案例5
华龙迅达在烟草行业数字工厂建设的CPS应用

摘要

深圳华龙讯达信息技术股份有限公司（简称华龙迅达）基于CPS技术体系的数字工厂整体解决方案，充分结合了烟草流程型制造的行业特点，充分利用数字孪生技术及边缘计算技术将信息物理系统（CPS）引入烟叶、制丝、卷接、包装、成品入库的全过程管理，构建一个以“数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治”为特征的全过程管控系统，通过软件集成、硬件并联、网络协同，提升物理实体与环境、物理实体之间（包括设备、人等）的感知、分析、决策和执行能力，实现卷烟生产厂从单项业务独立应用向多项业务综合并联与集成转变，从局部优化向全业务流程再造转变，从传统生产方式向柔性智能的生产方式转变，从实体制造向虚实融合的制造范式转变。

前言

华龙迅达成立于2003年，是一家具备智能控制、智能管理和智能服务应用软件产品创新能力的高新技术企业。公司以CPS技术架构为主线，以数字孪生技术、边缘计算技术、物联网技术为核心，专注于生产设备智能控制、生产过程智能管理、远程运维智能服务的标准化、规范化应用探索和实践，研发和实施的智能设备控制系统、数据采集管理系统、数字透明智能工厂管理系统、远程运维管理平台、生产制造执行系统（MES）、设备生命周期管理系统（PLM）、智能人机交互系统（HMI）、企业移动应用管理平台、Ceres机器宝边缘计算智能终端等系列产品构成了数字工厂整体解决方案，广泛应用于烟草、汽车、交通、核电、风电、制药和机械制造等行业。

一、适应消费升级新形势，烟草制造寻求高品质、柔性化生产新模式

当前，中国烟草制造行业处在从传统计划经济时代向市场经济时代迈进的新时期。一方面，在国家倡导健康绿色消费的新形势下，中国传统烟草制造行业面临新型烟草制品的冲击，烟草制造装备及烟草制品生产都面临新的转型挑战。另一方面，烟草生产企业如何发挥装备及生产管理的效能也面临考验：一是烟草制造行业对卷烟生产的高速度与高品质有极其严苛的要求；二是烟草制造从烟叶、制丝、卷接、包装，最终到产品的整个生产过程中要求各个环节保持稳定可控与连续；三是异型烟、多品牌、个性化、小批量生产需求日益增长，如何适应消费者习惯、尊重消费者个性化诉求也对烟草生产行业提出了挑战。

二、CPS虚实融合技术助推烟草生产从“制造”到“智造”的跨越式转型

为了更好地响应客户需求，帮助烟草制造企业在市场结构调整中把握发展主动权，华龙讯达充分利用数字孪生技术及边缘计算技术驱动数字工厂建设，应用工业VR技术将“现实”和“虚拟”结合，为红云红河集团曲靖卷烟厂量身定制“以虚控实、精确映射”的基于CPS生产管理与设备管控系统，通过以虚拟工厂控制实体工厂，帮助企业及时发现和帮助排除故障，减少物料消耗、提升设备有效作业率，优化排产和人员排班，实现生产信息的全程可追溯，促进生产资源的优化配置，降低生产成本。

三、构建系统级CPS数字化工厂，引领中国烟草制造新范式

（一）技术方案

1.整体架构

全过程管控系统级 CPS 数字工厂解决方案着重考虑“一硬（感知和自动控制）”、“一软（工业软件）”、“一网（工业网络）”三个层次要素，组成了物理空间和信息空间人、物、环境、信息等要素相互映射的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环系统，实现烟草行业从烟叶、制丝、卷接、包装、成品入库全过程各层次的信息互通和数据共享，全过程一体化管控。

为推进CPS的落地应用，选择在中国烟草生产具有代表性的云南省曲靖卷烟厂构建全过程管控系统级CPS数字工厂具有典型示范意义。基于全过程管控CPS技术的数字工厂解决方案技术架构如图1所示。

2.核心技术点

基于全过程管控系统级CPS的烟草生产数字工厂解决方案核心技术点如下。

1）“一硬”平台：以通用性的工业控制计算机（IPC）技术平台提升烟草生产装备“状态感知”能力。

运用新一代基于IPC的自动化技术改变传统自动化控制技术的封闭性，将工业电脑、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT控制软件集成一套完整的、相互兼容的控制平台，以通用技术的个性化应用为烟草设备工控领域提供功能强大、特点鲜明的自动化控制系统，综合运用物料追溯、质量检测的多样化手段促进超高速状态下的精准生产，为单元级 CPS智能装备提供过程控制的完整解决方案，实现单元级CPS智能装备之间的数据读取及传递的互连互通，构建一个覆盖设备智能控制、智能诊断、智能交互、智能管理、智能互连为一体的智能设备管控平台，在设备底层形成数据流动的全感知、可交互、可计算、可控制，提升智能设备的“状态感知”能力。

2）“一网”管道：运用先进网络技术和基于源程序的数据采集处理技术，实现烟草生产全过程感知数据的“异构集成”和“实时采集分析”。

华龙讯达以3G/4G/LTE专网方式构建私有云，实现数据传输、存储和处理的快速畅通网络。运用Ceres机器宝从自动化控制源程序采集设备生产实时数据、设备运行状态数据、质量在线数据等，实现异构数据、异构网络、异构软件在信息空间与物理空间不同环节的集成。运用边缘计算技术将设备侧采集的实时数据进行清洗，计算处理后的关键数据应用到工业运行过程，以实时动态的方式反映生产线运行中的生产状态、原材料消耗状态、设备运行状态、生产产能状态、设置正常运行参数等，以可视化报警的方式提示操作过程中的异常现象，为数字工厂建设提供数据驱动的基础，实现感知数据的实时分析和使用。

3）“一软”平台：集成资源分配、生产排产、设备管理、仓储物流等多种工业软件，将“隐形的数据”展现为“显性的操作指南”，推动烟草生产全流程“科学决策”和“系统自治”。

实现设备智能化控制与ERP、MES、PLM等生产应用系统的上下贯通、左右协同，打通“人、机、料、法、环、测”信息流，推动企业各环节信息的互连互通和数据共享，打破“信息孤岛”。这一集成创新全面提升原有系统的生产过程管控能力，为卷烟生产企业“科学决策”提供技术支撑。全过程管控系统级CPS通过多平台的互连和协作，实现生产运营能力调配，经营高效管理协调，使系统能够不断自我演进和“系统自治”。

4）CPS呈现：运用虚实融合控制技术，实现信息空间与物理空间的“精确映射”与“精准执行”。

针对烟草行业生产过程，包括制丝、成型、卷包等主要生产环节，运用虚实融合控制技术，以实时采集的数据为基础，以 3D 数字化呈现的方式将卷烟生产过程中的人、机、料、法、环、测的各项数据融入虚拟空间，实现企业的生产过程、设备运行情况、质量跟踪状态实时虚拟化，并通过建模、仿真及分析再将结果反馈回物理空间，实现实体资源配置优化、生产过程管控优化、产品物料全过程追溯优化，提高烟草制造企业整线设备的使用能力，提升生产管控水平。

3.功能描述

华龙讯达为曲靖卷烟厂提供基于CPS技术体系的数字工厂解决方案与服务。

1）基于CPS的生产过程管理系统——生产制造执行系统。

基于CPS的生产过程管理系统界面如图2所示。

2）生产设备数字化——DAS数据采集系统。

数据采集类型如图3所示。

3）基于CPS的设备健康管理——设备生命周期管理系统。

基于CPS的设备生命周期管理系统如图4所示。

4）基于CPS的过程仿真——3D虚拟仿真管理系统。

基于CPS的3D虚拟仿真管理系统如图5所示。

5）单元级的CPS——HMI智能设备交互系统。

基于CPS的HMI设备智能交互系统如图6所示。

6）基于App的高效管理——企业移动应用管理系统。

基于CPS的移动管理系统应用平台如图7所示。

7）基于CPS技术的预见性维护策略——远程运维服务平台。

从生产流程的技术角度看，本方案能够全面应用到研发设计、生产制造、管理服务等各个方面，通过对人、机、料、法、环、测全面的感知和控制，实现全过程管控各类资源的优化配置。

基于CPS的远程运维服务平台如图8所示。

（二）标准化需求

1.工业异构异质数据采集标准化

烟草制造CPS网络主要涉及工业异构异质网络的互连互通，由于不同网络在传输速率、通信协议、数据格式等方面的差异，其融合具有高度的复杂性。建立《烟草行业CPS异构数据采集规范》，规范烟草行业 CPS 异构网络数据采集方法，包括数据采集流程、与其他异构系统接口等，解决机器的互连互通，极大地改善不同国家、不同品牌、不同型号机器信息化孤岛的局面。

工业异构异质数据采集标准化如图9所示。

2.工业虚实融合模型建设标准化

虚实融合是连接物理世界和虚拟世界的桥梁，通过采集和加工数据，利用大量的算法分析，形成信息模型，驱动生产执行与精准决策，形成《烟草行业CPS虚实融合模型驱动规范》，规范烟草行业虚实融合模型与动画演绎方法、步骤及技术要点，为工业制造领域实现虚实融合、精确映射提供技术指导。

（三）实施步骤

该案例的实施主要分为以下三个阶段。

第一阶段：对计划构建的系统级CPS数字化工厂进行需求调研和论证分析，充分了解烟草生产决策层、管理层、执行层各级员工的工作内容及流程，明确从设备底层提取数据，自下而上实现生产各环节数字化驱动的目标，制定了以“人、机、料、法、环、测”多维度协同管控为核心诉求的技术解决方案，形成“一硬一网一软”的系统架构。

第二阶段：分步实施数字工厂建设方案，突出 CPS 技术体系核心优势，完成系统级CPS建设。

分步实施“一硬一网一软”涵盖的硬件改造及软件研发系统工程：①使用通用技术，为外国机器加装“中国脑”，夯实硬件基础；②组建专用网络，为 CPS 技术体系畅通运行提供网络环境；③建设集成资源管理、生产控制、供应链管理等多套管理软件，用虚实融合系统实现精准映射和精确执行，完善系统级CPS建设。

第三阶段：构建了以数字孪生为支撑的系统级CPS，后续将深化SoS系统级CPS平台建设，形成CPS技术体系纵向到底、横向到边、端到端的应用示范。

四、CPS成为带动烟草制造企业数字化转型的重要抓手

基于CPS数字工厂整体解决方案的系列产品率先部署在红云红河集团曲靖卷烟厂，为客户创造了经济价值的同时，也为行业带来了意义深远的社会影响。主要实施效益如下。

（一）提升烟草生产精益管控能力

以管理创新为驱动，强化系统互连互通、数据实时共享、运行可视可控，充分采集生产运营全过程中分散且不直观的实时数据，进行 3D 可视化集中展示、分析、挖掘应用，实现烟草制造从烟叶、制丝、卷接、包装，最终到产品输出的全过程管理，提升烟草生产精益管控能力，把精益管理作为优化资源配置、提升企业效益的有效手段和节约管理费用、实现管理增效的有效方式。

（二）实现烟草生产提质、降本、增效

在逐步使用并完善本方案后，据统计，曲靖烟厂卷包生产效率提高了 3.12%，制丝线平均故障停机率降低了0.2%，成型线设备有效作业率提高了1.8%，生产周期缩短了7.9%。在线机台的远程专家指导、知识库指导方式，使基层一线员工的培训周期由180天缩短到45天；预防性维护的可视化报警提升了设备故障排除的响应速度；准确而全面的操作工艺动画极大地方便了生产过程管控的精确指导能力。综合数据比较，曲靖卷烟厂2016年通过集成应用各项信息化系统，实现设备生产能力提升、维护保养费用下降、员工技能水平提高、生产工艺过程优化、原材料消耗减少，综合节约成本累计约6 000万元。

（三）促进CPS在全行业的推广应用

曲靖卷烟厂采用本方案实现了制造要素和资源的相互识别、实时交互、信息集成等全流程的服务，其直观、新颖、科学、有效的生产组织方式和高效的资源配置效率吸引了国内外众多企业客户、行业专家参观交流。经过专家调研和论证，曲靖卷烟厂已迈入国内生产企业智能制造技术应用最前沿，成为全国“两化融合”智能工厂的示范与标杆，被工信部认定为烟草行业“两化融合领域智能制造生产新模式示范性企业”，2018 年将在全国烟草行业三个省份、五大集团全面推广，为中国智能制造行业发挥良好的引领示范作用。

五、具备多行业广泛应用基础

（一）具备高度集成、可视化运维、协同制造能力

高度集成工业信息化技术，运用可视化技术实时掌控生产计划、设备运行、物料消耗、质量检测等情况，跟踪生产管理过程，实现生产要素的协同和生产执行的协同，促进生产快速决策、精准执行的能力，帮助企业达到“提质、降本、增效”的目的，能有效提升企业的核心竞争力，为企业适应市场变革提供长远动力。

（二）可应用于多种流程型或混合型先进制造行业

在高速及超高速生产状态下，重塑生产要素整合能力，围绕工业企业生产装备的智能化升级和生产管理的智慧化提升，打造可复制的数字化工厂解决方案，具备向食品饮料、医药生产等流程型行业或公交运输、新能源装备等混合型行业推广的基础，有利于推动我国“互联网+先进制造业”的快速落地和广泛覆盖。 TMrKXmoKT4S2IwVrEdN7Jnhw/V1npHhXqg4DiEubdVB0/Tup13LrGgv+r+vASTxg