论文部分内容阅读
摘 要：随着信息化的快速发展，制造业正在升级换代，并加速步入工业4.0，云平台随之得到广泛应用。文章分析了烟草制丝线的工业以太网应用现状，探究了利用云平台与工业互联网构建云模块来实现柔性制丝生产的策略，为制丝生产智能制造提供思路启发。
关键词：云模块;烟草制丝线;云平台与工业互联网;智能制造
在中国制造2025的浪潮下，云平台正被各行各业广泛应用。基于云平台的资源共享优势，生产过程中不仅能够实现PC终端及移动端的快速访问及操作，还能促进企业员工根据使用需求在云平台上进行相关小程序的开发。烟草行业制丝线作为卷烟生产的关键环节，涉及工艺管理、质量管理、设备管理、安全管理等方面，受到运行在云平台上各种小程序的启发，结合信息化和工业化的高层次深度融合，利用云平台与工业互联网构建云模块，逐步实现CPS云模块控制下的柔性生产，促进制丝生产智能制造。
1 工业以太网在制丝线的应用现状
目前，大部分卷烟制丝线的生产管理采用主干环型结构+总线型结构相结合的网络拓扑，其中以现场总线技术为主。主干环型结构采用光纤作为传输介质，总线型结构采用超五类屏蔽双绞线或超六类屏蔽双绞线作为传输介质，在总线型结构中还有部分网络耦合节点用于连接DP/PA设备[1]。随着智能设备的广泛应用，未来总线型结构中会出现新型网络耦合节点连接智能设备的应用。制丝生产设备联锁控制或生产配方信息数据采集一般依赖于集成服务商或SCADA（数据采集与监控）软件，如西门子公司的WINCC、GE公司的IfIX等。通常情况下，集成服务商或SCADA软件都是OPC（用于过程控制的OLF）的成员单位，OPC包括了一整套接口、属性和方法的标准集，用于制丝生产过程自动控制。网络拓扑及集成服务商或SCADA软件的现有条件为智能设备接入到云平台提供了网络实体层保障。
制丝生产线主要由一些具有特定功能的主机设备和辅联设备组成，各生产厂的主机设备及辅联设备基本功能大致相同，控制模式及执行器件相似。一般情况下，主机设备有单独的控制器，辅联设备按工艺路线进行划分，由工艺电控系统的控制器进行集中控制，目前制丝线上的控制器大多为西门子S7-300/400。无论是逻辑控制，还是PID控制，都是在西门子的集成环境下运行，确保了控制的快速、精准。
传统的控制系统中，主要以自动化控制原理来进行相应控制参数的推算[2]，PID就是其中的一个经典控制算法，它是在曾经信息处理能力及数据存储能力受限的条件下产生的，其过程简单，易于實现。随着信息技术的发展和使用需求的深化，基于CPS（信息物理系统）的智能制造已在部分生产厂开展试验并取得了良好的效果，可以预想未来的传统PID控制模型将逐步被新型智能制造的控制模型所替代。通过大数据分析和筛选，对需要的数据进行分析建模，可以模拟人的思维进行经验分析，并综合量化各权重比后反馈到实时的控制中，以实现生产控制新模式。这对提高产品均质化水平意义重大，契合企业高质量发展的要求，为未来统一的接口或控制模式接入到云平台提供了设备层的保障。
2 云模块构建思路
结合目前行业大部分制丝生产线来说，在不进行大规模的技术改造的情况下，依托企业云平台及制丝生产线的设备及网络实体，以CPS的理念为指导[3]，制定企业统一标准体系的制丝生产新型智能制造控制模型，解决技术壁垒问题，变被动为主动，汇聚企业员工共同智慧，协同研发和完善，运用基于机器自学习、大数据分析建模等先进算法构建拥有自主知识产权的硬核云模块驱动制丝生产智能制造，将制丝生产的信息化和工业化融合技术掌握在自己手中。
2.1 统一接口协议和OSI模型实现数据交互
现今的工业以太网协议都是开放的，通过接口协议的标准，能够通过编程实现对控制器数据的读取与写入。这就需要有统一的程序接口，并制定统一接口的协议说明及运用技术标准。根据实际统一的OSI模型，不需完全按照标准的七层模型来划分，大致上可分为设备层、工控接口层、功能层、应用接口层等。统一接口协议和OSI模型才能让信息数据流动起来，这也是实现云模块的基础。
2.2 统一CPS系统及标准构建CPS智能制造云模块
近几年，行业一些卷烟生产厂基于CPS的智能制造试点项目取得了显著的效果，为整体实现CPS智能制造指明了方向。CPS的核心层面是控制模型，要做好顶层设计，到底是用传统的PID控制算法，还是用机器自学习算法，还是用基于大数据分析的算法，需要深入思考并实际演算得出结果。根据控制模型的标准进行应用接口层的接口协议制定，同时，使得云模块的开发尽可能简单化、多元化。因为统一了接口，为实现云模块的调用及嵌套调用提供了可能。在企业云平台的支持下，汇聚各企业员工的智慧，构建各种各样的云模块，实现云模块库，减少重复开发的周期和成本。
例如，A生产厂的工控人员开发出了更具节能性能的电机驱动云模块，通过云平台被B生产厂的生产线集控人员调用并进行进一步开发，同时又进一步开发了基于大数据分析的智能质量管控云模块，根据体系标准，预留了一些接口，开发好后再把该云模块分享到了云平台，C生产厂的工艺分析员看到了此云模块，用其进行质量管控功能对工艺分析。可该云模块由于B生产厂人员的岗位角度考虑有所欠缺，未预留一些信息数据的接口，C厂的工艺分析员将该情况反馈B厂人员，由B厂人员完成接口预留并再次分享，C厂工艺分析员利用更新后的云模块再次用自己的专业知识并辅以开发语言，开发了智能工艺参数微调控制云模块并分享。过程框架示意如下图。
各具特色云模块的诞生，充分体现了智慧汇聚、协同开发并完善的理念，长期以往形成了一种良性循环，最终看到的将是一个由满目琳琅云模块构成的制丝云智能生态。依托云平台，行业内的各家生产厂制丝线根据实际设备层的情况，灵活调用、组合或再次开发云模块，实现CPS控制云模块的柔性制丝。
2.3 引领全员参与充实云模块
以发展的眼光来看，逐步引领全员参与和充实企业的云模块。例如，金融领域中的期货从业人员，他们既懂金融专业知识，又能使用简单的编程语言进行数据分析。对应在烟草制丝线领域，要布局实现相关从业人员掌握“双业务”，即企业员工不仅仅从事本专业的业务，同时还应具备在云平台以本职业务辅以适当的编程语言开发各具特色的云模块。这样不仅促进人的价值的实现，也为云模块的开发和资源共享贡献力量。
2.4 总体目标
在5G时代，要深度结合制丝生产中的设备运行情况，引领各层级的企业员工汇聚全员智慧，共同参与信息化建设，以本职业务辅以适当开发工具不断构建和充实企业制丝生产云模块，逐步实现CPS控制云模块柔性制丝，最终完成企业制丝生产CPS的云智能生态，驱动制丝生产智能制造。在此过程中，统一技术体系及管理体系，加大信息技术复合型人才培养力度，打破传统信息技术开发与本职业务分离的方式，减少重复性开发，降本增效，形成基于企业云平台的企业制丝云生态。同时，将制丝智能生产的核心控制模型（云模块）、算法及数据转换为知识产权，打破以往的技术封锁，变被动为主动，将核心技术主动权掌握在自己手中。
结语
信息技术与工业技术的变化日新月异，以CPS理论为指导，基于云平台与工业互联网构建云模块驱动智能制造不仅能在制丝生产中得到运用，同时还能在其他具备类似设备情况与网络实体的制造业中得到广泛运用。
参考文献：
[1]廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[M].机械工业出版社.2009.
[2]马坡森. 模糊PID与传统PID的性能比较与适应场合分析[J]. 华北水利水电大学. 2019.12.017.
[3]郭楠，贾超.信息物理系统白皮书（2017）[J].中国电子技术标准化研究院.2017.
（红云红河烟草（集团）有限责任公司 会泽卷烟厂 654200）
关键词：云模块;烟草制丝线;云平台与工业互联网;智能制造
在中国制造2025的浪潮下，云平台正被各行各业广泛应用。基于云平台的资源共享优势，生产过程中不仅能够实现PC终端及移动端的快速访问及操作，还能促进企业员工根据使用需求在云平台上进行相关小程序的开发。烟草行业制丝线作为卷烟生产的关键环节，涉及工艺管理、质量管理、设备管理、安全管理等方面，受到运行在云平台上各种小程序的启发，结合信息化和工业化的高层次深度融合，利用云平台与工业互联网构建云模块，逐步实现CPS云模块控制下的柔性生产，促进制丝生产智能制造。
1 工业以太网在制丝线的应用现状
目前，大部分卷烟制丝线的生产管理采用主干环型结构+总线型结构相结合的网络拓扑，其中以现场总线技术为主。主干环型结构采用光纤作为传输介质，总线型结构采用超五类屏蔽双绞线或超六类屏蔽双绞线作为传输介质，在总线型结构中还有部分网络耦合节点用于连接DP/PA设备[1]。随着智能设备的广泛应用，未来总线型结构中会出现新型网络耦合节点连接智能设备的应用。制丝生产设备联锁控制或生产配方信息数据采集一般依赖于集成服务商或SCADA（数据采集与监控）软件，如西门子公司的WINCC、GE公司的IfIX等。通常情况下，集成服务商或SCADA软件都是OPC（用于过程控制的OLF）的成员单位，OPC包括了一整套接口、属性和方法的标准集，用于制丝生产过程自动控制。网络拓扑及集成服务商或SCADA软件的现有条件为智能设备接入到云平台提供了网络实体层保障。
制丝生产线主要由一些具有特定功能的主机设备和辅联设备组成，各生产厂的主机设备及辅联设备基本功能大致相同，控制模式及执行器件相似。一般情况下，主机设备有单独的控制器，辅联设备按工艺路线进行划分，由工艺电控系统的控制器进行集中控制，目前制丝线上的控制器大多为西门子S7-300/400。无论是逻辑控制，还是PID控制，都是在西门子的集成环境下运行，确保了控制的快速、精准。
传统的控制系统中，主要以自动化控制原理来进行相应控制参数的推算[2]，PID就是其中的一个经典控制算法，它是在曾经信息处理能力及数据存储能力受限的条件下产生的，其过程简单，易于實现。随着信息技术的发展和使用需求的深化，基于CPS（信息物理系统）的智能制造已在部分生产厂开展试验并取得了良好的效果，可以预想未来的传统PID控制模型将逐步被新型智能制造的控制模型所替代。通过大数据分析和筛选，对需要的数据进行分析建模，可以模拟人的思维进行经验分析，并综合量化各权重比后反馈到实时的控制中，以实现生产控制新模式。这对提高产品均质化水平意义重大，契合企业高质量发展的要求，为未来统一的接口或控制模式接入到云平台提供了设备层的保障。
2 云模块构建思路
结合目前行业大部分制丝生产线来说，在不进行大规模的技术改造的情况下，依托企业云平台及制丝生产线的设备及网络实体，以CPS的理念为指导[3]，制定企业统一标准体系的制丝生产新型智能制造控制模型，解决技术壁垒问题，变被动为主动，汇聚企业员工共同智慧，协同研发和完善，运用基于机器自学习、大数据分析建模等先进算法构建拥有自主知识产权的硬核云模块驱动制丝生产智能制造，将制丝生产的信息化和工业化融合技术掌握在自己手中。
2.1 统一接口协议和OSI模型实现数据交互
现今的工业以太网协议都是开放的，通过接口协议的标准，能够通过编程实现对控制器数据的读取与写入。这就需要有统一的程序接口，并制定统一接口的协议说明及运用技术标准。根据实际统一的OSI模型，不需完全按照标准的七层模型来划分，大致上可分为设备层、工控接口层、功能层、应用接口层等。统一接口协议和OSI模型才能让信息数据流动起来，这也是实现云模块的基础。
2.2 统一CPS系统及标准构建CPS智能制造云模块
近几年，行业一些卷烟生产厂基于CPS的智能制造试点项目取得了显著的效果，为整体实现CPS智能制造指明了方向。CPS的核心层面是控制模型，要做好顶层设计，到底是用传统的PID控制算法，还是用机器自学习算法，还是用基于大数据分析的算法，需要深入思考并实际演算得出结果。根据控制模型的标准进行应用接口层的接口协议制定，同时，使得云模块的开发尽可能简单化、多元化。因为统一了接口，为实现云模块的调用及嵌套调用提供了可能。在企业云平台的支持下，汇聚各企业员工的智慧，构建各种各样的云模块，实现云模块库，减少重复开发的周期和成本。
例如，A生产厂的工控人员开发出了更具节能性能的电机驱动云模块，通过云平台被B生产厂的生产线集控人员调用并进行进一步开发，同时又进一步开发了基于大数据分析的智能质量管控云模块，根据体系标准，预留了一些接口，开发好后再把该云模块分享到了云平台，C生产厂的工艺分析员看到了此云模块，用其进行质量管控功能对工艺分析。可该云模块由于B生产厂人员的岗位角度考虑有所欠缺，未预留一些信息数据的接口，C厂的工艺分析员将该情况反馈B厂人员，由B厂人员完成接口预留并再次分享，C厂工艺分析员利用更新后的云模块再次用自己的专业知识并辅以开发语言，开发了智能工艺参数微调控制云模块并分享。过程框架示意如下图。
各具特色云模块的诞生，充分体现了智慧汇聚、协同开发并完善的理念，长期以往形成了一种良性循环，最终看到的将是一个由满目琳琅云模块构成的制丝云智能生态。依托云平台，行业内的各家生产厂制丝线根据实际设备层的情况，灵活调用、组合或再次开发云模块，实现CPS控制云模块的柔性制丝。
2.3 引领全员参与充实云模块
以发展的眼光来看，逐步引领全员参与和充实企业的云模块。例如，金融领域中的期货从业人员，他们既懂金融专业知识，又能使用简单的编程语言进行数据分析。对应在烟草制丝线领域，要布局实现相关从业人员掌握“双业务”，即企业员工不仅仅从事本专业的业务，同时还应具备在云平台以本职业务辅以适当的编程语言开发各具特色的云模块。这样不仅促进人的价值的实现，也为云模块的开发和资源共享贡献力量。
2.4 总体目标
在5G时代，要深度结合制丝生产中的设备运行情况，引领各层级的企业员工汇聚全员智慧，共同参与信息化建设，以本职业务辅以适当开发工具不断构建和充实企业制丝生产云模块，逐步实现CPS控制云模块柔性制丝，最终完成企业制丝生产CPS的云智能生态，驱动制丝生产智能制造。在此过程中，统一技术体系及管理体系，加大信息技术复合型人才培养力度，打破传统信息技术开发与本职业务分离的方式，减少重复性开发，降本增效，形成基于企业云平台的企业制丝云生态。同时，将制丝智能生产的核心控制模型（云模块）、算法及数据转换为知识产权，打破以往的技术封锁，变被动为主动，将核心技术主动权掌握在自己手中。
结语
信息技术与工业技术的变化日新月异，以CPS理论为指导，基于云平台与工业互联网构建云模块驱动智能制造不仅能在制丝生产中得到运用，同时还能在其他具备类似设备情况与网络实体的制造业中得到广泛运用。
参考文献：
[1]廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[M].机械工业出版社.2009.
[2]马坡森. 模糊PID与传统PID的性能比较与适应场合分析[J]. 华北水利水电大学. 2019.12.017.
[3]郭楠，贾超.信息物理系统白皮书（2017）[J].中国电子技术标准化研究院.2017.
（红云红河烟草（集团）有限责任公司 会泽卷烟厂 654200）