面向智能制造的膠類中藥行業(yè)MES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王東云，張鳳會(huì)，劉新玉，平燕娜

（1.黃淮學(xué)院 智能制造學(xué)院，駐馬店463000；2.中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，鄭州451191）

隨著全球新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革的深度融合[1]，膠類中藥企業(yè)的產(chǎn)品加工方式已不能滿足智能制造的需要。目前，膠類中藥企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了較高水平的自動(dòng)化，但是網(wǎng)絡(luò)化程度較低，且不能進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，給產(chǎn)品追溯、設(shè)備管理等智能化應(yīng)用的開展造成較大困難[2]。

針對(duì)上述問題，一個(gè)有效的方法是實(shí)施面向智能制造的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES[3]。MES 系統(tǒng)于1990 年被美國(guó)先進(jìn)制造公司首次提出，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋離散與流程制造行業(yè)，美、德、日等制造強(qiáng)國(guó)對(duì)MES 系統(tǒng)的研究和應(yīng)用已經(jīng)很深入[4-5]，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究逐漸增多。在中藥生產(chǎn)領(lǐng)域，文獻(xiàn)[6]提出基于知識(shí)的中藥制藥企業(yè)MES 系統(tǒng)，將生產(chǎn)與管理中的知識(shí)提取到MES 系統(tǒng)，供MES 系統(tǒng)重用；文獻(xiàn)[7]介紹了制藥行業(yè)信息化解決方案，即生產(chǎn)制造系統(tǒng)在制藥行業(yè)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[8]提出基于中藥制造提取車間各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的在線采集和實(shí)時(shí)控制方案，構(gòu)建了提取車間智能制造體系，但未對(duì)數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

不同中藥種類的生產(chǎn)工藝差異較大，本文提出面向智能制造的膠類中藥智能生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。采用開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)OPC-UA（OLE for process control unified architecture）標(biāo)準(zhǔn)，將無線射頻識(shí)別RFID（radio frequency identification）技術(shù)運(yùn)用到膠類智能生產(chǎn)數(shù)采系統(tǒng)當(dāng)中。在SQL Server 2014 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型并通過一致性與完整性驗(yàn)證。本系統(tǒng)處于試驗(yàn)階段，將于2019 年在工廠應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)膠類藥品在線質(zhì)量檢測(cè)、產(chǎn)品追溯和設(shè)備預(yù)維護(hù)等智能化應(yīng)用，有效提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

典型的膠類生產(chǎn)過程包括預(yù)處理、提取、濃縮、混成、制膠、包裝6 個(gè)階段，每個(gè)階段又包括多個(gè)具體環(huán)節(jié)，如圖1 所示。將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分為傳統(tǒng)設(shè)備與單體自動(dòng)化設(shè)備。其中傳統(tǒng)設(shè)備包括泡藥池、洗藥機(jī)、提沫機(jī)等，自動(dòng)化設(shè)備包括雙效濃縮蒸發(fā)器、切膠機(jī)、內(nèi)包機(jī)等。傳統(tǒng)設(shè)備完全是人工操作，耗時(shí)費(fèi)力且生產(chǎn)效果不佳；單體自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，在一定范圍內(nèi)可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，但未與其余設(shè)備以及中控室設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接，致使每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)信息孤島。除此之外，還存在以下現(xiàn)象：中間品、成品質(zhì)量檢測(cè)均是離線送檢方式，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、控制手段單一；生產(chǎn)記錄 表、清場(chǎng)記錄表、生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的銜接以及物料清單等信息均采用人工記錄、回報(bào)的形式，數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集與存儲(chǔ)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象，致使數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可追溯性無法保證；生產(chǎn)數(shù)據(jù)利用率低，不能為深入分析形成決策支持。

圖1 膠類生產(chǎn)流程Fig.1 Flow chart of glue production

隨著生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大以及智能化程度的加深，數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)量還將不斷增加。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)全范圍、全類型采集與存儲(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行挖掘分析和可視化展示，使相關(guān)人員快捷、準(zhǔn)確地獲取相應(yīng)權(quán)限的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，成為膠類中藥生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用MES 系統(tǒng)的最主要的需求。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本數(shù)據(jù)管理平臺(tái)是從數(shù)據(jù)產(chǎn)生、 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)全生命周期進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2 所示。平臺(tái)劃分為采集層、存儲(chǔ)層、分析層、應(yīng)用層，每相鄰兩層可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用層通過工業(yè)以太網(wǎng)將信息反饋到人機(jī)交互界面或者直接作用到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，形成閉環(huán)反饋，確保生產(chǎn)高效可控。整個(gè)平臺(tái)自底向上體現(xiàn)了數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)和智慧的主線，全方位、深層次地感知和獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將孤立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，形成數(shù)據(jù)資源池，把數(shù)據(jù)變成信息，通過智能分析將信息變成知識(shí)，再把知識(shí)與信息技術(shù)融合起來支撐膠類生產(chǎn)的各項(xiàng)智慧應(yīng)用。

圖2 膠類數(shù)據(jù)管理平臺(tái)Fig.2 Glue data management platform

其中，數(shù)據(jù)采集層分為兩部分，通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器以及控制室，對(duì)于無以太網(wǎng)口的設(shè)備可利用RS485 總線或者安裝總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊。數(shù)據(jù)采集后通過數(shù)據(jù)整合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗與集成，然后按照一定邏輯關(guān)系進(jìn)行有效存儲(chǔ)。同時(shí)，管理平臺(tái)也將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的登記注冊(cè)、目錄管理等工作。

數(shù)據(jù)分析層是按照應(yīng)用層對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的管理和決策支持的需求，對(duì)存儲(chǔ)層的六類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘的層級(jí)。數(shù)據(jù)分析在制造過程數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)間屬性連接和主題相關(guān)性，構(gòu)建以數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)相關(guān)性為邊的數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[12]。按照數(shù)據(jù)分析的功能劃分，數(shù)據(jù)分析方法可以大致分為降維分析、分類與聚類分析、相關(guān)性分析和預(yù)測(cè)分析。本系統(tǒng)主要應(yīng)用相關(guān)性分析，建立相關(guān)獨(dú)立關(guān)聯(lián)模型和非獨(dú)立關(guān)聯(lián)模型，為上層決策支持提供理論方法和數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)應(yīng)用層是數(shù)據(jù)平臺(tái)的大腦。將優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享包裝，利用數(shù)據(jù)分析層提供的數(shù)據(jù)和功能接口，加上膠類生產(chǎn)特定模型的知識(shí)，從質(zhì)量管理、能源管理、人員考核、產(chǎn)品追溯四個(gè)方面，產(chǎn)生相應(yīng)生產(chǎn)管理的決策信息，并反饋到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，不斷優(yōu)化生產(chǎn)。作為一站式服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)膠類生產(chǎn)智能工廠應(yīng)用。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是企業(yè)信息化過程中非常重要的部分，若沒有數(shù)據(jù)的有效采集，信息化就像是無源之水。本節(jié)按照數(shù)據(jù)來源將膠類生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分為設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)六類。其中，設(shè)備數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)設(shè)備預(yù)設(shè)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備的名稱、編號(hào)等數(shù)據(jù)，周期性采集即可；人員數(shù)據(jù)包括工人姓名、工號(hào)、工種等數(shù)據(jù)，屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)，一次性輸入即可；質(zhì)量數(shù)據(jù)包括原材料、半成品、成品的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)，隨每次檢測(cè)結(jié)果及時(shí)錄入；環(huán)境數(shù)據(jù)主要是膠類D 級(jí)生產(chǎn)車間的溫度、濕度以及塵埃粒子，屬于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，需周期性實(shí)時(shí)采集；能耗數(shù)據(jù)包括用電量、蒸汽消耗量、食用水消耗量；物料數(shù)據(jù)包括出入庫數(shù)據(jù)、內(nèi)外包材消耗數(shù)據(jù)、合格率等，屬離散靜態(tài)數(shù)據(jù)，需實(shí)時(shí)采集。

2.1.1 基于OPC-UA 標(biāo)準(zhǔn)的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域最主要的采集方式。由于各種原因，工廠自控設(shè)備不可能采用一家產(chǎn)品，而不同設(shè)備的生產(chǎn)廠家由于各自利益和技術(shù)局限性，往往采用自家的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。對(duì)應(yīng)OSI 七層通信模型，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)在傳輸層及以下基于IEEE 802.1-IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，采用TCP/IP 協(xié)議。但是在傳輸層以上，如會(huì)話層、應(yīng)用層還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致了應(yīng)用不同工業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)備間可以互通互聯(lián)但是不能互操作，即不能識(shí)別彼此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令。除此之外，系統(tǒng)編程軟件和組態(tài)軟件與硬件緊密綁定，不同廠商間的軟硬件不能混用，這對(duì)系統(tǒng)集成、備品備件、人才培養(yǎng)造成很大困擾。鑒于此，本系統(tǒng)采用OPC-UA 通信標(biāo)準(zhǔn)[13]的方式采集部分?jǐn)?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間以及信息系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交換和語義的互通，如圖3 所示。

圖3 基于OPC-UA 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.3 Schematic diagram of data acquisition based on OPC-UA standard

現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備以及D 級(jí)生產(chǎn)區(qū)的溫度傳感器、濕度傳感器、 粉塵粒子傳感器通過網(wǎng)口或者RS485串口與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)或者無線傳輸，將數(shù)據(jù)通過交換機(jī)傳輸?shù)組ES 系統(tǒng)服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)設(shè)備嵌入OPC-UAserver，MES 系統(tǒng)服務(wù)器嵌入OPC-UA client。處于監(jiān)視控制層或車間層的OPC-UA client應(yīng)用程序可直接獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，期間無任何數(shù)據(jù)格式變化，避免了由于協(xié)議轉(zhuǎn)換而帶來的延遲。

2.1.2 RFID 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID 是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用在食品安全溯源、出入庫管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域。典型的RFID 系統(tǒng)主要包括讀寫器、 電子標(biāo)簽、RFID中間件、應(yīng)用系統(tǒng)軟件四部分[14]。其中，讀寫器又稱閱讀器，是對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫的關(guān)鍵設(shè)備，可外接電線增強(qiáng)功率，然后通過無線射頻方式將能量與時(shí)鐘傳送給電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽主要以貼附在物體表面的形式存在，內(nèi)部芯片包括控制模塊與存儲(chǔ)器兩部分，射頻模塊通過天線與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。中央信息系統(tǒng)，包括RFID 中間件與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，可對(duì)信息進(jìn)行有效處理[15]。

本文應(yīng)用RFID 采集物料數(shù)據(jù)、 人員數(shù)據(jù)以及部分設(shè)備數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，生產(chǎn)過程中會(huì)通過RFID 讀寫器掃描膠類原材料上的標(biāo)簽，采集原材料產(chǎn)地、質(zhì)地、采購人以及提供商的信息；同理，采集出入庫信息和設(shè)備維護(hù)信息以及人員考勤信息。數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送到中央信息系統(tǒng)以及工廠監(jiān)控部門[16]，為膠類質(zhì)量安全溯源、人員考勤以及設(shè)備維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖4 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 RFID system structure

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜，既有不同單位、不同范圍的各類傳感器數(shù)據(jù)，也有通過人機(jī)交互界面輸入的人工數(shù)據(jù)以及其他類型數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和劃分，按照各類數(shù)據(jù)類型和格式建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)邏輯模型。

2.2.1 數(shù)據(jù)庫處理邏輯

數(shù)據(jù)處理邏輯如圖5 所示，當(dāng)各工藝環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)來數(shù)據(jù)更新信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并判斷是否接收完畢。如果判斷接收完畢則進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若判斷未接收完畢或未接收到數(shù)據(jù)，則返回上一狀態(tài)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)合法性、完整性進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否校驗(yàn)成功，若校驗(yàn)成功，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。否則認(rèn)為數(shù)據(jù)為非法數(shù)據(jù)，程序結(jié)束，返回開始狀態(tài)。從數(shù)據(jù)是否接收完畢到程序結(jié)束，每個(gè)過程均記錄在日志中，以備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)修復(fù)等。

圖5 數(shù)據(jù)庫處理邏輯Fig.5 Data base processing logic

2.2.2 數(shù)據(jù)關(guān)系分析

為了實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析，完成數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)定的各項(xiàng)功能，需要使用統(tǒng)一建模語言，并利用跨庫關(guān)聯(lián)檢索的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)集的構(gòu)建?；趯?duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分類以及對(duì)生產(chǎn)工藝過程分析，可知六類現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是關(guān)聯(lián)的，他們之間的關(guān)系可以用實(shí)體聯(lián)系圖進(jìn)行描述。

以工藝參數(shù)表為例說明，如表1 所示。實(shí)體主鍵屬性為工藝參數(shù)編號(hào)，表示工藝參數(shù)表的唯一標(biāo)識(shí)。外鍵有預(yù)設(shè)編號(hào)和產(chǎn)品編號(hào)，用于與設(shè)備預(yù)設(shè)參數(shù)表和產(chǎn)品表的聯(lián)系。一般屬性還有工藝參數(shù)名稱、單位、上限值、下限值以及工藝錄入人。每個(gè)屬性設(shè)置適合的參數(shù)類型，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

表1 工藝參數(shù)表Tab.1 Process parameter

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

由于界面原因，只截取質(zhì)量數(shù)據(jù)相關(guān)表格，如圖6 所示。將數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入SQL Server 2014，驗(yàn)證模型一致性與完整性。驗(yàn)證通過后，將邏輯模型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫可識(shí)別的物理模型，刷新數(shù)據(jù)庫，生成設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表。

圖6 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)Fig.6 Database implementation

3.2 MES 系統(tǒng)原型實(shí)現(xiàn)

膠類中藥MES 系統(tǒng)采用C++語言，基于SIMATIC NET V12 服務(wù)器，開發(fā)OPC-UA 數(shù)據(jù)采集客戶端；使用JAVA 語言進(jìn)行后臺(tái)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2014 與Oracle，最終實(shí)現(xiàn)MES 軟件原型開發(fā)。

系統(tǒng)的主控制界面如圖7 所示。預(yù)設(shè)十個(gè)功能模塊，其中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的模塊包括：設(shè)備管理、人員績(jī)效管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理。軟件安裝在控制室中，根據(jù)不同的職位分配不同的權(quán)限，保證軟件安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 MES 系統(tǒng)控制界面圖Fig.7 MES control interface diagram

4 結(jié)語

本文針對(duì)膠類中藥生產(chǎn)，在企業(yè)智能化改造的需求基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于MES 系統(tǒng)的膠類中藥智能生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。對(duì)采集何種數(shù)據(jù)、如何采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式、數(shù)據(jù)應(yīng)用等問題進(jìn)行了論述，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的有效管理和智能應(yīng)用，對(duì)制膠企業(yè)智能化改造具有借鑒作用。下一步將充分吸收互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能最新技術(shù)，與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，篩選影響質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)，利用先進(jìn)算法，不斷優(yōu)化參數(shù)的權(quán)重，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量在線檢測(cè)模型，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。