食品生產(chǎn)車間的數(shù)字化改造

張振芳，王林軍，姜亞麗，馮騰飛

(1.國機(jī)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 創(chuàng)新推廣中心，河南 鄭州 450007；2.三全食品股份有限公司 人力資源部，河南 鄭州 450053)

隨著信息化時代的到來，數(shù)字化體系逐漸成為多種生產(chǎn)類行業(yè)的發(fā)展趨勢，行業(yè)競爭的加劇導(dǎo)致大多數(shù)企業(yè)對自動化、智能化升級的需求越來越高。食品加工業(yè)是我國生產(chǎn)性行業(yè)的重要組成部分，牽系著人民的健康問題，而針對食品加工過程的生產(chǎn)管控尤為重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的食品加工行業(yè)目前仍采用下位機(jī)與上位機(jī)相互配合的簡單管控模式，生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法得到有效監(jiān)控與應(yīng)用，難以滿足數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實際需要。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，將實體設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)接入網(wǎng)，結(jié)合三維建模理念，搭建對應(yīng)于實體設(shè)備的虛擬模型，形成數(shù)字孿生的可視化車間運營管控方案，以提升食品生產(chǎn)的安全水平，加速產(chǎn)業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)車間對生產(chǎn)過程的管控能力較差，缺乏針對設(shè)備故障的預(yù)測性分析，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用不充分，實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)控能力較弱，存在一定的安全隱患。隨著美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0及中國制造2025等國家發(fā)展戰(zhàn)略的問世，智能制造已成為多個行業(yè)發(fā)展的趨勢和目標(biāo)[1]。數(shù)字孿生技術(shù)的引入可顯著提升企業(yè)的數(shù)字化程度，而產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的焦點正是融合不同的組織系統(tǒng)，充分利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成完善的信息化系統(tǒng)。

數(shù)字孿生技術(shù)采用數(shù)字化鏡像物理車間，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射至搭建的孿生模型中，進(jìn)而驅(qū)動孿生模型，實現(xiàn)對車間實體對象的有效監(jiān)控、分析和計算[2]。它是數(shù)字化解決方案中一種新的概念，也是在虛擬環(huán)境中通過實時反映實際場景的問題，達(dá)到對實際場景有效管控的一種途徑。將數(shù)字孿生理念與安全管理辦法相結(jié)合，搭載物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，構(gòu)建虛擬車間場景和實際車間場景的孿生體，覆蓋從材料選取、配方制作、生產(chǎn)加工、成品包裝和成品出廠等產(chǎn)品生命周期中各個工藝區(qū)間，能夠?qū)崿F(xiàn)虛實場景中數(shù)據(jù)的實時關(guān)聯(lián)[3]。

2 智慧運維系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文以某食品加工車間為例，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以數(shù)字孿生系統(tǒng)作為可視化載體來建立完備的車間智慧運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)聚焦于機(jī)器設(shè)備的運維管理過程，根據(jù)實際車間場景在虛擬的三維空間搭建仿真模型，融合物理車間的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，真實反映實際場景中空間、環(huán)境、質(zhì)量等物理信息[4]。同時，該系統(tǒng)應(yīng)具有信息推送的功能，在設(shè)備出現(xiàn)故障并報警時，其信息推送模塊能將設(shè)備的位置信息、詳細(xì)故障信息推送至指定的維保人員，形成“閉環(huán)式”運維管理模式，以獲得實時跟蹤監(jiān)控的效果。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)能融合“故障原因?qū)＜規(guī)臁?，對設(shè)備進(jìn)行仿真分析，實現(xiàn)對設(shè)備狀況的評估及有效預(yù)測，并可在故障發(fā)生之前發(fā)送預(yù)警信息。

本文結(jié)合食品生產(chǎn)車間實際情況建立的智慧運維系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。它主要包括數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。各層通過不同的通信協(xié)議串接在一起，組成一套能滿足實際需求的信息化系統(tǒng)。

圖1 智慧運維系統(tǒng)的總體架構(gòu)

3 智慧運維系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，生產(chǎn)類行業(yè)智能制造升級過程的本質(zhì)是對底層數(shù)據(jù)的抓取、分析與應(yīng)用，因此，數(shù)據(jù)入網(wǎng)是智能制造的基石[5]。本文根據(jù)食品生產(chǎn)車間實際需要設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)實施流程如圖2所示。基于智慧運維系統(tǒng)的總體架構(gòu)，對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)實施流程所設(shè)計系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。智慧運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于分布在車間設(shè)備上的若干PLC。在實際的車間場景中，PLC與智能網(wǎng)關(guān)的連接為RS485串口模式。數(shù)據(jù)采集智能網(wǎng)關(guān)(簡稱數(shù)采網(wǎng)關(guān))在安裝至設(shè)備之前需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，每個網(wǎng)關(guān)都需要配置一個固定的網(wǎng)絡(luò)IP地址，并通過WIFI(Wireless Fidelity)連接至無線AP(Access Point)。車間無線AP采用的信銳NAP-8100(L)室外無線接入點為全封閉形式，具有防水、防潮、防塵、防火、防曬等功能，在極端惡劣的室外環(huán)境(-40～70 ℃)中仍可正常使用。它支持室外高速無線接入設(shè)備，采用MU-MIMO 技術(shù)后能實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸效率，且其無線傳輸速率可達(dá) 1 267 Mbps。無線AP采用千兆電口/光口上行鏈路，能滿足無線高速傳輸要求；采用 POE(Power Over Ethernet) 遠(yuǎn)程供電，使網(wǎng)絡(luò)部署更簡單。數(shù)采服務(wù)器是與無線AP網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的單個主機(jī)或劃分的虛擬機(jī)，可以實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的采集、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)實施流程

圖3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 數(shù)據(jù)采集與三維建模

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。本文根據(jù)車間實際需要和設(shè)計目標(biāo)來確定所需采集的數(shù)據(jù)信息。因現(xiàn)有設(shè)備硬件接口能夠滿足設(shè)備入網(wǎng)條件，所以只要對現(xiàn)場不同設(shè)備直接分配固定的IP地址即可。智慧運維系統(tǒng)以Kepware軟件作為數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，與網(wǎng)關(guān)的通信遵守Modbus TCP協(xié)議。為實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，需要針對不同網(wǎng)關(guān)的IP地址建立不同的采集通道，并在各個通道下建立設(shè)備的采集數(shù)據(jù)組。

圖4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集流程

虛擬工廠是實際工廠在虛擬空間的真實映射，是工廠全生命周期的數(shù)字化體現(xiàn)。對虛擬工廠進(jìn)行三維建模仿真，不僅有利于充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在提高生產(chǎn)力方面的作用，而且能節(jié)約大量的生產(chǎn)基地投資、設(shè)備購置費用及人工費用[6]。

根據(jù)實際工藝規(guī)劃，對車間現(xiàn)有加工設(shè)備、檢驗檢測設(shè)備、智能倉儲設(shè)備、清洗烘干設(shè)備、機(jī)房設(shè)備、預(yù)處理設(shè)備、包裝設(shè)備、物流設(shè)備、輔助設(shè)備等以及生產(chǎn)車間進(jìn)行三維數(shù)字化建模[7]。在虛擬環(huán)境中，根據(jù)工藝流程，結(jié)合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)存的圖紙資料，利用Revit軟件創(chuàng)建車間的建筑結(jié)構(gòu)模型；在CATIA軟件中創(chuàng)建餃子生產(chǎn)線模型，包括餡料區(qū)設(shè)備，和面區(qū)設(shè)備，餃子成型、速凍、包裝、入庫全流程的機(jī)械設(shè)備的數(shù)字化模型(見圖5)。對設(shè)備數(shù)字化模型進(jìn)行工藝布局后，在VC(Visual Components)軟件中將建筑、機(jī)電設(shè)備模型與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息合并，搭建虛擬的物理工廠模型，形成最終的數(shù)字孿生平臺，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)展示[8]。

圖5 食品生產(chǎn)車間的數(shù)字化模型

5 基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)流程仿真

生產(chǎn)車間數(shù)字孿生平臺通過三維仿真模型與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效結(jié)合，以三維可視化界面同步模擬并顯示實際場景的運行過程及當(dāng)前設(shè)備運行狀態(tài)、產(chǎn)量等，使用戶能更加清晰地了解實際場景的空間布局和系統(tǒng)邊界[9]。通過設(shè)置虛擬系統(tǒng)的實體對象屬性、作業(yè)屬性、作業(yè)過程屬性三者的關(guān)系，可根據(jù)定義來輸出系統(tǒng)與外部環(huán)境的交互作用關(guān)系。圖6所示為數(shù)字孿生車間系統(tǒng)。

圖6 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)

數(shù)字孿生車間系統(tǒng)具有仿真建模、生產(chǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、結(jié)果評審、數(shù)據(jù)管理、信息模型庫建立等功能模塊。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自定義屬性，在車間需要改造或有設(shè)備增減時，用戶可根據(jù)實際情況在信息模型庫中增加或改變設(shè)備屬性，以保證孿生場景和實際場景一致。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模塊中，授權(quán)用戶可以查閱或?qū)С鋈我鈺r間段的生產(chǎn)信息，從而實現(xiàn)工單持續(xù)追溯的功能。

6 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生車間將成為未來智慧工廠必不可少的一部分。本文針對傳統(tǒng)食品加工行業(yè)生產(chǎn)過程智能化程度低的問題，提出了相關(guān)的數(shù)字化解決方案，探索了基于數(shù)字孿生的數(shù)字化生產(chǎn)車間的新模式，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了整個方案的架構(gòu)、建設(shè)思路等。研究結(jié)果對提升食品行業(yè)的智能制造能力有一定的借鑒意義。