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編者按：隨著物聯網、云計算、移動互聯網、大數據、人工智能等新技術的飛速發展，以及I T與O T技術的進一步融合，工業制造、城市交通、電力能源、農業等各大行業領域的智慧化發展已成為必然趨勢。推進各領域向智慧化發展是一項復雜而龐大的系統工程，既需要單一技術與裝備的突破應用，還需要系統化的集成創新。智慧系統解決方案是推廣普及智能化技術的關鍵手段，是促進各行業智能化水平提升的核心。

為深化智慧產業發展，進一步提升智慧產業各領域系統解決方案應用水平，現由中國自動化學會、智能制造推進合作創新聯盟、工業控制系統信息安全產業聯盟、邊緣計算產業聯盟、中國儀器儀表行業協會主辦，《自動化博覽》雜志社&控制網（www.miconline.com.cn）承辦的“2018智慧系統解決方案征集”活動已正式啟動，面向全行業公開征集智慧系統解決方案。本刊特開設智慧系統解決方案專欄，刊發其中優秀的解決方案以饗讀者。

涂料行業在國民經濟多個行業中起到服務和配套的重要作用，廣泛應用于機械制造、交通運輸、輕工、化工、建筑等行業，是不可或缺的功能材料。近兩年，由于房地產行業投資和整個社會消費的不景氣，及國家環保要求的日益嚴格，涂料生產企業面臨越來越大的壓力。

隨著《中國制造2025》在工業制造領域的全面推進，涂料行業也面臨著向智能制造轉型升級，涂料產品個性化、定制化、專業化、服務化已成為涂料企業的主要方向，目前相對粗放的制造和生產已經跟不上時代，行業需要滿足現代多品種、小批量，多生產線，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方面多年經驗積累，提出了面向涂料行業的智能制造解決方案，從而幫助涂料企業降低運營成本、縮短產品研制周期、提高生產效率、降低產品不良品率、提高能源資源利用率、加強創新研發，提高核心競爭優勢。

涂料行業是典型的柔性化生產，具有“產品多樣、規模不定、周期變化大”的特點，中控的涂料行業智能制造解決方案即為解決這些問題而設計，其系統的建立基于中控的DCS+VxBatch+VxMES管控系統平臺，實現現代涂料行業柔性生產管理和控制，可使企業按需及時調整自身的生產工序和工藝彈性生產，同時滿足涂料行業中企業對“環保、安全、提質、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兩化融合方式為涂料企業解決從訂單生成，到生產計劃、工單排產、工單生產、信息匯總、成本監控、物流協同及質量控制等功能，可實現生產透明化規范化的管理和操作，訂單信息通暢且便于追溯，成本透明且能實時統計，配方管理安全保密且高效，生產過程環保健康并減少人的參與，柔性化生產管理的目標。

1　系統總體方案

1.1　系統流程

該智能制造解決方案包括：控制系統（DCS），批量控制系統（VxBatch）、生產管理系統（VxMES）三套基本系統，三者之間的系統信息交互如圖1所示：

圖1 DCS、VxBatch、VxMES信息交互示意圖

1.2　系統架構

涂料行業多品種批量生產智能制造系統的核心是基于中控DCS+VxBatch+VxMES管控系統平臺，其中控制層為DCS和底層設備部分，直接負責工廠生產控制的環節；執行層由批量控制系統（VxBatch）和生產管理系統（VxMES）兩部分組成，VxBatch負責車間級生產批次的控制和管理，VxBatch與控制層進行信息交互，VxMES負責整個企業的生產管理和協同，VxMES與ERP進行信息交互，同時VxMES與VxBatch通過數據接口實現計劃指令等信息交互，最終實現DCS、VxBatch、VxMES以及ERP之間的信息交互，其系統架構如圖2所示。

圖2 系統整體架構

1.3　技術架構

系統建立在中控BAP開發平臺之上，BAP平臺是一個基于私有云架構的協同管理系統開發平臺。主要采用的技術有：J2EE 技術架構、OSGI、數據源、數據庫、緩存服務、授權與權限控制、AJAX 技術；支持SOA、支持自定義工作流、跨多操作系統平臺、跨多數據庫等。

1.4　網絡架構

系統網絡架構充分考慮數據采集的完整性和安全性。通過標準的OPC/Modbus協議，將生產現場數據通過數據采集器進行采集。在網絡架構設計上采用以下技術：

·　利用MisGate和防火墻雙重保護，隔離生產控制層與生產管理層網絡之間的數據，保證生產控制層網絡的安全。

·　在實時歷史數據庫和應用服務器方面，采用冗余的方式，保證生產數據的完整和應用架構的。

圖3 系統網絡架構

·　支持生產管理數據可以通過外網以及手機端進行訪問。

1.5　集成架構

1.5.1　信息分類

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

公共數據：為企業核心數據，屬于各系統中都需要的信息。如企業的組織結構、物料、人員、供應商、客戶等信息。

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

圖4 系統信息分類模型

實現信息集成的前提是明確哪些信息屬于公共數據，哪些信息屬于共享數據，又有哪些信息為子系統專有數據。

采用以下技術實現信息共享與交換的技術：

·　通用的靜態數據共享技術實現數據庫存儲與共享；

·　中間件技術實現動態信息交換；

·　XML技術實現靜態信息跨平臺交換；

·　遠程過程調用實現動態信息交換；

·　文件傳遞與共享實現靜態信息交換。

1.5.2　信息集成架構

信息化系統所涉及的信息來自企業內部和外部。各類信息通過網絡傳輸和數據集成服務存儲于生產管理基礎數據平臺服務器中，通過加工處理、規則提取和數據抽象形成各類業務數據庫、知識庫中，并按照結構數據與非結構數據進行分類管理。

系統信息集成架構如圖5所示。

圖5 系統信息集成架構

1.6　數據采集方案

1.6.1　DCS數據采集

控制系統具有標準的數據通訊協議，通過數據采集網關實現實時數據庫服務器和DCS系統的連接。如圖6所示。增加數據采集網關的目的在于減低操作站負荷，網關的存儲轉發功能，結合MisGate，使得當網絡故障時，過程數據存儲在網關機。當網絡恢復后，網關自動將本地數據存儲到實時數據庫。這保證了數據不丟失。由于網關具有隔離控制網與管理網的作用，具有更高的安全性，保證控制系統的運行安全。

圖6 DCS數據采集架構圖

1.6.2　智能儀表數據采集

智能儀表數據采集采用Modbus協議，通過485 接口網絡連接到數據采集網關機。

1.6.3　PLC數據采集

PLC數據采集通過上位機的SCADA系統進行數據采集，數據采集方式同控制系統。

1.6.4　斷點續傳

當由于網絡、服務器故障等原因導致無法及時將實時數據寫入實時庫中，則數據采集程序會將未寫入實時庫的數據暫存在網關上，當故障恢復后，采集程序自動向實時庫中追加暫存的實時數據。數據在網關機上保存的時間取決于網關機硬盤容量，自動上傳期限為一周，超過一周需將數據導出，手動進行上傳。

1.7　系統安全方案

1.7.1　操作系統安全性

網絡操作系統（NOS）是網絡系統應用的核心，負責管理系統的共享資源。服務器網絡操作系統應采用多任務、多用戶結構。

·　系統可根據用戶對數據的不同要求，將用戶分成若干個角色，不同的角色具有不同的權限，服務器根據每個角色所具有的權限開放相關的信息通道供登錄用戶查詢和操作。

·　用NTFS（NT文件系統）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限。

1.7.2　系統使用安全設計

系統采用統一的用戶驗證與授權，對于用戶而言，只需要一個用戶身份和密碼，就可以根據權限訪問到不同的應用模塊。統一的用戶驗證和授權是采用集成的用戶驗證和授權服務器來實現的，其技術是基于Web Services。其優點主要表現在：

·　穿透防火墻的通訊；

·　基于XML和SOAP標準，實現不同應用架構和系統的集成；

·　支持B2B的企業應用集成。

1.7.3　數據備份安全設計

為了保障數據的存儲安全，針對信息化系統中的重要服務器系統及數據，對于物理介質的損壞造成的數據丟失，采用聯機磁盤冗余備份、數據庫自動備份，保證了數據的安全。當災難發生的時候，可以根據災難的情況選擇恢復策略（差異，完全或日志恢復）。選擇合適的恢復策略可以讓您的損失達到最小。

1.7.4　系統管理安全要求

制訂信息化系統的維護管理規范，加強對系統的安全管理，避免人為的造成系統故障。

1.8　系統方案特點

·　適用于涂料行業多品種、小批量，生產換線頻繁的訂單需求特征。

·　基于統一平臺，各業務無縫集成，進行組件化模塊化構建。可以滿足企業當前需求與未來發展期望。

·　全面集成的業務框架，橫向集成各業務系統，縱向打通控制層、生產調度層、企業決策層各層次的業務。

·　多終端系統支持，比如：手機APP、手持終端、手機短信、車間觸屏等。

2　系統功能介紹

2.1　工廠模型

工廠模型即數字化建模，可以將工廠進行數字化，建立全面的數字化工廠，包括工廠結構、生產線處理能力、設備、儀表、物料、生產質量指標及相關的信息。由此將數據與設備、產品等進行關聯，通過這一模塊，可以配置并全面描述工廠的設計信息以及生產流程及產品的生產過程，并可對生產線的改造信息進行更新。

首先MES系統與ERP系統、批量控制系統相互同步基礎信息，如：人員資料、倉庫、車間、產線、工作單元以及物料等；其次定義相關設置信息，如：各產線在各配方Unit對應的工位（配送），物料在各車間的車間庫，工位對應的倉庫（確定備料調撥、手工投料業務的倉庫），定義工位對應的PDA（推送投料通知），等等。

2.2　配方管理

配方管理實現對工藝配方的電子化管理，將其內容結構化，進行配方數據高度保密統一管理，供制造工單、批量控制系統使用，涂料生產能將原料根據配方要求實現精細化自動投料或人工投料，提高企業整體生產效率和競爭力。配方管理包括產品物料配方、操作步驟、設備運行參數、配方權限等信息。

2.3　計劃排產

計劃排產主要是將車間產能和資源良好匹配，在產能限制、關鍵瓶頸設備或工序限制、結合生產產品配方及訂單需求，實現制造工單的同步，即在ERP系統中編輯制造工單，通過接口傳遞給MES系統。MES系統將其下達給批量控制系統，生成控制配方。MES系統取消制造工單時，通知ERP系統和批量控制系統。

2.4　工單管理

涂料生產管理的核心是工單管理，通過工單管理實現生產過程的全程跟蹤，是生產執行系統的重要環節，能通過生產、物料配送、包裝環節的指令反饋收集現場實績，并同步收集現場質量檢驗數據。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通過監視模塊啟動制造工單后，將狀態同步給MES系統。

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、操作日志和產出記錄。

MES系統會將制造工單狀態、投料記錄、產出記錄及時傳遞給ERP系統，以便后者生成出、入庫單。

（3）工時報工模式

車間每天統計各批次的人工工時和機器工時，匯總后錄入MES系統。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　生產備料

生產備料用于車間根據生產指令進行備料準備工作，防止停工待料，提高生產效率，生產備料分人工備料、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，打印標簽貼在包裝上，相應地生成備料記錄，并回填需求，當已備量接近計劃量時，將該行設為“完成”狀態。

備料物品送至工位后，操作工在PDA上簽收，備料記錄變為“送達”狀態。

（2）助劑備料

MES系統利用中間表發送指令，用戶在助劑系統上完成備料并打印標簽，備料記錄和完成狀態傳回MES系統。同樣地需要把備好的料送至相應的工位。

（3）粉料備料

MES系統向粉料系統發送指令，并接收數量反饋，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，組織調撥數據傳至ERP系統。

2.6　質量管理

（1）質量標準

導入產品的國家標準、行業標準或競爭對手標準，根據生產工藝的需要，定義原材料、半成品、成品的質量標準，作為采購驗收、生產過程化驗、產品質量判定、質量偏差分析的依據。系統中的質量標準對應一組項目的值范圍，支持版本管理。

（2）檢化驗管理

幫助用戶實現更高效的檢化驗分析管理，改變原有的人工流轉樣品和紙質填寫化驗報告的工作方式，可以實時準確的審核、發布檢測結果、對檢驗數據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，提升用戶在品質管理方面的工作效率和管理水平。

業務部門通過MES系統生成請檢單，傳入要分析的項目及合格標準，檢測中心逐項測試，最終形成檢驗報告，經審批反饋給業務部門。

檢化驗管理主要功能包括任務管理、樣品管理、任務分配、檢驗記錄單和檢驗報告打印功能。

（3）SPC管理

SPC管理通過檢化驗數據的實時采集，運用SPC（統計過程控制）工具將數據分析計算后表現為控制圖顯示，在圖形的運行有不合格趨勢時預警，技術人員可及時調整以及原因分析和整改措施，充分體現“測量、分析、改進”過程控制策略，做好事前可以預防，事后有效分析，將極大提高過程控制水平，使企業產品質量持續提升成為可能。

2.7　批量控制

批量控制系統（VxBatch）負責車間級生產批次的控制和管理，與控制系統（DCS）進行信息交互。充分利用各種工業標準，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改進生產、提高產量、降低成本并提高質量。

2.8　批次分析

生產結束后，對批次整個生產過程中的關鍵工藝參數，以預設的間隔，進行分析，重點關注其超限等異常狀況，并以圖形的方式更直觀的展現。結合投料記錄，形成單批完成生產記錄。同時，可對多批進行對比，便于工藝人員獲取分析最優批生產狀況，輔助其改進生產配方。

摘自《自動化博覽》2018年12月刊