěn)定控制在工藝要求范圍內(nèi)直接關(guān)系到成品煙絲的質(zhì)量。目前對(duì)于制絲質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要還是基于人工抽檢，但是由于受到工人素質(zhì)、文化水平、計(jì)算方法和計(jì)算手段等因素的影響，不可能對(duì)煙絲質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)有效的控制。因此，研究和開發(fā)符合煙草行業(yè)的先進(jìn)質(zhì)量控制手段已經(jīng)成為質(zhì)量管理的當(dāng)務(wù)之急。

本文正是基于這一思想，提出了制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，對(duì)在線質(zhì)量和離線質(zhì)量的評(píng)價(jià)分別進(jìn)行了分析，并確立整個(gè)制絲質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系，最終完成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并在制絲生產(chǎn)線做了應(yīng)用。

1 制絲生產(chǎn)過程

制絲生產(chǎn)線負(fù)責(zé)完成煙絲制作任務(wù)，并將成品煙絲通過風(fēng)力送絲機(jī)傳送到卷包車間。制絲生產(chǎn)線一般由多條生產(chǎn)線組成，主生產(chǎn)線為葉絲線，另外還有多條輔助生產(chǎn)線，具體包括梗絲線、薄片線、梗顆粒線等，主要為葉絲線提供中間產(chǎn)品，如梗絲、薄片絲、梗顆粒等。這些中間產(chǎn)品按一定比例摻配到葉絲中，經(jīng)過加香加料后便成為成品煙絲。成品煙絲按不同的品牌分放在不同的貯絲柜當(dāng)中，并通過風(fēng)力送絲，由管道直接送給卷接包車間的卷接設(shè)備。

整個(gè)制絲生產(chǎn)線設(shè)備眾多，有葉片加料機(jī)、切絲機(jī)、葉片松散回潮機(jī)、烘絲機(jī)、加香機(jī)等主要加工設(shè)備；另外還有水分儀、流量秤等輔助設(shè)備；還有相應(yīng)的動(dòng)力能源設(shè)備，如空氣壓縮機(jī)、蒸汽設(shè)備等。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，這些設(shè)備的設(shè)備參數(shù)和工藝質(zhì)量參數(shù)都要進(jìn)行精細(xì)控制，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。近年來，制絲設(shè)備和動(dòng)力能源的控制系統(tǒng)普遍采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，形成分散控制、集中管理和監(jiān)控的管控一體化模式。操作人員在控制室利用上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，這就為工藝參數(shù)通過管控系統(tǒng)直接下達(dá)到設(shè)備提供了基礎(chǔ)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)也通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)傳遞到管控層，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析。

2 制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)的制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)、統(tǒng)計(jì)與考核以工藝達(dá)標(biāo)率，即質(zhì)量特性檢測(cè)數(shù)據(jù)的頻次合格率為判定依據(jù)。由于受檢測(cè)頻次，即樣本量的限制，因此依據(jù)小樣本量所得出的判定結(jié)果，不能代表整批產(chǎn)品生產(chǎn)過程工藝質(zhì)量的波動(dòng)情況。這種評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理雖簡單明了，但不能準(zhǔn)確表明實(shí)物質(zhì)量水平的高低，不能有效地促進(jìn)制絲質(zhì)量水平的提高。隨著制絲生產(chǎn)線自動(dòng)化水平的提高，生產(chǎn)過程中的工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)能夠直接自動(dòng)獲取，這就為在線質(zhì)量評(píng)價(jià)提供條件。以在線質(zhì)量評(píng)價(jià)為主，結(jié)合煙氣、香氣等物理化學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)，最終形成制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)體系主要由質(zhì)量規(guī)范、質(zhì)量判定模型、質(zhì)量對(duì)比分析等部分組成，具體如下圖所示：

2.1 SPC原理

SPC 是英文Statistical Process Control 的縮寫，即統(tǒng)計(jì)過程控制。顧名思義，就是為了貫徹預(yù)防原則，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)過程中的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)控,從而達(dá)到改進(jìn)與保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的?？刂茍D是SPC 技術(shù)的主要工具,是對(duì)過程質(zhì)量特性值進(jìn)行測(cè)定、記錄并應(yīng)用其進(jìn)行控制的一種應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)的圖[5]。SPC能夠幫助我們對(duì)過程做出可靠的評(píng)估，確定過程的統(tǒng)計(jì)控制界限，判斷過程是否失控和是否有能力；為過程提供一個(gè)提前報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)監(jiān)控過程的情況以防止不合格品的發(fā)生。SPC 要解決兩個(gè)基本問題：一是工序質(zhì)量狀況是否穩(wěn)定；二是過程能力是否充足。前者可利用控制圖進(jìn)行判斷；后者可通過過程能力檢查實(shí)現(xiàn)。SPC 是通過各種控制圖進(jìn)行質(zhì)量分析、質(zhì)量控制和質(zhì)量改進(jìn)的，它對(duì)卷煙生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)反饋信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)的征兆, 并幫助我們采取措施消除其影響，使過程維持在僅受偶然性因素（正常波動(dòng)）影響的受控狀態(tài)，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。

圖1 制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

2.2 在線質(zhì)量評(píng)價(jià)

工藝參數(shù)、技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)化是應(yīng)用SPC技術(shù)進(jìn)行在線質(zhì)量評(píng)價(jià)的一項(xiàng)前提工作，因?yàn)橹挥性诠に噮?shù)、技術(shù)條件都初步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化并在生產(chǎn)過程相近似的條件下，對(duì)生產(chǎn)過程的研究、調(diào)整和分析才有“復(fù)現(xiàn)性”，才是有效的。為此，我們對(duì)制絲生產(chǎn)過程中的多類工藝參數(shù)進(jìn)行了研究、試驗(yàn)和調(diào)整，最終確定出各主要生產(chǎn)牌號(hào)的工藝參數(shù)和技術(shù)條件表，并確定了相應(yīng)的管理辦法，初步實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)和技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)化。

在線質(zhì)量評(píng)價(jià)主要應(yīng)用SPC統(tǒng)計(jì)過控制與分析手段，通過分析過程的樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以判斷生產(chǎn)過程的波動(dòng)是否處于可接受狀態(tài)，使整個(gè)過程維持在僅受偶然因素影響的穩(wěn)定受控狀態(tài)，以提高過程的效能。在卷煙生過程質(zhì)量檢測(cè)中主要采用控制圖、直方圖和工序能力指數(shù)來保障生產(chǎn)過程受控。

2.3 離線質(zhì)量評(píng)價(jià)

離線質(zhì)量評(píng)價(jià)是針對(duì)一些需要專用儀器分析的質(zhì)量數(shù)據(jù)，通常需要物理或化學(xué)實(shí)驗(yàn)才能得出的結(jié)果進(jìn)行分析，通過采樣，并進(jìn)行相關(guān)的物理或化學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出相應(yīng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)離線質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3 系統(tǒng)功能描述

3.1 系統(tǒng)功能

制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)是制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分，它在接收ERP系統(tǒng)牌號(hào)、產(chǎn)品配方等信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)卷煙生產(chǎn)加工的工藝路線，定義工藝數(shù)據(jù)項(xiàng)、設(shè)定工藝參數(shù)的指標(biāo)值、上下限，進(jìn)行工藝控制參數(shù)組的維護(hù)、派生新的工藝控制規(guī)范。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用SPC技術(shù)完成在線質(zhì)量評(píng)價(jià)。同時(shí)完成產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝、檢驗(yàn)規(guī)范，為產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)，最終完成離線的質(zhì)量檢驗(yàn)。

制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要有三個(gè)功能模塊，分別負(fù)責(zé)工藝參數(shù)版本控制、數(shù)據(jù)收集、質(zhì)量評(píng)價(jià)與分析。

圖2 制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能描述

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，采用模塊化和開放式結(jié)構(gòu)。它可以劃分為3個(gè)層次：

第一層是數(shù)據(jù)采集層：系統(tǒng)可與實(shí)時(shí)歷史庫的采集器相連，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，也可以通過鍵盤實(shí)現(xiàn)手動(dòng)錄入；

第二層是數(shù)據(jù)處理層：根據(jù)各種數(shù)據(jù)輸入，再根據(jù)相應(yīng)的處理策略，完成對(duì)各過程的處理與實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)完成各控制圖的生產(chǎn)與展示；

第三層是管理層：由企業(yè)質(zhì)量管理部門計(jì)算機(jī)組成，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控與評(píng)價(jià)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 技術(shù)基礎(chǔ)

4.1.1.NET技術(shù)

.NET是微軟新開發(fā)的大型分布式系統(tǒng)平臺(tái)，其核心組成部分是.NET框架，.NET框架類型符合CLS（Common Language Specification，公共語言規(guī)范）。只要這種語言的編譯器符合公共語言規(guī)范，可以使用任何編程語言進(jìn)行開發(fā)。同時(shí).NET平臺(tái)上的數(shù)據(jù)交換采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML作為標(biāo)準(zhǔn)格式，具有跨平臺(tái)特性[6]。因此.NET技術(shù)非常適合于企業(yè)大型信息管理系統(tǒng)的開發(fā)。

4.1.2 實(shí)時(shí)歷史庫

iHistorian作為企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，可以在高速采集、歸檔并發(fā)布大量實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)過程信息[7]。iHistorian不論在性能、實(shí)用性及功能上都代表了企業(yè)級(jí)歷史數(shù)據(jù)采集和管理的最先進(jìn)水平?？梢詿o縫地集成任何一種HMI/SCADA應(yīng)用，iHistorian可以應(yīng)用于任何一種生產(chǎn)環(huán)境，包括可以從 OPC，iFIX，F(xiàn)IX，甚至 CSV和 XML文件上獲取數(shù)據(jù)，iHistorian可以在任何已有的數(shù)據(jù)平臺(tái)上增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集功能。

4.2 系統(tǒng)實(shí)例

工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)必須與計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合起來，才能充分發(fā)揮質(zhì)量信息的作用，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。制絲生產(chǎn)線管控一體化技術(shù)的應(yīng)用，是企業(yè)能實(shí)施高水平的工藝質(zhì)量管理的基礎(chǔ)，通過完善的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)制絲線信息的無障礙傳送。該系統(tǒng)將關(guān)系數(shù)據(jù)庫MS SQL Server2008、實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫iHistorian聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順利流轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)制定、工藝指令下達(dá)、工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等多項(xiàng)功能。實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫iHistorian是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，可以存儲(chǔ)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大量生產(chǎn)信息，主要是工藝質(zhì)量信息，為下一步的統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)源。關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)海量經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)，與相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合，為管理者提供決策參考。

由于該系統(tǒng)采用.net平臺(tái)開發(fā)，使用模塊化的組織方式，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的交互性、可用性和可擴(kuò)展性，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。

統(tǒng)計(jì)過程控制SPC技術(shù)是該系統(tǒng)的一大特色，為用戶提供了各種數(shù)據(jù)展示方式以及關(guān)鍵工藝參數(shù)SPC分析，圖3所示為其中烘絲機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)分析。

5 結(jié)論

制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)是一種新穎的、集軟硬件于一體的計(jì)算機(jī)輔助制絲質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，能對(duì)整個(gè)制絲過程進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、傳遞、存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)分析。它能實(shí)現(xiàn)加工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和監(jiān)測(cè)，還能夠?qū)崿F(xiàn)在線的質(zhì)量評(píng)價(jià)，一量加工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，可以立即報(bào)警和分析，為質(zhì)量管理提供依據(jù)。系統(tǒng)的特色在于收集最簡潔最基本的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列科學(xué)而復(fù)雜的計(jì)算，以最簡單、直觀、明了的方式表現(xiàn)，以便于深入分析品質(zhì)狀態(tài)和預(yù)測(cè)質(zhì)量問題。

圖3 關(guān)鍵工藝參數(shù)SPC界面

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