维普资讯 http://www.cqvip.com 烟草企业自动数据采集系统的研究与实践接道良 烟草企业自动数据采集系统的研究与实践 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｔｏｂａｃｃｏ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ 矗奎遵《皇． （上海烟草集团公司，上海２０００８２） 摘要：烟草工业企业已经初步建立了以企业资源计划系统（ＥＲＰ）为核心的管理信息系统。但由于得不到制造过程实时信息的支 持。ＥＲＰ并不能帮助和指导工厂分析其生产瓶颈。通过上海卷烟厂数据采集与监控系统的开发实例，结合烟草工业企业数据采集的 特点。介绍了有关烟草企业实施现场数据采集系统的难点和对策，并对系统实施过程中可能出现的有关问题进行了具体的探讨。 关键谰：数据采集监控软件数据库 中圈分类号：ＴＰ２７４＋．２ 文献标识码：Ｂ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｏｂａｃｃｏ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ。ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｉｅ＇ｓｏｕｌ￣ｅ ｐｈ，ｍｉ￣（ＥＲＰ）ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｋｅｒｎｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｔｉｌｌ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｎｄｅｒ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＥＲＰ ｂｅｃａｕｓｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｒｏｍ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｍｃｅｓｓ ｉｓ ｎｏｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｔｏｂａｃｃｏ ｆａｃｔｏｒｙ ８Ｂ ｅｘａｍｐｌｅ。ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｏｂａｃｃｏ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ。ｒｅｌｅｖａｎｔ ｄｉ￣ｃｕｌｔｉｅｓ ｆｏｒ ｉｆｅｌｄ ｄａｔａ ８ｃｑＩｌｉ－ ｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｐｒｏｂａｂｌｙ Ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄａｔａｂａｓｅ Ｏ引言 程控制系统和以运动和传动控制为主的运动控制系 统。烟草工业企业的制丝设备控制系统属于过程控制 我国的烟草工业企业经过多年的技术改造和设备 系统，卷包设备控制系统属于运动控制系统。 引进。在基础自动化和过程自动化方面普遍采用了以 烟草工业企业的制丝控制系统大部分采用ＰＬＣ ＰＬＣ、ＦＣＳ和ＩＰＣ为代表的自动化技术。生产自动化水 实现了低成本的自动化。近年来，制丝设备的控制系 平基本与国际同步。在管理自动化方面已经初步建立 统普遍采用了现场总线技术，形成分散控制、集中管理 了以企业资源计划系统（ＥＲＰ）为核心的管理信息系 和监控的管控一体化模式。制丝流水线上没有现场操 统，ＥＲＰ中虽有生产控制模块，但由于得不到制造过程 作站，操作人员在控制室利用上位机进行集中监控。 实时信息的支持，所以并不能帮助和指导工厂分析其 监控软件种类很多，如Ｉｎｔｏｕｃｈ、ｉＦｉｘ、Ｗｉｎｃｅ等。各烟草 生产瓶颈、改进和控制产品的质量以及对具体的产品 工业企业的制丝线的ＳＣＡＤＡ已基本实现。 生产进行排产。各大烟草工业企业已充分认识到存在 烟草工业企业的卷包设备控制系统。传统上采用 的问题，面向制造执行层的ＭＥＳ（制造执行系统）软件 ＰＬＣ控制，随着现场总线和ＣＮＣ控制技术的发展，一 的开发与应用已提上日程。实施ＭＥＳ目标将企业内制 些最新引进的卷包设备采用ＩＰＣ的Ｓｏｆｔ—ＰＬＣ技术加 造系统和管理系统之间的信息实现无缝的双向流动，符 以替代，现场操作站采用了标准的计算机。卷包设备 合管控一体化模式。数据采集系统是现场自动化控制 本身自动化程度较高，控制系统复杂，每台设备都有单 设备与管理层之间的信息纽带，建立和完善自动数据采 独的控制系统和本地的操作站。由于卷包设备供应厂 集系统已成为烟草工业企业信息化建设的重点。 商较多，很多设备采用专用控制器，技术不开放，数据 本文结合烟草工业企业数据采集的特点，以上海卷 采集接口复杂，使卷包设备数据采集系统成了烟草工 烟厂为例，介绍数据采集系统在烟草行业的实施情况，对 业企业中信息化集成的难点。在新一代卷包设备中， 系统实施过程中可能出现的有关问题进籽了具体的探讨。 各家设备供应商意识到数采的重要性，都提供了标准 １ 烟草企业数据采集系统的特点 的数据采集接口，使实施卷包数据采集系统变得相对 容易。 自动控制系统可以分为以流程过程控制为主的过 在烟草行业中，检测仪器是很重要的质量检测设 ５２ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｉ．２７ Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２００６ 维普资讯 http://www.cqvip.com 烟草企业自动数据采集系统的研究与实践备。如果能够实现数据采集替代人工数据录入，能及 时、准确获得生产现场产品质量情况，对质量控制十分 有益。一般的检测仪器配有串口用于输出测试数据， 接道良 布式数据库模式，软硬件分步集成，实现了现场数据采 集、车间和厂级二级监控与数据集成功能。 现场层主要由各种类型的现场设备组成，每种设 备采用不同的控制系统进行生产控制、实时数据采集 只要仪器厂商提供通信协议，实施烟草检测仪器的数 据采集系统就比较简单。但完成烟草检测仪器的自动 数据采集的企业较少，需在烟草企业中大力推广。 和数据传送。不同厂家控制器不尽相同，提供的数据 接口也不一样，由一台上位机采集同一厂家多台设备 的生产数据。 车间监控层由多台Ｐｃ组成，功能有：提供车间级 许多烟草工业企业建立了动能监控中心。但在没 有更进一步应用的（如先进控制技术在锅炉上的应 用，动能设备的集中控制）情况下，动能设备的数据采 集中监控界面；采集现场层的数据，存入本地数据库； 集没有很大意义。 ２系统实例 上海卷烟厂数据采集与监控系统由３个分系统组 成：生产数据采集分系统、烟草检测仪器数据采集分系 统和动力能源数据采集分系统。每个分系统自成体 系，有各自的厂级监控中心。各个数据采集分系统的 结构都是相似的，只是复杂程度有所不同。 图Ｉ为生产数据采集分系统，由制丝车间数据采集 子系统、卷包车间数据采集子系统和膨丝车间数据采集 ３个子系统组成。每个子系统以车间为单位分别建设。 每个车间都建有监控中心，在烟厂建有厂级生产监控中 心。物流数据采集分散在各车间生产数据子系统中，不 作为单独的分系统存在。现以生产数据采集分系统中 最复杂的卷包子系统为例介绍系统的结构。 ＰＬＣ ＰＬＣ ＰＬＣ ＰＬＣ 控制鬻 控恻嚣 制丝 卷包 膨胀烟丝 图１数据采集系统结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ２．１系统结构 生产数据采集卷包子系统的硬件架构分为４个层 次。即现场层、车间监控层、厂级监控层和Ｉｎｔｒａｎｅｔ层。 如图２所示。在设计数据采集与监控系统的过程中。 充分考虑到企业现有卷包设备种类繁多、各种数据库 系统异构情况突出、数据比较分散等实际状况，采用分 《自动化仪表》第２７卷第３期２ＯＯ６年３月 为上一级监控系统提供数据接口。在车间监控层，用 于数据采集的计算机称为监控机（上位机）。根据现 场层提供的数据采集接口技术的开放程度，监控机建 设设有两种方案：在通用监控软件基础上做二次开发， 如在ＯＮＳＰＥＣ、ｉＦｉｘ、Ｉｎｔｏｕｃｈ的基础上开发监控系统；由 设备供应商提供监控系统。 厂级监控层由数据库服务器、监视计算机组成。 卷包数据采集子系统有２台厂级监视计算机和２台厂 级数据库服务器。监视计算机从车间监控层上位机采 集数据完成监视功能，还向厂级数据库服务器提供数 据。在每台厂级数据服务器中有历史和准实时２个数 据库，准实时数据库以数据更新形式提供当前生产状况 的准实时数据，历史数据库保存生产历史数据。所有厂 级数据库服务器组成一个分布式数据库，向数据仓库提 供数据同时作为后台数据库以备Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ调用。 Ｉｎｔｒａｎｅｔ层Ｗｅｂ服务器、数据仓库和其他管理系统 构成。Ｗｅｂ服务器负责接收全厂范围内授权用户的数 据访问请求，然后向数据库服务器发出数据请求，得到 响应后，传送数据至用户所在计算机。其他管理系统 对数据库服务器的实时数据和历史数据都有数据访问 需求。数据仓库作为生产子系统的后台数据仓库定时 保存各数据采集服务器内的历史数据。 ２．２系统数据流说明 实时数据流如图２所示，采用数据刷新方式，实时 数据经车间监控机和厂级监视计算机到达数据服务器 的准实时数据库，为其他系统提供准实时的数据服务。 历史数据流的处理比较特殊。从图２可以看出， 数据库服务器历史数据库的数据来源于车间监控层的 历史数据库。而车间监控层的历史数据库保存有大量 的生产数据，厂级监视计算机不参与历史数据流处理， 它只起实时数据显示和历史数据中转作用。这种历史 数据处理流程是基于以下两方面原因：一是相对于实 时数据，历史数据用于数据分析、挖掘需要更高的可靠 性。由于数据在上升时，其可靠性是下降的，为了达到 高冗余、高可靠度的目的，在设计历史数据流时，数据 ５３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 烟草企业自动数据采集系统的研究与实践接道良 Ｉｎｔｒ－ｎ．ｔ 车间 监控屡 现蝤层 图２卷包数据采集系统的数据集成示意图 Ｆｉｇ．２ Ｄａｔａ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 服务器的历史数据可直接从车间级监控机的历史数据 库中恢复；二是由于数据在上升时，其实时性也是下降 的，服务器采用关系数据库得不到与时间密切相关的 围。例如在车间管理层，许多用户会要求数据采集项 目包含数据统计分析功能，甚至在没有计算机管理系 统的车间，用户还将许多ＭＥＳ功能要求在数据采集系 统完成。在此方面应严格限定数据采集系统的范围， 只为其他系统提供未经加工的基础数据，否则项目被 过程数据，而这些过程数据都是一些十分重要的工艺 状态数据，如制丝的温度、水份等数据，因此必须在班 末（批次末）从车间级监控机上的历史数据库中导入 这些过程数据。 扩大，管理需求多变，项目将难于完成。 ３．２．２明确数据采集内容的范围 ３ 实施数据采集需注意的问题 上海卷烟厂数据采集项目的实施经历了较长的时 以采集有用数据作为数据是否需要采集的标准。 例如用户从机台考核及成本核算出发提出增加卷包设 备的辅料消耗数据，而这些内容在底层的控制器又没 间，其中不乏经验教训。 ３．１系统规划阶段需要注意的问题 在系统规划时，根据管理模式，具体实施的次序是 有，实施起来就需要从底层控制器改造开始，难度很 大，而且由于诸多因素导致这些辅料消耗数据不能真 正反映实际消耗情况。所以建议不采集这些数据，但 根据其他系统数据应用的需求，而不是根据技术的成熟 程度，将整个数据采集大项目分成若干个小项目分期开 可以从辅料供应系统取得更为准确的消耗数据。还有 的数据如产量数据，数据采集系统不能识别产品返工 数，产量数据只能从实际进仓数取得。 发。切忌没有重点同时铺开实施。按上海卷烟厂的经 验，数据采集实施的先后顺序为制丝设备数据采集、物 流系统的数据采集（包括高架库、条烟、滤棒、原辅材料 的数据采集）、烟草检测仪器的数据采集、卷包设备数据 ３．２．３ 由应用需求决定数据的实时性 数据采集系统的实时性由其他应用系统对采集数 据实时性要求决定，总的来说数据采集系统并不参与控 制层的控制，其实时性要求并不高。出于监控目的，要 采集、动能设备的数据采集。对于没有数据应用需求的 数据采集项目，即使技术上已成熟也应暂不实施。 ３．２ 系统设计阶段需要注意的问题 求数据更新越快越好，但实时性提高会引起投资成本的 提高，数据采集系统实时性以“够用”为原则确定。 ３．２．４避免补充测控制系统 ３．２．１严格限定数据采集项目的范围 在设计调研时，用户没有系统集成的概念，特别是 建立外挂的单独于设备控制系统的测控系统可解 底层用户，所要求内容往往会超过数据采集项目的范 ５４ 决数据采集接口不开放或没有数据采集接口的困难。 ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳ Ｉ ＵＭ哐ＮＴＡＴ【０Ｎ Ｖ０１．２７ Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２Ｏ０６ 维普资讯 http://www.cqvip.com 烟蕈企业自动数据采集系统的研究与实践接道良 但这种方式只适用于控制简单的物流系统中，对于复 ３．４系统运行阶段需要注意的问题 杂的控制系统如卷包设备，这种数据采集方式必定会 导致采集的数据同设备控制系统的数据不一致，导致 数据采集不准确。 数据采集子项目完成后应立即投入使用，特别对 于无需人工干预的，通过网络传输的自动数据采集不 经使用就不能发现问题。后期维护工作是决定数据采 ３．２．５适度的采集自动化 数据采集并不排斥数据的人工录入，只要满足对 数据“及时、准确、完整”要求即可。在某些设备并没 有数据采集接口的情况下，先采用人工录入的方式解 决数据采集系统需要的数据，待设备更新后或条件具 集系统长久生命力的保证。对已正常使用的系统，即 使有新的需求，对系统的修改也要慎重，要在相当长的 时间内保证系统的稳定性，待新的需求稳定后，再做系 统升级或完善的计划。 备后再实现数据采集的自动化。在实施烟草检测仪器 的数据采集和动能设备数据采集时会遇到这方面的问 题。在实施卷包设备数据采集时也会遇到类似问题。 例如采集旧型的卷包设备数据，在不得已情况下不要 通过改造设备满足数据采集要求。 ３．２．６技术方案符合标准 从保护投资和提高系统利用率出发，在设计阶段 决定方案时，采用Ｉｒｒ的标准，如标准的ＰＣ机、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＴＣＰ／ＩＰ、标准的关系数据库等。 ３．２．７实施两个系统 在技术条件允许下，同时实施设备控制系统和数 据采集系统，目的是加快数据采集系统实施进度，不受 设备接口技术保密等因素影响。 ３．３ 系统实施阶段需要注意的问题 ３．３．１合作伙伴的选择 选择有烟草经验的ＨＭＩ和ＳＣＡＤＡ系统集成商作 为合作伙伴。虽然现在ＥＲＰ软件开发商和系统集成 商自上向下的渗透将其功能扩展到ＭＥＳ，由于设备数 据采集接口的复杂。由ＩＴ软件开发商和系统集成商实 施数据采集项目并不合适。将来待数据采集接口标准 化后，ＩＴ部门才可能实施此类项目。 ３．３．２数据采集软件的选择 选择Ｉｎｔｏｕｃｈ、ｉＦｉｘ、Ｗｉｎｃｃ等监控软件作为数据采 集软件。虽然成本可能较编程开发高，但这些软件 都是标准化成熟软件，系统集成商只需做二次开发 就可完成，在技术上不会遇到问题，实施周期缩短， 可靠性高，将来维护也方便。这些软件还提供很多 附加功能，如在线的ＳＰＣ质量控制软件等，将来扩展 也方便。 ３．３．３采集数据的筛选，过滤 由于上层管理系统对数据分辨率需求是下降的， 数据在上传时需要进行筛选、过滤。例如车间监控层 需要监控设备的状态信息，在数据上传厂级监控层时， 监控设备的状态信息就可筛选掉，做到只有“有用”数 据才上传。 《自动化仪表》第２７卷第３期２ＯＯ６年３月 ４结束语 安全是实施数据采集系统必须要考虑的问题。 如：在硬件上考虑生产网络和管理网络独立，生产网络 提供统一出口与外部通信；还有Ｗｅｂ的应用、考虑合 理的权限管理等。 自动数据采集结果会产生大量数据，使用关系数 据库保存毫秒级数据也难以胜任，会导致数据存储和 回取使用的效率降低。可以通过使用如ｉＨｉｓｔｏｒｉａｎ、Ｉｎ— ｄｕｓｔｒｉａｌＳｑｌ这类实时历史数据库解决大量存储问题。 在数据应用时，为了准确分析某一时间段内或某 一时刻的生产状况，统一整个数据采集系统时钟十分 必要。最好做到计算机时间同步，计算机与控制器时 间同步。 监控机要从ＰＬＣ采集大量数据，在设计ＰＬＣ数据 采集程序时，尽可能地把要传送数据集中在一个连续 块地址。在采集时采用批传送比单个传送效率更高。 在ＰＬＣ中还需要有采集数据的缓冲，不会因为监控机 故障或网络链路中断而导致数据丢失。 参考文献 １戴通，曹江辉．ＭＥＳ，让制造与计划相统一［Ｊ］．中围计算机用 户，２００３． ２楼佩煌，叶文华．ＭＥＳ的技术架构［Ｊ］．中国计算机用户，２００３． ３马万太，戴勇．ＭＥＳ的行业应用［Ｊ］．中国计算机用户，２００３＋ ４史瑁，于志强．信息化制造系统的效能与设计实施途径［Ｃ］．制 造执行系统（ＭＥＳ）在管控一体化中的作用研讨会论文集，２００２． ５冷杉．ＩＳＡ２００１的工厂软件［Ｊ］．自动化仪表，２００２，（５）＋ ６欧金成．组态软件的现状和发展［Ｊ］．工业控制计算机，２００２，（４）． ７冷杉。黄榕华．企业与控制系统集成标准研究［Ｃ］．制造执行系 统（ＭＥＳ）在管控二体化中的作用研讨会论文集，２００２． ８党丽。李小坚．基于ＳＣＡＤＡ的ＣＩＭＳ环境下的设备监控管理系 统的集成［Ｊ］．工业控制计算机，２００３，（５）． ９王声决，熊刚．工厂企业内部网的设计与实现［Ｊ］．工业控制计 算机。２００３。（１）． 修改稿收到日期：２００５—０３—０３。 作者接道盎．男，１９６９年生，１９９１年毕业于上海工程技术大学电气 系．荻硕士学位，高级工程师；主要从事烟草机械、电气设备等的管理和 技术工作。 ５５