智能生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制技術(shù)在大米加工業(yè)中的研究與應(yīng)用

季 坤

(國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430079)

薄利的糧食加工行業(yè)，受到天氣氣候變化、石油價(jià)格波動、國際貿(mào)易摩擦、行業(yè)競爭的加劇、消費(fèi)市場的敏感洞察、資金鏈的供應(yīng)等多方面因素的影響越來越大，如何向運(yùn)營管理要效益，自動分析出來并抓住關(guān)鍵點(diǎn)，讓實(shí)時(shí)的事實(shí)數(shù)據(jù)主動說話，研判趨勢，成為具有行業(yè)引領(lǐng)作用的工程技術(shù)難題。

目前國內(nèi)大米加工行業(yè)具備先進(jìn)技術(shù)水平的工廠只是僅僅建立了上下游各車間相對獨(dú)立的PLC/DCS控制系統(tǒng)，其生產(chǎn)單元和各個(gè)業(yè)務(wù)單元依賴于人工調(diào)度，作業(yè)流程冗長、復(fù)雜，數(shù)據(jù)交互出錯(cuò)情況時(shí)有發(fā)生。大部分企業(yè)現(xiàn)在都是依靠追蹤追溯性不強(qiáng)、不精準(zhǔn)、非實(shí)時(shí)的橫向聯(lián)系來協(xié)調(diào)企業(yè)生產(chǎn)和管理，且現(xiàn)場級、工廠級、集團(tuán)級的聯(lián)系、反饋渠道局限在ERP系統(tǒng)內(nèi)，對透徹感知，全面互聯(lián)，深入智能的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能工廠的解決方案存在碎片化的認(rèn)知和強(qiáng)烈需求，需要系統(tǒng)性集成化的研究與應(yīng)用[1]。

目前企業(yè)的管理層與生產(chǎn)制造層之間的銜接不夠緊密，生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行效率不高，訂單響應(yīng)不及時(shí)，生產(chǎn)過程控制比較分散，各車間之間的信息交流少，生產(chǎn)效率不高，資源不能有效的整合、高效的利用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的越發(fā)成熟，把工廠內(nèi)采購、物流、加工、倉儲、銷售運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化、透明化將產(chǎn)生越來越大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。

1 智能生產(chǎn)系統(tǒng)概述

智能生產(chǎn)系統(tǒng)是把工廠內(nèi)系統(tǒng)都集成起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化和信息化，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及優(yōu)秀的管理經(jīng)驗(yàn)來達(dá)到生產(chǎn)管理智能化的目標(biāo)。智慧工廠平臺不僅僅旨在通過高度集成的自動化來減少生產(chǎn)線上的員工；還能加強(qiáng)管理層對工廠的直接管理從而降低管理成本，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控。智慧工廠與傳統(tǒng)工廠最大的不同是，所有軟件、系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)都實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)配。

智能生產(chǎn)系統(tǒng)是以銷售和生產(chǎn)訂單為核心，將工廠自控系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)以及安防系統(tǒng)等整合起來；以工廠生產(chǎn)和運(yùn)營數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、利用大數(shù)據(jù)分析手段、同時(shí)輔以人工智能對生產(chǎn)管控進(jìn)行大幅度提升。

智能生產(chǎn)系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析+精細(xì)化控制+數(shù)字化管理 實(shí)現(xiàn)商務(wù)訂單至生產(chǎn)線之間的聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)整線的集成控制和統(tǒng)一調(diào)配；減少訂單切換間的空待機(jī)和熱待機(jī)，降低不必要的能耗和物耗，減少生產(chǎn)過程中的人工切換操作，對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化運(yùn)維。

2 智能生產(chǎn)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方面的特點(diǎn)研究

智能生產(chǎn)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用平臺，需要實(shí)時(shí)對接生產(chǎn)、商務(wù)等其他系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性要求比較高，同時(shí)也對數(shù)據(jù)的需求種類和具體需求點(diǎn)提出了很多要求。智能生產(chǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)PLC/DCS不同的是其必須在包容傳統(tǒng)PLC/DCS系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行核心管理功能開發(fā)，是一個(gè)集成各種系統(tǒng)的智能化平臺。

2.1 智能生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集

目前大米生產(chǎn)過程中需要采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)至少包含以下檢測和控制點(diǎn)：

(1)訂單總數(shù)。

(2)分批次交貨種類、數(shù)量、時(shí)間：精確至t/袋。

(3)原料糧食庫存情況，種類、貨齡：精確至t(或袋)/d。

(4)生產(chǎn)實(shí)際過程量：如礱谷工段產(chǎn)量、碾白工段產(chǎn)量、碎米量、涼米倉庫存量、成品倉庫存量、成品打包數(shù)量、配米各種類庫存及消耗量等等。

(5)能耗(kW·h)數(shù)據(jù)：礱谷工段、碾白工段能耗、關(guān)鍵設(shè)備(如碾米機(jī)、拋光機(jī)、空壓機(jī))能耗等等。

(6)配米數(shù)據(jù)：全自動配米線產(chǎn)量、倉內(nèi)存量、產(chǎn)能利用狀況、完成率等。

(7)副產(chǎn)品數(shù)據(jù)：小碎米、中碎米、黃粒米、堊白粒等。

(8)工藝控制數(shù)據(jù)：拋光機(jī)電流、碾米機(jī)電流等。

(9)設(shè)備管理數(shù)據(jù)：設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、次數(shù)、狀態(tài)、維修情況等。

2.2 智能生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和處理

2.2.1商務(wù)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)銜接和傳遞

目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理方面的無縫集成和對接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)從SAP下發(fā)，生產(chǎn)結(jié)束之后數(shù)據(jù)返回至SAP的全套流程。其數(shù)據(jù)流見圖1。

所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)以中間智慧工廠管理平臺為中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，銷售訂單數(shù)據(jù)經(jīng)過平臺整合后下發(fā)至自控系統(tǒng)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)經(jīng)由智慧工廠平臺反饋回SAP系統(tǒng)內(nèi)維護(hù)部分。同時(shí)，根據(jù)銷售訂單生產(chǎn)狀況實(shí)施調(diào)整庫存，直接對接原糧采購系統(tǒng)，打通各個(gè)系統(tǒng)之間的信息通道，打破信息孤島。

各管理系統(tǒng)之間對接方式為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)庫交互可以采用多種方式，如直接讀寫數(shù)據(jù)、API接口、web端授權(quán)數(shù)據(jù)讀寫等。

圖1 商務(wù)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)銜接和傳遞

所有管理系統(tǒng)以智慧工廠平臺為中間紐帶，將其他系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)傳遞給智慧工廠平臺，進(jìn)行整合合并之后將部分信息發(fā)送給其他系統(tǒng)。期間，由于智慧工廠平臺、集團(tuán)SAP系統(tǒng)、原糧采購系統(tǒng)采用BS架構(gòu)，因此需要在服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，部分系統(tǒng)尚有接口未開放，因此我們引入操作層面的接口對接方案，將整套系統(tǒng)打通。

2.2.2生產(chǎn)系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備之間的無縫集成

(1)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動。多條產(chǎn)線間的全自動運(yùn)營，自動切換，“一鍵式”操作。在具備條件的前提下，利用高級別的自動化系統(tǒng)對整線進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線間的全自動無縫切換；能夠大大減少設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)間，減少車間人工操作范圍和工作量，杜絕了操作失誤的可能。

例如，車間全自動生產(chǎn)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求量自動調(diào)整生產(chǎn)線狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)多條生產(chǎn)線的無縫切換，節(jié)省大量生產(chǎn)線切換過程中的工作量。利用設(shè)備和工藝間的連鎖，配合軟件算法杜絕了人工操作過程中犯錯(cuò)誤的可能性。

(2)實(shí)現(xiàn)設(shè)備級的無縫集成。聯(lián)通流量秤、生產(chǎn)線(多線配合和切換)、配米秤、打包秤等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備全集成。利用工業(yè)設(shè)備之間數(shù)據(jù)協(xié)議的統(tǒng)一性，使生產(chǎn)控制系統(tǒng)能夠與現(xiàn)場自動化設(shè)備進(jìn)行更好的互動，所有設(shè)備數(shù)據(jù)采集至中央控制系統(tǒng)，統(tǒng)一處理并進(jìn)行各個(gè)設(shè)備間的優(yōu)化后將新的控制數(shù)據(jù)下發(fā)至各設(shè)備。

例如，全自動配米。訂單可由SAP系統(tǒng)下發(fā)也可在自控系統(tǒng)中創(chuàng)建，根據(jù)訂單量自動計(jì)算完成量、完成時(shí)間并匹配庫存狀態(tài)；多達(dá)45臺配米秤全自動啟動停止、根據(jù)配米線占用情況提醒并調(diào)整其他訂單產(chǎn)線，可以有效的提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線的控制精準(zhǔn)度。

3 智能生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)手段

3.1 數(shù)據(jù)的傳輸模式確定

要實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，需確保通訊協(xié)議的一致性，同時(shí)要保證各接口協(xié)議的可擴(kuò)展性。工業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)議在保證穩(wěn)定的前提下具備統(tǒng)一性，各設(shè)備之間完全支持，更方便系統(tǒng)之間的銜接[2]。目前、大米加工中使用到的通訊協(xié)議為大致有如下幾種：

(1)生產(chǎn)線基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的DI/DO/AI/AO等方式采集和控制，此種方式安全可靠，且可以對各自動化設(shè)備進(jìn)行銜接。

(2)工業(yè)以太網(wǎng)Profinet：控制生產(chǎn)線設(shè)備，通訊速度最快，通訊穩(wěn)定，距離略短，造價(jià)高。

(3)Profibus-DP：控制生產(chǎn)線和需控制的自動化設(shè)備(如配米秤、打包秤等)，通訊速度最快，通訊較穩(wěn)定，距離長，造價(jià)較高。

(4)modbus：采集數(shù)據(jù)所用(如電能表、流量秤)，通訊速度較慢，距離長，造價(jià)低。

(5)其他：定制化通訊協(xié)議如SACII，Open TCP/IP，RTL等，適用于拋光機(jī)、米機(jī)等。

(6)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)傳遞：利用IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞、實(shí)現(xiàn)OT向IT層的轉(zhuǎn)移。

3.2 數(shù)據(jù)的存儲及處理設(shè)計(jì)

智能生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理服務(wù)器需具備以下能力：

(1)建立實(shí)時(shí)、可靠的備用系統(tǒng)從而保證系統(tǒng)的持續(xù)工作。

(2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)能以雙硬盤同時(shí)儲存的形式，防止硬盤的意外損壞造成數(shù)據(jù)丟失。

(3)系統(tǒng)具有電子記錄/電子簽名功能，任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變更，上一次輸入，誰做的變更和變更時(shí)間都應(yīng)有記錄。

(4)任何進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作的用戶都需登錄，并記錄登錄信息。

(5)用戶不允許進(jìn)入或使用未授權(quán)的模塊或功能。

(6)訪問任何操作和配置功能可通過設(shè)置特定授權(quán)級別加以保護(hù)。

(7)每一個(gè)用戶擁有唯一的用戶名和密碼，該用戶名和密碼不能被其他用戶重復(fù)使用，建議能在給定的周期內(nèi)提醒用戶更新密碼，以前用過的密碼無法繼續(xù)使用。

(8)防止非法的訪問和操作，將操作人員分為三級：操作員、工藝員和管理員。

①操作員：可以在屏幕上查詢數(shù)據(jù)，打印報(bào)表。當(dāng)通訊中斷時(shí)，控制可以繼續(xù)；當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)，系統(tǒng)重新回到正常步驟，沒有異常發(fā)生，設(shè)置的工藝參數(shù)沒有更改過，電子記錄里可查詢到通訊中斷和恢復(fù)的事件。②工藝員：除操作員所有的權(quán)限外，還可以修改設(shè)定值，如報(bào)警上下限。③管理員：擁有所有操作權(quán)限，如數(shù)據(jù)備份、進(jìn)入維護(hù)模式，設(shè)置操作員等。

利用此技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)商務(wù)訂單至生產(chǎn)訂單、生產(chǎn)訂單至設(shè)備控制的直接通道，以達(dá)到節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的目的。

4 智能生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及呈現(xiàn)

利用IT技術(shù)，打通生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)報(bào)表系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(OA、排班)、SAP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通道；打破各系統(tǒng)各設(shè)備之間的信息孤島。

將銷售訂單分解、合并成生產(chǎn)訂單，然后下發(fā)至生產(chǎn)控制系統(tǒng)，對不同的銷售訂單進(jìn)行適應(yīng)車間狀況的排程，保證訂單間的無縫自動切換，避免人工操作造成的等待和浪費(fèi)；生產(chǎn)進(jìn)行過程中通過智慧工廠平臺完成偏差實(shí)時(shí)調(diào)整，能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析，生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)測，設(shè)備信息實(shí)時(shí)采集等任務(wù)；生產(chǎn)結(jié)束后將訂單數(shù)據(jù)反饋回智慧工廠平臺，形成統(tǒng)一的分析報(bào)表，方便工廠管理。

例如，生產(chǎn)、配米訂單的下發(fā)。從SAP自動抓取并下發(fā)；利用系統(tǒng)之間的通訊模塊，直接讀取SAP數(shù)據(jù)，拆分組合之后下發(fā)至DCS系統(tǒng)，避免系統(tǒng)間數(shù)據(jù)人為傳遞過程中的延時(shí)和疏漏。

另外、還可采集車間生產(chǎn)和運(yùn)營基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)狀況總覽、能源消耗情況展示及分析。形成以下幾種表現(xiàn)形式：

車間總體看板及能耗面板：根據(jù)車間產(chǎn)能狀況可以對車間總體產(chǎn)量進(jìn)行核算分析，實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)能能耗分析，實(shí)現(xiàn)不同品種的能耗數(shù)據(jù)分析。

生產(chǎn)及能耗報(bào)表：管理車間各生產(chǎn)線狀況和能耗情況，關(guān)注重點(diǎn)設(shè)備能源消耗數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際狀況分析能耗情況并盡可能的提出改善方案。

直觀的能耗分析數(shù)據(jù)：利用采集的能耗數(shù)據(jù)，形成多種表現(xiàn)形式，輔助工廠進(jìn)行能耗分析和工藝優(yōu)化。

5 結(jié)束語

提出針對核心能力和核心業(yè)務(wù)模塊的解決方案，建立智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上搭建能源監(jiān)測和管理模塊、集成自動控制系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等功能性系統(tǒng)。利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工廠KPI考統(tǒng)、成本核算、庫存信息管理(產(chǎn)品、原輔料、設(shè)備、備品備件)、車輛管理、設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字化運(yùn)維。建立以數(shù)據(jù)驅(qū)動、技術(shù)驅(qū)動的智能工廠，生產(chǎn)層面各車間生產(chǎn)加工以集成化的數(shù)據(jù)、精確的計(jì)量來規(guī)范車間生產(chǎn)，提高車間管理的精確度，通過PDCA循環(huán)，提升全廠智能化水平。