“工业4.0”时代卷烟工厂智能安全体系的建立

2022-04-24王明佳杨天行周立群

技术与市场 2022年4期

王明佳，李硕，杨天行，孙涛，周立群

(1.甘肃烟草工业有限责任公司，甘肃兰州 730050； 2.兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州 730050)

1 概述

“工业4.0” 是由德国政府提出的一项高科技战略计划，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂。中德两国在2014年共同签署了《中德合作行动纲要：共塑创新》，包括政治、经济、文化、工业、农业等领域，纲要中明确指出两国要在“工业4.0”方面近一步加强合作[1]。

“工业4.0”的核心是融合实体系统和虚拟系统，建立一个信息物理系统(Cyber-Phyiscal System，CPS)，打造一个智能工厂，将生产过程智能化，达到传统制造向智能制造转型升级的终极目标。其中，智能工厂的建立关键在于工厂生产设备中智能传感器的植入，传感器可以自主采取生产数据使得生产设备变为智能化的工具，对生产过程进行智能监测和智能操控。智能工厂的所有产品部件也将拥有各自对应的信息，在实现数据交互后，各部件能够根据信息与生产设备建立沟通，根据生产需求自动发出生产操作指令，从而顺利完成产品的自动生产，图1对比了传统制造业与“工业4.0”制造业体系。智能工厂实质上是对工业化和信息化的完美融合，构建出一个高效率、高灵活度的生产空间。基于“工业4.0”，并结合我国制造业的发展现状，工信部提出了《中国制造2025》规划，明确指出要将智能制造作为我国未来工业的主攻方向，坚持创新驱动、智能转型，实现从制造大国向制造强国的转变[2]。

随着智能制造逐步付诸实践，使得生产装置的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高，但相应的安全问题也日益严重，导致灾难性事故发生。生产活动中的危险源和安全事故导致的员工生命健康损失，不仅侵害员工的生命健康权利，而且减损人力资本，影响经济社会的可持续发展。涂善东院士提出了智能安全的理念，认为智能安全是“工业4.0”时代保障智能制造健康发展的基础。智能安全的提出为工厂智能制造系统的设计、运行提供了安全保护，可以实现人员的安全与健康，在提升我国制造业的国际竞争力方面有显著的作用[3]。

卷烟工厂一直致力于提升企业科技水平，其在“工业4.0”时代拥有着显著的潜力，可以充分体现智能制造。从卷烟工业的特点来看，该行业发生安全事故的概率较低，不属于高危性行业。但是，由于卷烟的价值高，一旦发生事故将会带来巨大的经济损失。本文在分析卷烟制造行业的发展现状及趋势的基础上，探讨安全管理技术如何匹配智能制造的升级。

2 卷烟工业智能制造的现状与趋势

卷烟制造是典型的流程型生产，主要包括制丝、卷接和包装三大工艺过程，它们分别承担原料加工、卷制成形和包装成品的各项加工任务。各工序间物料的流动是连续的，单向无循环，生产节奏均匀[4]。一般而言，卷烟企业的设备自动化程度、数字化建设以及员工技术素养，相比于其他行业处于领先水平，这些构成了实现智能制造的坚实基础。此外，国家烟草专卖局也在积极探索并着力推动卷烟企业发展智能制造，为国家制造业的发展贡献一份力量。在此背景下，一批卷烟企业进行了积极实践并取得了一定的成绩。从当前的实际发展情况来看，烟草行业已经具备了一定的智能制造应用基础，比如生产过程及物流配送自动化、管理决策信息化等,但仍然缺乏自主学习、自我完善及自主决策的能力。

在卷烟生产流程中，烟叶初烤、打叶复烤、烟叶发酵、卷烟配方、卷烟制丝、烟支制卷、卷烟包装等生产工艺都实现了机械化生产，而智能制造技术可以为卷烟制造业提供更加有力的技术支撑。MES制造执行系统、生产者延伸责任(EPR)系统、集散控制系统(DCS)等一系列智能制造系统架构中的重要组成部分，在卷烟制造领域都有着十分广阔的应用前景[5]。智能化下的卷烟制造业将产生较大改变，由直线流程式改为各环节互动的环式结构，向一体化的组织单位发生转变，信息实时反馈与工艺、研发之间呈双向往来关系，更利于生产研发部门根据市场需求定义产品特性，实现“对症下药”[6]。在“工业4.0”时代，智能制造是卷烟工业发展的必然趋势。

3 卷烟工厂的安全现状

由于烟草行业本身的特殊性，以及烟草加工环节的复杂性。无论哪一个环节存在疏忽，都容易引发安全事故，从而导致企业巨大损失。目前，卷烟工厂存在的安全问题主要体现在以下方面。

1)传统卷烟工厂对于安全生产的管理手段比较单一，主要以例行检查、教育培训和定期评估为主。但这种方式容易受到时间效率、人力资源等各类成本项的制约，管理效率不高，精细化水平有限。而且，风险辨识评估不全面，日常管理工作依靠人工纸质单据记录，信息收集不规范、查找统计不便，导致安全管理效率低下，管控过程无法有效追溯和落实。

2)尽管尝试引进了部分监控摄像头、物联网等相关的技术产品，由于智能化程度不高，无法覆盖生产的主要风险，能够采集到的生产数据有限，数据分析、监测预警等智能化应用尚未开展。同时，传统的摄像头监控只能由人工进行实时查看，或者在事后进行回溯，效率极其低下且无法做到有效预防和及时报警。现有的集散控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)、安全仪表系统(SIS)、数据采集与监视控制系统(SCADA)、危险品仓储、消毒及可燃气体监测系统、消防系统等信息孤岛严重，更缺乏工艺异常分析、设备预测维护、数据趋势预警等能力，信息不能融合共享与联动处置。

4 卷烟工厂智能安全体系的建立

智慧工厂是继数字化、精益化之后工厂的发展模式，是智能制造的基础与关键技术之一。在烟草企业的积极探索下，我国烟草工业的智能制造水平正在逐步提升。智慧工厂的发展对于安全问题也带来了新的挑战。传统的安全管理模式及技术显然无法满足智慧工厂的需求，如果忽视安全系统的智能建设，将对企业带来不可估量的生产风险[7]。因此，需要在进行智能工厂顶层设计的时候就对安全体系进行全面的规划。项目建设中后期再进行安全系统的补救，会给企业带来更多的经济投入和安全隐患。

智能工厂的所有产品部件拥有各自对应的信息，在实现数据交互后，各部件能够根据信息与生产设备建立沟通，根据生产需求自动发出生产操作指令，从而顺利完成产品的自动生产[8]。所以，要想确保智能工厂的安全，需要匹配适合的智能安全体系[9]。对于卷烟制造业而言，智能安全体系应将移动互联网、物联网、云计算技术等先进技术应用到安全生产监督管理业务中，通过感知数据的统一集中管理构建一个面向服务的智慧安全监管理平台，实现安全生产全要素实时监控、事故隐患智能分析、智慧安全管理、应急协同指挥、培训教育考核一体化的“互联网+”大数据管理创新模式，为企业安全生产和安监部门的监督管理提供高效实时的智能应用与服务，其基本架构如图2所示。智能安全系统应基于统一架构，由重大危险源监测预警、企业安全风险分区管理、人员在岗在位及企业安全生产全流程管理功能模块组成，为企业构建HSE管控一体化体系。以下从人员安全管理、生产安全管理、危机处理3个方面进行介绍。

图2 智能安全体系基本架构

1)据统计，大约96%的事故是由于人员的疏忽引起，智能安全系统能够提供全面的安全生产监控方案，基于摄像头采集的图像，监测职工是否符合安全着装规范、作业规范。如果存在人员安全隐患，系统可以自动进行识别，并将信息及时传输至一体化平台，帮助企业安全管理部门、公司领导及时全面、精准地掌握企业员工的工作状态，从而针对性对员工进行培训，以提高员工的培训效果，从源头上消除因为人的不规范行为和习惯而导致的事故隐患。

2)在生产阶段，设备管理系统可以实现设备运行状况的在线诊断、故障预警以及预测性维护指导，提高企业维护效率，降低维护成本，避免由于设备故障导致的安全事故。此外，企业内部所有的设备设施要进行全生命周期的系统化管理，从采购、安装、调试，到使用过程中的维护、维修、变动，再到设备报废、拆除，随时、全面、准确的了解各设备、设施的动态和静态信息，实时掌握设备运行状态。

3)在危机处理方面，基于试验数据管理系统(TDM)，利用大数据分析、人工智能、专家系统进行故障诊断。同时建设安全数据中心，将各类安全数据汇集，实现各阶段与各业务

功能的互联互通，实现全要素的风险管控。通过一体化平台的应急管控模块，辅助危险事件发生后的应急救援决策，实现安全应急指挥，并实现工厂安全应急联动。

可以看出，智能安全体系的建立基于实时监控、物联网、三维可视化、智能信息处理等技术手段，将卷烟企业被动式的安全生产管理升级为全方位、全过程、全天的立体管控。无论是在复杂的室内建筑物环境，还是在室外环境，系统都能完成精准的生产管理追踪和监控，紧盯“人机环管”，阻断致祸因素。另外，安全系统结合三维精细化建模、AI视频分析、移动应用、人员实时定位、智能进出控制以及物联网大数据等新技术，采用B/S架构，实现轻量快捷Web应用，功能设计尽显科学人性化，助力企业生产管理者全面、高效监控现场作业过程，保障了企业生产作业全流程本质安全。