制丝质量评价系统研究与实现

2011-01-29王光宇吕希胜

制造业自动化 2011年12期

王光宇，吕希胜

WANG Guang-yu1, LV Xi-sheng2

（1.红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂，沈阳 110001；2.中国科学院沈阳自动化研究所工业信息学重点实验室，沈阳 110016）

0 引言

烟草行业作为一种特殊行业，兼有国家宏观调控和市场经济的特征[1]。目前，烟草企业间的竞争加剧，难以依靠传统技术及改造提升其竞争力。而通过引入信息技术，全面实现企业信息化，提升企业综合竞争力，已成为烟草工业企业赢得市场与利润的有效手段[1,2]。在烟草企业信息化中，制造执行系统（MES）是一个分布式系统[3]，以管理、指挥、控制和协调生产为核心，与企业上层（决策管理层）和企业底层（生产过程控制层）间建立双向信息交换通道，实现信息的纵向集成。

对于烟草企业来说，制丝是卷烟生产的一个重要环节，制丝线的生产效率和成品烟丝质量直接影响到企业的经济效益[4]。制丝工艺复杂，影响效率和成品烟丝质量的因素较多，各种工艺参数，如温度、湿度、流量、压力、转速等物理量稳定控制在工艺要求范围内直接关系到成品烟丝的质量。目前对于制丝质量的评价主要还是基于人工抽检，但是由于受到工人素质、文化水平、计算方法和计算手段等因素的影响，不可能对烟丝质量进行及时有效的控制。因此，研究和开发符合烟草行业的先进质量控制手段已经成为质量管理的当务之急。

本文正是基于这一思想，提出了制丝质量评价方法，对在线质量和离线质量的评价分别进行了分析，并确立整个制丝质量的评价体系，最终完成系统的实现，并在制丝生产线做了应用。

1 制丝生产过程

制丝生产线负责完成烟丝制作任务，并将成品烟丝通过风力送丝机传送到卷包车间。制丝生产线一般由多条生产线组成，主生产线为叶丝线，另外还有多条辅助生产线，具体包括梗丝线、薄片线、梗颗粒线等，主要为叶丝线提供中间产品，如梗丝、薄片丝、梗颗粒等。这些中间产品按一定比例掺配到叶丝中，经过加香加料后便成为成品烟丝。成品烟丝按不同的品牌分放在不同的贮丝柜当中，并通过风力送丝，由管道直接送给卷接包车间的卷接设备。

整个制丝生产线设备众多，有叶片加料机、切丝机、叶片松散回潮机、烘丝机、加香机等主要加工设备；另外还有水分仪、流量秤等辅助设备；还有相应的动力能源设备，如空气压缩机、蒸汽设备等。在整个生产过程中，这些设备的设备参数和工艺质量参数都要进行精细控制，才能保证产品质量。近年来，制丝设备和动力能源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。操作人员在控制室利用上位机进行集中监控，这就为工艺参数通过管控系统直接下达到设备提供了基础。生产现场的各种数据也通过统一的数据平台传递到管控层，对产品进行相应的质量统计分析。

2 制丝质量评价方法

传统的制丝质量评价、统计与考核以工艺达标率，即质量特性检测数据的频次合格率为判定依据。由于受检测频次，即样本量的限制，因此依据小样本量所得出的判定结果，不能代表整批产品生产过程工艺质量的波动情况。这种评价方法对数据的采集、处理虽简单明了，但不能准确表明实物质量水平的高低，不能有效地促进制丝质量水平的提高。随着制丝生产线自动化水平的提高，生产过程中的工艺质量数据能够直接自动获取，这就为在线质量评价提供条件。以在线质量评价为主，结合烟气、香气等物理化学指标评价，最终形成制丝质量评价方法。

制丝质量评价体系主要由质量规范、质量判定模型、质量对比分析等部分组成，具体如下图所示：

2.1 SPC原理

SPC 是英文Statistical Process Control 的缩写，即统计过程控制。顾名思义，就是为了贯彻预防原则，应用统计方法对过程中的各个阶段进行监控,从而达到改进与保证产品质量的目的。控制图是SPC 技术的主要工具,是对过程质量特性值进行测定、记录并应用其进行控制的一种应用统计方法设计的图[5]。SPC能够帮助我们对过程做出可靠的评估，确定过程的统计控制界限，判断过程是否失控和是否有能力；为过程提供一个提前报警系统，及时监控过程的情况以防止不合格品的发生。SPC 要解决两个基本问题：一是工序质量状况是否稳定；二是过程能力是否充足。前者可利用控制图进行判断；后者可通过过程能力检查实现。SPC 是通过各种控制图进行质量分析、质量控制和质量改进的，它对卷烟生产过程进行分析评价，根据反馈信息及时发现异常现象出现的征兆, 并帮助我们采取措施消除其影响，使过程维持在仅受偶然性因素（正常波动）影响的受控状态，以达到控制质量的目的。

图1 制丝质量评价体系

2.2 在线质量评价

工艺参数、技术条件标准化是应用SPC技术进行在线质量评价的一项前提工作，因为只有在工艺参数、技术条件都初步实现标准化并在生产过程相近似的条件下，对生产过程的研究、调整和分析才有“复现性”，才是有效的。为此，我们对制丝生产过程中的多类工艺参数进行了研究、试验和调整，最终确定出各主要生产牌号的工艺参数和技术条件表，并确定了相应的管理办法，初步实现了工艺参数和技术条件标准化。

在线质量评价主要应用SPC统计过控制与分析手段，通过分析过程的样本统计数据，以判断生产过程的波动是否处于可接受状态，使整个过程维持在仅受偶然因素影响的稳定受控状态，以提高过程的效能。在卷烟生过程质量检测中主要采用控制图、直方图和工序能力指数来保障生产过程受控。

2.3 离线质量评价

离线质量评价是针对一些需要专用仪器分析的质量数据，通常需要物理或化学实验才能得出的结果进行分析，通过采样，并进行相关的物理或化学实验，得出相应的质量数据，对根据质量标准，最终实现离线质量评价。

3 系统功能描述

3.1 系统功能

制丝质量评价系统是制造执行系统的重要组成部分，它在接收ERP系统牌号、产品配方等信息的基础上，根据卷烟生产加工的工艺路线，定义工艺数据项、设定工艺参数的指标值、上下限，进行工艺控制参数组的维护、派生新的工艺控制规范。根据生产现场的实时数据，利用SPC技术完成在线质量评价。同时完成产品生产、工艺、检验规范，为产品质量检验提供标准，最终完成离线的质量检验。

制丝质量评价系统主要有三个功能模块，分别负责工艺参数版本控制、数据收集、质量评价与分析。

图2 制丝质量评价系统功能描述

3.2 系统结构

该系统以数据库为核心，采用模块化和开放式结构。它可以划分为3个层次：

第一层是数据采集层：系统可与实时历史库的采集器相连，实现生产过程数据的自动采集，也可以通过键盘实现手动录入；

第二层是数据处理层：根据各种数据输入，再根据相应的处理策略，完成对各过程的处理与实时监控，同时完成各控制图的生产与展示；

第三层是管理层：由企业质量管理部门计算机组成，通过网络对整个生产过程的质量进行监控与评价。

4 系统实现

4.1 技术基础

4.1.1.NET技术

.NET是微软新开发的大型分布式系统平台，其核心组成部分是.NET框架，.NET框架类型符合CLS（Common Language Specification，公共语言规范）。只要这种语言的编译器符合公共语言规范，可以使用任何编程语言进行开发。同时.NET平台上的数据交换采用可扩展标记语言XML作为标准格式，具有跨平台特性[6]。因此.NET技术非常适合于企业大型信息管理系统的开发。

4.1.2 实时历史库

iHistorian作为企业级实时历史数据库平台，可以在高速采集、归档并发布大量实时的现场过程信息[7]。iHistorian不论在性能、实用性及功能上都代表了企业级历史数据采集和管理的最先进水平。可以无缝地集成任何一种HMI/SCADA应用，iHistorian可以应用于任何一种生产环境，包括可以从 OPC，iFIX，FIX，甚至 CSV和 XML文件上获取数据，iHistorian可以在任何已有的数据平台上增强数据采集功能。

4.2 系统实例

工艺质量评价必须与计算机和自动化技术结合起来，才能充分发挥质量信息的作用，保证生产的稳定性和产品质量。制丝生产线管控一体化技术的应用，是企业能实施高水平的工艺质量管理的基础，通过完善的网络技术、统一的数据平台，实现制丝线信息的无障碍传送。该系统将关系数据库MS SQL Server2008、实时历史数据库iHistorian联系在一起，实现数据的顺利流转，最终实现工艺标准制定、工艺指令下达、工艺质量数据统计分析等多项功能。实时历史数据库iHistorian是实时数据的中转站，可以存储生产现场的大量生产信息，主要是工艺质量信息，为下一步的统计分析提供数据源。关系数据库主要存储海量经过统计分析后的数据，与相应的业务数据融合，为管理者提供决策参考。

由于该系统采用.net平台开发，使用模块化的组织方式，整个系统具有良好的交互性、可用性和可扩展性，有利于系统的维护和升级。

统计过程控制SPC技术是该系统的一大特色，为用户提供了各种数据展示方式以及关键工艺参数SPC分析，图3所示为其中烘丝机的一个关键工艺参数分析。

5 结论

制丝质量评价系统是一种新颖的、集软硬件于一体的计算机辅助制丝质量评价系统，能对整个制丝过程进行质量数据的采集、传递、存储、监测、评价分析。它能实现加工现场质量数据的自动采集和监测，还能够实现在线的质量评价，一量加工现场质量数据出现问题，可以立即报警和分析，为质量管理提供依据。系统的特色在于收集最简洁最基本的数据，经过一系列科学而复杂的计算，以最简单、直观、明了的方式表现，以便于深入分析品质状态和预测质量问题。