行業概述
中國煙草行業是國家的支柱產業，行業年稅收占國家總稅收的10%左右，這樣巨大的貢獻還是在平均稅率不超過46%的低稅率情況下實現的，相比發展國家煙草行業普遍50-60%的稅率，足見我國煙草行業在國家經濟中的支柱作用。據統計中國共擁有三億多煙民，占世界總煙民的近1/3，中國的煙葉生產量及成品煙銷售量也大概占到世界的1/3左右。同時中國還是世界上烤煙種植面積、烤煙產量、烤煙增長速度、卷煙產銷量、卷煙增長速度、吸煙人數、吸煙人數增加數量、煙稅增長速度等多項世界第一。
北京卷煙廠制絲線自控集成及管控一體化系統整體架構圖
然而在規模數量優勢的光環下，中國煙草行業面臨的境地同樣令人擔憂。隨著中國加入WTO后保護期的尾聲臨近，國內越來越多的壟斷行業開始逐步開放市場。中國的煙草行業，將在未來的幾年內面臨全面開放市場，進入國內市場國際化的全面自由競爭局面。長期以來，國家對煙草行業實行專賣制度，國家對煙草行業的發展方針是：既要適當滿足消費需要，又必須提高質量，改進配方，盡可能減少對消費者健康的影響。實行專賣有利于控制其生產和銷售，并課以重稅，這樣既可以保證國家財政收入，又可防止地方盲目發展。面對即將來臨的市場開放，中國煙草業有很多需要提高改進的地方，中國煙企大小加起來數百家，牌號有數百個，然而最強勢品牌的行業市場集中度也不超過2%。
企業介紹和項目背景
北京卷煙廠始建于1970年，是制造卷煙產品的國有重點骨干企業。老廠位于北京朝陽區管莊西里，總占地面積約11.2公頃，設計生產規模為年產16萬箱，制絲生產線1986年投產，迄今已運行使用了20多年，雖然不斷進行技術改造和設備更新，但都是修修補補，整體工藝流程不盡合理，對進一步完善、拓展混合型卷煙工藝形成了制約。技改前北京卷煙廠存在工藝落后、設備陳舊、廠房老化、設計生產規模低等諸多問題，這將直接制約或影響企業生產規模擴大、產品結構升級、產品質量提高等一系列發展問題。只有進行易地技術改造，新建大跨度、模塊化生產廠房，采用先進適合的工藝流程及技術，才能為實現“走向聯合、共同發展、共同壯大”、“做精做強”、“國內一流、國際先進”的企業戰略目標提供保證和實現可能。因此北京卷煙廠啟動了新廠區的技改建設，新廠區選址在北京市通州區，東西長約650米，南北寬約434米，設計生產規模為年產卷煙50萬箱250億支。
同時預留了適當發展余地。
北京卷煙廠一直走發展低危害混合型卷煙，著力于研制中國特色混合型卷煙工藝，打造國內一流、國際先進混合型卷煙的生產、研發、出口和對外技術合作基地，專注于做大做強中南海品牌。
北京卷煙廠新廠區技改在工藝設計和設備配置方面,首先滿足了現有品牌生產工藝要求，保證質量穩定，順利完成生產過渡。同時根據產品發展及工藝研究、發展的需要，配合分類加料、分組烘絲采用不同的工藝路線、流程參數實現更精細化的分類分組加工，形成北京卷煙廠的特色生產工藝。根據北京卷煙廠制絲線生產的特色加工工藝和生產組織模式的要求，需要設計建設一套全集成制絲管控一體化系統，實現智能化、圖形化、參數化控制和適度的信息化、自動化生產，滿足柔性化生產和靈活性加工的需要。以打造“數字化工廠”、“透明化工廠”, 徹底消除“信息孤島”，提高企業的市場競爭力。制絲管控系統通過構件化程序的設計和系統硬件和軟件柔性靈活的組合，最終實現建立一個柔性的、能夠隨需而變、操作簡便，能充分滿足生產工藝路線靈活組態和工藝路線選擇的操作平臺。
制絲工藝是衡量一個煙草企業是否具有先進性，是否具備市場競爭力，是否能不斷領先于競爭者的重要指標依據。制絲生產線主要由備料配葉、煙片預處理、制葉絲、白肋煙處理、煙梗預處理、制梗絲、摻配加香、貯絲喂絲八個工段組成。北京卷煙廠制絲車間新工藝設計緊緊圍繞提高工藝技術水平展開，實現工藝上的“三化”：設計系統化、控制智能化和加工精細化。
系統架構體系
制絲線自控集成及管控一體化系統主要分三大功能組件：數據采集、控制執行組件和監控發布組件。數據采集組件又可以分為三類，分別是生產管理數據采集、設備數據采集、工藝質量數據采集；控制執行組件負責生產相關數據的處理和生產下達指令的執行；監控發布組件負責生產狀態的監控、數據的診斷、存儲和發布等。
生產管理數據來自于各生產工藝段或機臺，通過實時在線采集或關聯計算，為各級管理者提供制絲生產線的各類信息如當前的班次、人員、牌號、生產時間、相關數量等各種信息。設備數據主要是記錄設備的參數、運行狀態等數據，計算設備的停機情況、設備開動率、設備空轉率等信息，同時也可人工記錄包括設備參數設定，設備點檢、備品備件和維修請求等信息。工藝質量數據的采集與分析主要是完成制絲生產線各工藝段質量數據的采集、人工處理和關聯計算以及與標準設定值的比較和分析，如相關工藝段中需要檢測的含水率、溫度、精度、比例、質量參數走勢分析與歷史同期比較等。
數據處理用于將采集的數據進行運算處理，執行生產下達指令，常見的生產指令如將牌號、產量等計劃信息和相應的工藝參數下達到設備上，真正實現管控一體化，提高生產效率。
監控發布功能集中在控制系統監控中心施行，主要是用于監控現場設備，實現數據采集檢測，接受控制指令，下傳控制信息的以監控軟件為基礎的監控系統,同時包括用于生產監控的視頻監控系統、生產信息發布系統、調試維護系統以及其它智能監控系統等生產輔助系統。
各組件緊密集成，數據共享共同構成透明的信息平臺，主要包括監控計算機、WinCC服務器、管理機、工程師站、實時數據庫IO服務器、DataMonitor服務器、Historain實時數據庫服務器、HistorianWeb服務器、打印機、網絡通訊設備、LED顯示屏、RIO站、PLC控制系統、現場智能儀表、智能設備等。集中監控系統通過工業以太網將現場PLC與集中監控層連接起來。集中監控系統將采集的數據進行處理，與主控PLC進行數據交換，以實現對全線的監控和管理。監控系統同時內置公開、開放的數據接口，便于與生產管理層的通訊。
北京卷煙廠集中監控中心從功能和系統配置方面劃分為集中監控系統、信息發布系統和調試維護系統。在集中監控中心，共配套8臺服務器、2套共4臺冗余配置的WINCC服務器、 1臺DataMonitor服務器、1臺實時數據庫I/O服務器、1臺實時數據庫服務器、1臺Historian應用及WEB服務器。
集中監控中心系統采用當前先進而成熟的C/S模式。配置2套冗余配置的WINCC服務器，負責集控系統與現場PLC的數據通訊，負責所有的監控功能（如畫面、歸檔、報警、腳本等），所有監控計算機作為WINCC服務器的客戶端，顯示監控畫面和數據。配2套WINCC服務器可以合理的分擔服務器的負擔，避免出現一臺服務器負擔過重的情況。DataMonitor服務器作為WinCC服務器的客戶端，他負責將WinCC的監控畫面進行發布。實時數據庫I/O服務器也是作為WinCC服務器的客戶端，它負責將所有的數據集中起來，共Historian使用，也為上層管理系統的MES讀取數據做好準備。實時數據庫服務器負責從實時數據庫I/O服務器中讀取相關的數據，并保存在自己的實時數據庫中。Historian應用及WEB服務器負責將保存在實時數據庫中的數據進行各種分析和查詢，并以發布的方式提供給用戶。信息發布系統通過RS485和TCP/IP協議通訊將生產相關信息發布到現場LED顯示屏。集中監控中心采用Siemens公司的WinnCC、DataMonitor、Historian完成生產過程數據實時采集、監控、發布、存儲和分析等。
集中監控中心網絡體系采用標準以太網將數采服務器、監控計算機、管理計算機、工程師站、DataMonitor服務器、實時數據庫IO服務器、實時數據庫服務器及HistorianWeb服務器（另外還有管理數據庫服務器及管理Web服務器）組成一個內部局域網。控制系統網絡采用工業以太網，使用光纖和Siemens工業交換機連成光纖冗余環網，數據采集服務器及各現場控制段共102套RIO站通過Siemens工業交換機連接到主干控制網絡上。數據采集服務器通過Siemens工業交換機與各現場控制段PLC之間實現數據交換。另外工程師站也可通過Siemens工業交換機對現場控制段PLC進行編程維護。
制絲線自控集成及管控一體化系統項目配置及為滿足系統實時通訊性能，車間控制系統主干網絡采用1000M bit/s光纖環形冗余拓撲結構，配SIEMENS公司千兆模塊化交換機將工程師站、數采服務器、PLC 控制主站等接入主干工業以太網絡。主干網交換機均采用SIEMENS公司模塊化帶管理功能SCALANCE 414-3E交換機，便于網絡擴展和調整，交換機之間通過多模光纖組成的1000M冗余環網，作為監控層與控制層間的通訊鏈路。
集中監控中心通過接收MES系統或車間信息管理系統下達的生產調度計劃、工藝配方參數等信息，按計劃組織生產流程，根據分組加工實際需求選擇最佳工藝路線，監視生產設備運行狀態、物料流轉狀況，采集和顯示生產線上的過程生產數據和故障報警信息，控制生產線各關鍵工藝參數，記錄重要工藝參數實時數據，以趨勢圖和報表形式反饋相應信息，同時按設定規則存儲到關系數據，為信息管理系統數據統計分析提供基礎數據。
為了提高現場管理效果，根據需要在制絲線上采用LED漢字顯示屏，要求直觀、大方、醒目，且正確性、可靠性高、使用壽命長，環境適用性強。各個LED顯示屏是采用以太網通訊方式連接到控制計算機上的。控制計算機由中控室的管理計算機兼管，通過運行LED顯示控制軟件來實現與LED屏幕的通訊。管理計算機將從數采服務器中獲得的實時數據和從數據庫中獲得生產信息經過LED顯示控制軟件處理后發送到相應的LED顯示屏。
各個LED顯示屏通過以太網連接到控制計算機上，控制計算機由中控室的管理計算機兼管，通過運行LED顯示控制軟件來實現與LED屏幕的通訊。管理計算機將數采服務器中的數據獲得實時數據和從數據庫中獲得生產信息。經過LED顯示控制軟件處理后發送到相應的LED顯示屏。針對每個屏體，具備手工控制發送和自動發送兩種模式。可在貯葉柜、白肋煙、膨脹煙段等處配置5個交換機，各貯柜的條屏直接連接到交換機上，再與管理計算機通訊。
系統實現及關鍵技術
PROFINET一網到底：
PROFINET是PROFIBUS客戶、生產商與系統集成聯盟協會推出的在PROFIBUS與以太網間全開放的通信協議。PROFINET是一種基于實時工業以太網的自動化解決方案,它以一整套完整高性能并可升級的方式，可以為PROFIBUS及其他各種現場總線網絡提供以太網移植服務。PROFINET標準的開放性保證了其長遠的兼容性與擴展性，保護了用戶的投資與利益。PROFINET可以使工程與組態、試運行、操作和維護更為便捷，并且能夠與PROFIBUS以及其它現場總線網絡實現無縫集成與連接。這種跨越供應商的開放式標準建立在工業以太網基礎之上，覆蓋了工廠自動化的所有領域，它可以同時掛接傳統PROFIBUS系統和新型的智能現場設備,現有的PROFIBUS網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到PROFINET網絡當中，使整套PROFIBUS設備和協議能夠原封不動地在PROFINET中。PROFIBUS一網到底即它可以一直延伸到企業現場設備控制層，被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案。北京卷煙廠制絲線自控集成及管控一體化系統就是采用了PROFINET一網到底的現場總線解決方案，整個自動化控制系統使用了大量的帶PROFINET接口的變頻器和智能現場儀表。
分布式I/O站：
北京卷煙廠制絲線車間流水線分布于長260米兩側并行排列的位置上，如果按傳統的集中控制方式進行設計，需要敷設大量的各類儀表通訊線纜，而且集控中心盤柜的接線及日后維護也將非常繁瑣，但借助于PROFINET現場總線技術，整個制絲車間共使用了102個RIO站，儀表設備就近接入RIO站，然后RIO站通過網絡方式與集控中心交互，大大節省了線纜的使用量、減輕了系統維護的難度和較少了系統故障處理的時間。
生產控制:
為方便操作加強安全性，所有跟控制有關的功能集中在一個控制畫面里。比如葉組啟動和停止、選柜、修改批號和牌號、切絲機選擇等集中放在同一畫面監控操作。
集中監視：
畫面以三維立體畫面實時模擬顯示各主設備運行狀態。按生產流程將主設備、輔連設備和各測控點畫出，主設備像滾筒回潮機、加料機、烘絲機和流冷機等需標示其運行狀態及其相關參數。各測控點主要有振槽、皮帶、電子皮帶秤、水分儀、測溫儀、變頻器、行程開關、光電開關等，各測控點一般根據其實際位置顯示在監控主畫面上。
單機模擬：
實時通過設備外形模擬圖及其詳細的管路圖來反映主要單機設備的運行狀況、設備參數和工藝參數等。主設備像回潮機、加料機、烘絲機等有其設備模擬圖。畫面以單機設備模擬圖和其管路圖為主，顯示設備主要電機運行狀態、相關參數（如入口水分、入口溫度、出口水分、出口溫度、電機頻率、加料流量累計量、蒸汽壓力等）以及整個單機設備所處狀態，如回潮機的預熱、工作、停機等狀態，加料機的預加料、加料、回料吹掃、清洗等狀態，烘絲機的加壓、預熱、啟動、生產、倒料、冷卻、停機等狀態。
貯柜信息：
各工藝段將貯柜集中在一個畫面里單獨管理，以各種形式顯示貯柜當前生產的批號、牌號、運行狀態（進料、存料、出料、待料）、底帶頻率、底帶脈沖、進料量/存料量、出料/存料百分比、進料/出料開始時間和結束時間等貯柜信息。同時各儲柜的批號、煙牌、進/出料狀態、底帶脈沖可加密修改，即可糾正因異常情況導致的貯柜信息錯誤，又能保證安全性，防止數據修改的隨意性。貯柜管理一般以列表的形式顯示各種數據和狀態，也可以將貯柜模擬圖單獨放大顯示，將其相關數據標注在周圍。
WINCC和STEP7的硬件診斷與監控：
系統能自動顯示PLC控制系統錯誤信息，通過報警回路或自動跳到報警畫面，借助SETP7硬件診斷功能和程序快速診斷和定位故障，實現網絡診斷、通訊診斷、腳本診斷、S7 300/400診斷、Profibus DP/PA從站診斷、ProfiNet IO設備診斷、WINCC過程診斷等功能，直接在人機界面上定位錯誤并進行糾正，快速診斷有故障的機器/設備。
在線診斷幫助：
顯示網絡(總線)故障診斷、電控器件故障診斷、生產設備故障診斷、工藝參數超差診斷、異常報警和提示、操作幫助及提示等信息。各診斷信息根據實際測控點位置在相應畫面閃爍提示，并進入報警記錄數據庫，自動彈出報警窗口顯示詳細的故障診斷信息，以便操作管理人員及時發現、快速定位各項報警，做出及時處理。
開放性和擴展性：
考慮到制絲線采用不同廠家的主機設備及其監控系統，各監控子系統需要具有開放的總線、協議及數據接口，緊密集成無縫連接，才能高效可靠的完成制絲生產線的集中監控功能，保證生產的順利進行和數據的完整有效性。例如集中監控系統內部接口設計各子系統都開放了如下幾個功能模塊：當前生產計劃信息（包括批號、煙牌編碼等）存儲模塊、下一生產計劃信息（包括批號、煙牌編碼等）存儲模塊、貯柜狀態信息（包括批號、煙牌編碼、柜狀態、進料?等）存儲模塊等。
調試維護系統:
隨著企業自動化程度的提高，設備、儀器及軟件的調試和維護重要性不斷提高，為方便系統調試及維護, 在中控室內配置專門的工程師站計算機負責整個制絲線電控系統的PLC程序以及監控程序的調試、診斷和維護。
系統效益分析
安全效益分析：
自控集成及管控一體化系統通過對生產相關的關鍵信息，如設備狀態、工藝狀態、物料狀態、環境狀態、能源品質、生產工單、產量、消耗等進行采集，并以直觀的形式表現出來，供生產管理者，特別是生產調度人員實時了解當前生產實況提供幫助，以便其做出正確的生產決策與指揮，同時診斷異常狀態，及時發現故障苗頭并提前處理。
質量效益分析：
自動管控系統有力地保證了產品的質量，提高生產管理的科學性：通過生產監視系統，實時了解制絲、卷接包生產和物流自動化的等生產現場的情況，為做出及時合理決策提供依據。實現了全程生產跟蹤監測，滿足了MES根據相關法規和市場要求需要能提供生產物料的全程正向和逆向追溯功能的要求。
管理效益分析：
借助自動管控系統車間可以改進生產管理，提高產品質量，加快新產品研發。管理人員可以更有效的管理生產數據和生產流程，車間工作人員可以得到系統的決策支持信息，同時動化程度的提高減少了手工操作，這不僅節約了時間還大大降低了人工產生的錯誤。
生效效率效益分析：
北京卷煙廠新制絲車間工藝流程、設備布局與自動管控系統的結合使生產更加靈活性，有利于分組加工技術的研究與實施，突出原料特征，實現特色工藝，成品煙絲均勻性得到提高，自動、高效、智能的控制系統和信息反饋系統，使控制更加精確，操作更加簡捷，信息反饋更加及時，質量更加穩定，品質更加優質，極大地提高了北京卷煙廠的生產效率。
北京卷煙廠制絲線自控集成及管控一體化系統整體架構圖
