季 坤

(國糧武漢科學研究設計院有限公司，湖北 武漢 430079)

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

目前國內(nèi)大米加工行業(yè)具備先進技術水平的工廠只是僅僅建立了上下游各車間相對獨立的PLC/DCS控制系統(tǒng)，其生產(chǎn)單元和各個業(yè)務單元依賴于人工調(diào)度，作業(yè)流程冗長、復雜，數(shù)據(jù)交互出錯情況時有發(fā)生。大部分企業(yè)現(xiàn)在都是依靠追蹤追溯性不強、不精準、非實時的橫向聯(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知和強烈需求，需要系統(tǒng)性集成化的研究與應用[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)任務執(zhí)行效率不高，訂單響應不及時，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。

隨著計算機技術的越發(fā)成熟，把工廠內(nèi)采購、物流、加工、倉儲、銷售運輸?shù)认到y(tǒng)連接起來，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化、透明化將產(chǎn)生越來越大的經(jīng)濟價值和社會價值。

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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)化和信息化，結合大數(shù)據(jù)分析及優(yōu)秀的管理經(jīng)驗來達到生產(chǎn)管理智能化的目標。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；還能加強管理層對工廠的直接管理從而降低管理成本，加強風險管控。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)、實驗室系統(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)和運營數(shù)據(jù)為基礎、利用大數(shù)據(jù)分析手段、同時輔以人工智能對生產(chǎn)管控進行大幅度提升。

智能生產(chǎn)系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析+精細化控制+數(shù)字化管理 實現(xiàn)商務訂單至生產(chǎn)線之間的聯(lián)動，實現(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和熱待機，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，對設備進行預防性維護管理，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化運維。

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

智能生產(chǎn)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)分析和應用平臺，需要實時對接生產(chǎn)、商務等其他系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的真實性、實時性要求比較高，同時也對數(shù)據(jù)的需求種類和具體需求點提出了很多要求。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)功能的基礎上，再進行核心管理功能開發(fā)，是一個集成各種系統(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)點至少包含以下檢測和控制點：

(1)訂單總數(shù)。

(2)分批次交貨種類、數(shù)量、時間：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、關鍵設備(如碾米機、拋光機、空壓機)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)：拋光機電流、碾米機電流等。

(9)設備管理數(shù)據(jù)：設備運行時間、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)基本實現(xiàn)生產(chǎn)管理方面的無縫集成和對接，實現(xiàn)生產(chǎn)從SAP下發(fā)，生產(chǎn)結束之后數(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)和維護數(shù)據(jù)經(jīng)由智慧工廠平臺反饋回SAP系統(tǒng)內(nèi)維護部分。同時，根據(jù)銷售訂單生產(chǎn)狀況實施調(diào)整庫存，直接對接原糧采購系統(tǒng)，打通各個系統(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端授權數(shù)據(jù)讀寫等。

圖1 商務系統(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SAP系統(tǒng)、原糧采購系統(tǒng)采用BS架構，因此需要在服務器之間進行數(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)設備之間的無縫集成

(1)實現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動。多條產(chǎn)線間的全自動運營，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)對整線進行控制，實現(xiàn)產(chǎn)線間的全自動無縫切換；能夠大大減少設備空轉(zhuǎn)時間，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誤的可能性。

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

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)訂單量自動計算完成量、完成時間并匹配庫存狀態(tài)；多達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)線的控制精準度。

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

3.1 數(shù)據(jù)的傳輸模式確定

要實現(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，同時要保證各接口協(xié)議的可擴展性。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)線基礎設備數(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備進行銜接。

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

(3)Profibus-DP：控制生產(chǎn)線和需控制的自動化設備(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、米機等。

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

3.2 數(shù)據(jù)的存儲及處理設計

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

(1)建立實時、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，任何關鍵數(shù)據(jù)的變更，上一次輸入，誰做的變更和變更時間都應有記錄。

(4)任何進入系統(tǒng)進行操作的用戶都需登錄，并記錄登錄信息。

(5)用戶不允許進入或使用未授權的模塊或功能。

(6)訪問任何操作和配置功能可通過設置特定授權級別加以保護。

(7)每一個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)，打印報表。當通訊中斷時，控制可以繼續(xù)；當通信恢復時，系統(tǒng)重新回到正常步驟，沒有異常發(fā)生，設置的工藝參數(shù)沒有更改過，電子記錄里可查詢到通訊中斷和恢復的事件。②工藝員：除操作員所有的權限外，還可以修改設定值，如報警上下限。③管理員：擁有所有操作權限，如數(shù)據(jù)備份、進入維護模式，設置操作員等。

利用此技術手段，實現(xiàn)商務訂單至生產(chǎn)訂單、生產(chǎn)訂單至設備控制的直接通道，以達到節(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，打通生產(chǎn)設備、生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)報表系統(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行適應車間狀況的排程，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；生產(chǎn)進行過程中通過智慧工廠平臺完成偏差實時調(diào)整，能耗數(shù)據(jù)實時采集分析，生產(chǎn)計劃預測，設備信息實時采集等任務；生產(chǎn)結束后將訂單數(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和疏漏。

另外、還可采集車間生產(chǎn)和運營基礎數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)實現(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)量進行核算分析，實現(xiàn)日產(chǎn)能能耗分析，實現(xiàn)不同品種的能耗數(shù)據(jù)分析。

生產(chǎn)及能耗報表：管理車間各生產(chǎn)線狀況和能耗情況，關注重點設備能源消耗數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)實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，輔助工廠進行能耗分析和工藝優(yōu)化。

5 結束語

提出針對核心能力和核心業(yè)務模塊的解決方案，建立智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。在此基礎上搭建能源監(jiān)測和管理模塊、集成自動控制系統(tǒng)、實驗室系統(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、設備、備品備件)、車輛管理、設備管理，實現(xiàn)工廠的數(shù)字化運維。建立以數(shù)據(jù)驅(qū)動、技術驅(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。