基于現(xiàn)場多維感知技術(shù)的卷煙工廠制絲工序智能人機(jī)和諧系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周愛民 史清英 陳思佳 陶銀 祁躍東

摘要：生產(chǎn)現(xiàn)場存在著各種設(shè)備、生產(chǎn)、質(zhì)量等多重信息，操作人員應(yīng)付各種信息變化并作出正確的處置是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的重要手段。建設(shè)高“感知”能力的生產(chǎn)現(xiàn)場、建立人機(jī)合一的感知系統(tǒng)也是實現(xiàn)“智慧化”卷煙廠的必要環(huán)節(jié)。本文以玉溪卷煙廠制絲車間潤葉加料工序點為示范點，圍繞“人”的感知水平，以工廠信息系統(tǒng)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，探索了從示范點生產(chǎn)現(xiàn)狀、安全規(guī)程、工作標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信息四個維度以可視化的方式提高操作人員對現(xiàn)場各種信息“感知”敏捷性能力的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：感知? 生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)? 系統(tǒng)異構(gòu)集成? 可視化 彈出觸發(fā)

1引言

工業(yè)化的現(xiàn)場生產(chǎn)中，生產(chǎn)要求、工藝標(biāo)準(zhǔn)與各種生產(chǎn)信息、設(shè)備信息和質(zhì)量信息交融在一起，從各個方面影響著作為操作主體的現(xiàn)場操作者?，F(xiàn)場操作人員要以生產(chǎn)要求和工藝標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)對現(xiàn)場不斷變化的設(shè)備、質(zhì)量、運(yùn)行信息進(jìn)行及時的預(yù)判和處理，對生產(chǎn)順暢、質(zhì)量控制和成本控制的作用十分重要。現(xiàn)場操作人員對各種標(biāo)準(zhǔn)熟知和不斷變化的現(xiàn)場運(yùn)行信息及時掌握，是現(xiàn)場操作人員作出正確判斷和處置的基礎(chǔ)。如何及時正確的感知現(xiàn)場生產(chǎn)信息是提高產(chǎn)品、降低生產(chǎn)成本的有效手段，同時也是提高工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場智能化、建設(shè)智能化工廠必要之路。人的感知，最直接的是通過人的感官進(jìn)行的感知，在人的五項感官器官中，眼睛所看到的是最直接最快速和最能讓人留下的映像感知，也即可視化感知最能使人快速做出反應(yīng)的感知。對感知的研究，國內(nèi)外有多位學(xué)者開展過這方面的研究。如鄭澤鱗[1]等提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)基于配電網(wǎng)智能胸膛的電網(wǎng)智能感知管控系統(tǒng);譚征宇[2]等對手機(jī)交互性能感知要素進(jìn)行了研究，探索了高敏感用戶對手機(jī)交互性能的感知需求;趙敏[3]提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動下交互網(wǎng)絡(luò)群智感知任務(wù)分配方法，并進(jìn)行了仿真。魯玉慶等[4]基于油田工業(yè)分布廣、數(shù)量量大、協(xié)議多等特點，就如何實現(xiàn)有效感知工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行了探索。莫爾科夫基納.達(dá)莉雅等[5]研究了水聲景對人的感知喜好，并對人的感知閾值做了相關(guān)的實驗。戎玫等[6]對形式化與可視化相結(jié)合的軟件體系進(jìn)行了研究，描述了可視化軟件體系的結(jié)構(gòu)。有關(guān)感知的文獻(xiàn)資料林林總總、汗牛充棟，但主要是網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)來展開研究，如何使在工業(yè)現(xiàn)場中處于感知中心的人來感知來自生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、設(shè)備、安全等各個方面并瞬時變化的信息，并預(yù)測各種變化趨勢，保證生產(chǎn)順暢性、提高質(zhì)量控制水平和各種事故隱患處置能力來開展感知技術(shù)的研究少見文獻(xiàn)之中。

本文擬通過某卷煙廠生產(chǎn)示范點各生產(chǎn)、質(zhì)量、安全等要素的可視化感知探索，試點先行、以點帶面、復(fù)制推廣，為推進(jìn)新一代信息技術(shù)和卷煙工業(yè)的深度融合，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)在卷煙生產(chǎn)制造的綜合集成應(yīng)用，建設(shè)“智能化生產(chǎn)”、“數(shù)字化管理”的卷煙智慧工廠提供可復(fù)制的實例。

2 現(xiàn)狀分析

生產(chǎn)制造工廠如何減低生產(chǎn)過程中的突發(fā)故障，提高生產(chǎn)的連續(xù)和順暢性是生產(chǎn)企業(yè)長期的課題。設(shè)備故障、質(zhì)量缺陷、安全事件等突發(fā)故障，會產(chǎn)生生產(chǎn)停頓、質(zhì)量失控、成本增加、任務(wù)完成不及時等問題。降低故障發(fā)生率是企業(yè)重要的日常工作，也是實現(xiàn)智慧工廠水平的主要目的之一。生產(chǎn)現(xiàn)場“人”（操作工、設(shè)備修理工）與其他要素信息之間交互性較弱，即“人”對生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)要素的“感知”水平較弱，是突發(fā)故障率較高的重要原因，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

1） “人”對生產(chǎn)現(xiàn)狀的感知方面。操作工對生產(chǎn)現(xiàn)場的實時生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度、現(xiàn)場相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、物料的輸入輸出狀態(tài)“感知”水平較弱，對生產(chǎn)現(xiàn)狀的“感知”能力弱將會影響操作工“主體”對“客體”各生產(chǎn)現(xiàn)狀的實時把控情況。

2）“人”對生產(chǎn)現(xiàn)場工作標(biāo)準(zhǔn)要求的感知方面。生產(chǎn)現(xiàn)場操作工和設(shè)備維護(hù)修理工對工作標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求只停留在文件標(biāo)準(zhǔn)方面，常用的標(biāo)準(zhǔn)文件“感知”手段——可視化的固定展板式SOPS，但這一手段對于現(xiàn)場移動的操作工在空間的參考性上非常有限，這使得大部分標(biāo)準(zhǔn)文件僅流于文件形式，對現(xiàn)場主體“人”的 “被感知”性較弱。

3）“人”對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的感知方面。目前制造執(zhí)行系統(tǒng)MES中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息大部分服務(wù)于管理者，對現(xiàn)場生產(chǎn)相關(guān)人員的服務(wù)性較弱，部分MES系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)現(xiàn)場的“人”來說就是“信息孤島”，對生產(chǎn)現(xiàn)場的“人”的“被感知”力弱，如對部分存在異常問題的趨勢數(shù)據(jù)不能及時“感知”而進(jìn)行預(yù)判處理。

3 “感知型”示范點應(yīng)用探索

針對上述現(xiàn)場“感知”水平弱的問題，本文以制絲車間潤葉加料工序點為例進(jìn)行示范點應(yīng)用探索。此工序主要工藝任務(wù)是將來自預(yù)配儲葉柜的葉片通過潤葉滾筒均勻噴灑糖料后輸出至配方儲葉柜的工序。從提高“人”對生產(chǎn)現(xiàn)場現(xiàn)狀、現(xiàn)場工作標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息三個維度，設(shè)備狀態(tài)、物料狀態(tài)、任務(wù)進(jìn)度、設(shè)備自檢標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備巡檢標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)、安全操作標(biāo)準(zhǔn)、異常信息、檢驗數(shù)據(jù)趨勢九個方面的交互性入手，依托MES系統(tǒng)、CS（Client / Server）架構(gòu)及現(xiàn)場可視化電子看板，利用可視化、行跡化、信息化、透明化等手段，實現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場有關(guān)的示范點信息被人快速、精準(zhǔn)地感知。

3.1 示范點生產(chǎn)現(xiàn)狀“感知”水平提升

1）任務(wù)進(jìn)度“感知”水平提升

CS架構(gòu)通過MES系統(tǒng)提供的接口讀取MES工單，在電子看板上實時顯示制絲生產(chǎn)訂單任務(wù)進(jìn)度條，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度的可視化，以不同顏色區(qū)分任務(wù)進(jìn)度，“綠色”代表任務(wù)已經(jīng)生產(chǎn)完畢，“橙色”代表目前正在生產(chǎn)中，“灰色”為待生產(chǎn)任務(wù)，通過任務(wù)進(jìn)度提升生產(chǎn)人員對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度的感知水平。同時通過網(wǎng)絡(luò)與動力供應(yīng)部門共享訂單任務(wù)生產(chǎn)進(jìn)度信息，可有效提升動力部門預(yù)估能源供應(yīng)時間節(jié)點的準(zhǔn)確性減少能源浪費。

2）物料狀態(tài)“感知”水平提升

為更好的監(jiān)測示范點物料的輸入輸出，提升現(xiàn)場工作人員對物料狀態(tài)“感知”水平，在示范點預(yù)配儲葉柜及配葉柜處安裝分別安裝數(shù)個監(jiān)測攝像裝置，CS架構(gòu)監(jiān)測到預(yù)配柜監(jiān)測出柜開始信號，電子看板畫面自動切換播放 “物料輸入——超回出柜”相關(guān)信息及畫面監(jiān)控視圖，顯著提升了操作工對物料進(jìn)出狀態(tài)的“感知”水平，減少了操作工頻繁跑動“看柜”的動作浪費，降低了因確認(rèn)物料進(jìn)出柜不及時造成的物料堵塞等故障的風(fēng)險。

3）設(shè)備狀態(tài)“感知”水平提升

加料滾筒為本工序的核心主機(jī)設(shè)備，其相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)直接影響加入糖料的均勻度及物料的含水率。 當(dāng)CS架構(gòu)讀取到MES系統(tǒng)中潤葉入柜電子秤累計重量達(dá)到一定重量時，“設(shè)備狀態(tài)參數(shù)”可視化視圖切入到電子看板畫面中，實現(xiàn)了加料滾筒的設(shè)備指標(biāo)：熱風(fēng)溫度、排潮風(fēng)門開度、霧化蒸汽壓力等狀態(tài)參數(shù)的電子看板可視化，提高了操作工對主機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知度，通過設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實時可視化，實現(xiàn)操作工對主機(jī)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實時感知。

3.2 示范點工作標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升措施

1）安全工作標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

安全生產(chǎn)貫穿在整個生產(chǎn)周期，每天在開班生產(chǎn)前設(shè)備預(yù)熱等待階段，電子看板通過3D動畫形式講述工序點各危險源及其控制措施內(nèi)容，當(dāng)CS架構(gòu)讀取到批次結(jié)束在下個批次開始前，電子看板及時切換至“有限空間作業(yè)——清掃滾筒” 3D動畫危險源的介紹及控制措施。通過生產(chǎn)前及批間的安全標(biāo)準(zhǔn)的3D動畫解讀及防控措施模擬，不間斷強(qiáng)化操作工的安全防范意識，提升“人”對環(huán)境安全的感知，杜絕安全事件問題的發(fā)生。

2）關(guān)鍵生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

人工向加料料罐內(nèi)加入不同模塊對應(yīng)桶號的糖料是示范點操作工生產(chǎn)關(guān)鍵操作，示范點以不同顏色的定置框線區(qū)分不同批次不同模塊料筒的擺放區(qū)域，防呆防差錯降低因操作問題導(dǎo)致的加料問題。為加強(qiáng)SOPS的適用性，針對加料關(guān)鍵操作步驟進(jìn)行SOPS加料位置區(qū)域進(jìn)行可視化。此外，CS架構(gòu)向電子看板傳輸信號后電子看板又以3D動畫動作模擬的形式還原加料標(biāo)準(zhǔn)操作步驟，通過上述三種措施提高操作工對“加料”關(guān)鍵操作標(biāo)準(zhǔn)的感知度，降低加料錯牌串號的質(zhì)量事件的發(fā)生概率。

3）設(shè)備自檢標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

操作工需要不定時對對設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行自檢以保證設(shè)備運(yùn)行正常。示范點以示范點SOPS生產(chǎn)前中后標(biāo)準(zhǔn)操作內(nèi)容看板可視化、3D動畫模擬操作工生產(chǎn)自檢步驟的電子看板可視化的“總”、自檢內(nèi)容按照步驟順序在自檢部位進(jìn)行順序化“腳丫行跡化”的“分”的 “總——分”可視化的形式，提升操作工對設(shè)備自檢標(biāo)準(zhǔn)的“感知”能力，使操作工自檢標(biāo)準(zhǔn)切實有效的落地執(zhí)行，提升操作工自主維護(hù)設(shè)備的質(zhì)量與效率。

4）設(shè)備巡檢標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

示范點以“總看板——分部位”的模式，通過高效巡檢路線圖示及巡檢標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的總體的SOPS看板——現(xiàn)場設(shè)備巡檢路線順序編號圖示可視化——關(guān)鍵部位巡檢標(biāo)準(zhǔn)可視化，提高機(jī)電修理人員對巡檢標(biāo)準(zhǔn)的感知水平，對潛在的主機(jī)設(shè)備問題可實現(xiàn)“早發(fā)現(xiàn)”、“早預(yù)防”、“早解決”，可降低設(shè)備事后維修頻率，設(shè)備問題維修向預(yù)防性維修傾斜，保證優(yōu)質(zhì)、高效的巡（點）檢工作。

3.3示范點數(shù)據(jù)信息“感知”水平提升措施

1）檢驗數(shù)據(jù)趨勢“感知”水平提升

MES系統(tǒng)中采集的生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)在MES終端機(jī)上不能實現(xiàn)操作工的實時讀取與關(guān)注。示范點通過CS架構(gòu)通過MES系統(tǒng)提供的接口讀取MES系統(tǒng)中“碎片化”相關(guān)信息的提取、整合后，在電子看板上輸出出口物料含水率、單位時間加料比例、單位時間蒸汽比例、入口物料瞬時流量四個需要密切關(guān)注的檢驗指標(biāo)趨勢線，以此提升了操作工對質(zhì)量檢驗指標(biāo)把控的感知度，及時發(fā)現(xiàn)指標(biāo)的異常趨勢。

2）異常數(shù)據(jù)信息“感知”水平提升

在生產(chǎn)過程中當(dāng)MES系統(tǒng)檢測到某項關(guān)注指標(biāo)超出了預(yù)警線時，示范點通過三種措施提升異常信息“感知”水平：當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)異常時，生產(chǎn)現(xiàn)場 “安燈”聲光報警信息立即啟動及時告知現(xiàn)場人員異常信息的發(fā)生。同時電子看板立即切換至預(yù)警批號、發(fā)生時間、相關(guān)異常信息的生產(chǎn)預(yù)警畫面，此外，電子看板上相關(guān)異常信息第一時間通過MES后臺系統(tǒng)將相關(guān)信息以短信的形式推送至機(jī)電修理跟班人員及生產(chǎn)線管理人員，使處理人員第一時間接收信息并達(dá)到現(xiàn)場進(jìn)行處理。

4 感知信息的集成與處理

上述感知型生產(chǎn)示范點的感知信息來自于多個體系中，可分為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化類型，為使操作者對信息進(jìn)行感知，需進(jìn)行多系統(tǒng)不同通訊規(guī)約異構(gòu)集成后通過人機(jī)交互界面進(jìn)行展示。對于安全規(guī)程等信息，通過三維動畫形式把安全規(guī)程、工作標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程展示出來，讓操作人員通過視覺感知;為保證生產(chǎn)控制SCADA系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的運(yùn)行安全及獨立性，感知系統(tǒng)將兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與畫面在開辟的安全區(qū)域內(nèi)推送數(shù)據(jù)，視頻畫面與數(shù)據(jù)可直接進(jìn)入到感知系統(tǒng)中;人工巡點檢數(shù)據(jù)通過MES系統(tǒng)中的巡點檢系統(tǒng)人工輸入后進(jìn)入感知系統(tǒng)中。在各系統(tǒng)信息進(jìn)入到感知系統(tǒng)中后，在人機(jī)交互界面上以時間作為畫面彈出控制節(jié)點：在開機(jī)時，畫面彈出工作標(biāo)準(zhǔn)和操作流程;在生產(chǎn)時，彈出生產(chǎn)運(yùn)行實時數(shù)據(jù)及質(zhì)量運(yùn)行信息。通過多個系統(tǒng)的信息異構(gòu)集成，在有限的人機(jī)交互界面上，根據(jù)信息在不同時間段和事件突發(fā)結(jié)果的重要程度，彈出不同的窗口，自動加深這些信息的感知，加強(qiáng)操作者對這些信息的重視程度。通過本感知系統(tǒng)技術(shù)，使操作者既能及時調(diào)整處理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量保證水平，又能提高操作者對關(guān)鍵信息關(guān)注程度，減少次要信息的關(guān)注度，減輕人員疲勞，提高工作效率。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文首先對所在卷煙工廠在“智慧化”卷煙廠的建設(shè)過程中生產(chǎn)線現(xiàn)場所面臨的“感知”水平較弱的問題進(jìn)行了總結(jié)分析，以示范點為例，從生產(chǎn)現(xiàn)狀、工作標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信息三個維度圍繞現(xiàn)場“感知”能力進(jìn)行了探索提升。通過現(xiàn)場感知水平的提升，員工疲勞度降低、滿意度水平提高，設(shè)備故障率及過程質(zhì)量得分顯著改善，切實有效推進(jìn)了“智慧化”工廠的建設(shè)步伐。但是，目前“感知型”示范點的打造仍在探索完善階段，還有諸多細(xì)節(jié)需要結(jié)合工廠現(xiàn)狀借鑒國內(nèi)外先進(jìn)理念和技術(shù)，打造更加具有“感知”水平的生產(chǎn)現(xiàn)場的“智慧化”工廠。

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