李軍學(xué)，梁永宏

（廣州中浩控制技術(shù)有限公司，廣州 510070）

0 引言

化妝品的產(chǎn)品質(zhì)量和人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，近年來，政府一直在加強對產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管。在2022 年，國家藥監(jiān)局發(fā)布了《化妝品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》，其核心內(nèi)容是全面質(zhì)量管理［1］。同時，國家藥監(jiān)局不定期對生產(chǎn)企業(yè)進行飛行檢查。因此，化妝品生產(chǎn)企業(yè)普遍面臨合規(guī)性的要求。

隨著電商平臺、直播帶貨等新銷售模式的興起，高度的個性化定制和打造自主品牌是化妝品行業(yè)發(fā)展的趨勢。生產(chǎn)方式從大批量、捆包制向小批量、單件流方向發(fā)展，訂單越來越小、交期越來越短，生產(chǎn)管控是今后化妝品行業(yè)生產(chǎn)面臨的難題［2］。

目前全國有近5 000 家化妝品生產(chǎn)企業(yè)，市場競爭激烈。但國內(nèi)高端市場仍被國外化妝品企業(yè)占領(lǐng)，國內(nèi)化妝品生產(chǎn)企業(yè)仍以中小企業(yè)為主。近些年，隨著人工、原料、能源等成本不斷攀升，如何不斷提高效率，降低運營成本，是企業(yè)的迫切要求。

數(shù)字化車間是以現(xiàn)代化信息、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、自動識別等技術(shù)為基礎(chǔ)，通過智能化、數(shù)字化等手段，對人、機、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素進行全面管控，是工業(yè)4.0的重要基礎(chǔ)［3］。數(shù)字化車間不僅可以實現(xiàn)硬件和軟件之間的信息互通，還能實現(xiàn)各硬件之間、軟件之間的互聯(lián)互通［4］。數(shù)字化車間具有鮮明的行業(yè)特點。具體到化妝品行業(yè)，它可以幫助企業(yè)適應(yīng)多品種、小批量的柔性生產(chǎn)要求，并不斷降本增效。目前，廣大化妝品生產(chǎn)企業(yè)對打造數(shù)字化車間、實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級具有強烈的需求。但是，大量的中小企業(yè)又面臨著預(yù)算有限、IT人才匱乏等問題。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，為車間數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了實現(xiàn)途徑［5］。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有高性價比、易于擴展、維護簡單等優(yōu)勢，因此非常適合化妝品行業(yè)數(shù)字化車間的建設(shè)。

本文提出通過貫徹“互聯(lián)網(wǎng)＋智能制造”的設(shè)計理念［6］，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合化妝品行業(yè)的生產(chǎn)特點，構(gòu)建一個覆蓋各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)大數(shù)據(jù)信息的化妝品數(shù)字化車間，并滿足行業(yè)需求。

1 工藝特點與要求

不同行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，相應(yīng)的生產(chǎn)工藝、自動化程度和管控要求也差異較大。因此，構(gòu)建數(shù)字化車間，必須結(jié)合行業(yè)生產(chǎn)特點進行分析。

1.1 典型生產(chǎn)工藝

一個典型的化妝品生產(chǎn)過程包括多個主要步驟，如圖1 所示。

圖1 化妝品典型生產(chǎn)工藝

化妝品的原料在檢驗合格后，根據(jù)生產(chǎn)計劃要求，由原料倉發(fā)運到乳化車間。在乳化車間，首先在拆包間拆除物料外包裝，使物料進入潔凈區(qū)。接著在稱量間按照配方進行物料的稱量。稱量好的物料按照乳化計劃，分別運往不同的乳化反應(yīng)釜。在乳化反應(yīng)釜中，進行攪拌、加熱等操作，通過物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生半成品。半成品進一步在靜置間進行靜置，經(jīng)檢驗合格后進入灌包車間。灌包車間通常包含多條生產(chǎn)線，依據(jù)灌包計劃，接收半成品和包材，進行半成品的灌裝和外包，最終形成成品。包裝好的成品經(jīng)檢驗合格后進入成品倉儲存，再依據(jù)發(fā)運計劃進行后續(xù)發(fā)運。

從整個生產(chǎn)過程看，化妝品生產(chǎn)過程屬于批次配方生產(chǎn)過程，一種化妝品的生產(chǎn)有時需要數(shù)十種原料［7］。產(chǎn)品種類多，批量少，特別是一些OEM企業(yè)，可以有上千種產(chǎn)品配方，生產(chǎn)管控復(fù)雜。

1.2 主要管控需求

在整個生產(chǎn)過程中，會牽涉到不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和人員，并將產(chǎn)生不同的管控需求。

（1）原料、包材倉。需要及時接收物料，關(guān)注物料批次、品名、數(shù)量、質(zhì)檢狀態(tài)、有效期、供應(yīng)商等信息，記錄收貨、檢驗、入庫、分揀、盤點等過程。

（2）拆包。需要記錄拆包消殺過程，實現(xiàn)物料標簽的轉(zhuǎn)印。

（3）稱量。重點關(guān)注基于配方合規(guī)稱重，記錄稱量過程。

（4）乳化?；谏a(chǎn)計劃和配方，需要指導(dǎo)現(xiàn)場工人嚴格按照規(guī)范進行生產(chǎn)，包括生產(chǎn)投料復(fù)核、自動加料、標準工藝參數(shù)下載、參數(shù)記錄、半成品賦碼稱重等，并形成詳細的批過程記錄。

（5）靜置。需要記錄半成品的靜置時間，管理質(zhì)檢過程，維護半成品質(zhì)量狀態(tài)和庫存信息。

（6）灌裝、包裝。對包材、半成品進行嚴格的核對，對成品賦碼，記錄設(shè)備績效、產(chǎn)量和包裝層次等信息，反饋生產(chǎn)進度。

（7）容器。需要對容器清潔狀態(tài)等信息進行管控。

（8）成品倉。需要及時發(fā)運成品，并關(guān)注成品批次、數(shù)量、質(zhì)檢狀態(tài)、有效期等信息，記錄入庫、分揀、盤點、發(fā)運等過程。

設(shè)備是企業(yè)的重要資產(chǎn)，其狀態(tài)直接影響生產(chǎn)效率。要確保設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，設(shè)備運維部門需要了解設(shè)備的實時狀態(tài)和績效［8］，并對設(shè)備的巡檢、保養(yǎng)等活動進行規(guī)范和管理。同時，根據(jù)國家規(guī)范要求，化妝品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對倉庫、車間的環(huán)境進行管控，包括溫濕度、空氣潔凈度等參數(shù)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著綠色發(fā)展的理念越來越深入人心，不斷節(jié)能降耗是企業(yè)追求的目標。對各種能源進行有效管理，也正成為企業(yè)的剛需。對于化妝品企業(yè)管理人員來說，其更傾向于以直觀、實時、生動的模式，來了解整個車間的總體概況，包括采購、生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、銷售、財務(wù)等綜合信息，進而制定相應(yīng)的生產(chǎn)計劃，并及時對生產(chǎn)中的各種異常進行響應(yīng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于以上這些需求，整個化妝品行業(yè)數(shù)字化車間的總體架構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 化妝品行業(yè)數(shù)字化車間總體架構(gòu)

整個數(shù)字化車間基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行構(gòu)建，集成了各種軟硬件設(shè)備，從下到上可以劃分為5 個層次。

最底層是設(shè)備物理層，由各種現(xiàn)場設(shè)備組成，包括乳化反應(yīng)釜、灌包線、立體倉、AGV、電子秤和儲罐等設(shè)備。對應(yīng)這些物理設(shè)備，主要通過對物理模型的抽象和映射，建立對應(yīng)設(shè)備類的通用數(shù)字模型，包括常用設(shè)備參數(shù)、控制邏輯等［9］，進而可以快速建立企業(yè)的實體模型。

第2 層是設(shè)備的監(jiān)視與控制層，該層中的FAS（Factory Automation System）系統(tǒng)主要包含PLC、設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)、各種智能儀表和IoT 現(xiàn)場單元等硬件設(shè)備，可直接對設(shè)備進行控制，完成控制邏輯［10］。該層中的SCADA系統(tǒng)，主要以人機界面的方式，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、報警處理、圖形監(jiān)視、曲線分析和操作報表查看等功能，其中數(shù)據(jù)采集技術(shù)是構(gòu)建數(shù)字化車間的基礎(chǔ)［11］。

第3 層是業(yè)務(wù)管理層，該層主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、倉儲管理系統(tǒng)WMS、能源管理系統(tǒng)EMS、公共服務(wù)系統(tǒng)和實驗室管理系統(tǒng)LIMS。其中的MES 系統(tǒng)，專門針對化妝品行業(yè)設(shè)計，包括物料、配方、工藝、批次、批記錄、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、容器管理等功能，能夠覆蓋化妝品的完整生產(chǎn)過程，指導(dǎo)工人嚴格按照工藝配方和生產(chǎn)計劃進行規(guī)范生產(chǎn)；EMS 系統(tǒng)則能夠?qū)λ㈦?、氣等能源進行計量，并結(jié)合行業(yè)工藝進行能源分析［12］；而公共服務(wù)系統(tǒng)，則可以對環(huán)境和安防進行集中管理，以滿足法規(guī)監(jiān)管要求；LIMS 對實驗室的質(zhì)量檢驗活動和質(zhì)檢結(jié)果進行統(tǒng)一管理［13］。

第4 層是經(jīng)營管理層，該層主要包括PLM、ERP、APS和OA等系統(tǒng)，主要負責(zé)管理企業(yè)的經(jīng)營活動。其中的PLM系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品的研發(fā)；ERP則可以提供采購、銷售、財務(wù)、計劃等功能；APS 系統(tǒng)主要用于解決生產(chǎn)排程和調(diào)度問題［14］。

第5 層是數(shù)據(jù)展示層，該層主要基于VR 和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對各種數(shù)據(jù)進行匯總，并以看板、3D數(shù)字孿生系統(tǒng)、報表等形式進行綜合展示，使管理人員對總體經(jīng)營狀況一目了然。

采用以上架構(gòu)，構(gòu)建的數(shù)字化車間一方面能夠滿足化妝品的主要生產(chǎn)管控要求，同時具有很好的層次結(jié)構(gòu)，便于企業(yè)按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”的模式，構(gòu)建數(shù)字化車間。企業(yè)可以根據(jù)各自的發(fā)展階段和實際情況，分階段實施其中的部分或全部系統(tǒng)，以減少實施風(fēng)險。

3 網(wǎng)絡(luò)與硬件架構(gòu)

整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與硬件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 化妝品行業(yè)數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)與硬件架構(gòu)

3.1 化妝品行業(yè)云平臺

整個數(shù)字化中的核心軟件部分——化妝品行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，部署在公有云端，并以SaaS的形式對企業(yè)提供服務(wù)。云平臺內(nèi)置并充分集成多種軟件，實現(xiàn)化妝品行業(yè)的常用軟件功能，企業(yè)可以較低的成本，按需租用。管理人員通過Web 等形式，直接訪問各種關(guān)鍵的運營數(shù)據(jù)。對配方等敏感數(shù)據(jù)，云平臺專門進行了加密存儲，并設(shè)定了嚴格的訪問權(quán)限，以確保數(shù)據(jù)安全。

在現(xiàn)場的PDA 等操作終端，則運行著數(shù)十種工業(yè)App，如拆包、稱量、投料、報產(chǎn)、取樣質(zhì)檢等App，并支持生產(chǎn)人員的日常操作。

考慮到企業(yè)的實際情況，如部分企業(yè)之前已在本地單獨部署了ERP等IT系統(tǒng)，云平臺也內(nèi)置了集成工具，可以快速實現(xiàn)本地IT系統(tǒng)與云平臺的集成交互。

3.2 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與硬件

考慮到化妝品行業(yè)的需求，關(guān)于現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)計選型，主要遵循以下原則。

（1）工業(yè)通信無線化

在化妝品的潔凈車間內(nèi)部，布線麻煩，施工和維護成本高，此時無線通信具有很大優(yōu)勢。因此對各種現(xiàn)場設(shè)備，盡量采用無線接入，在保證通信穩(wěn)定性的同時，可以大幅節(jié)約成本。

（2）硬件設(shè)備模塊化、輕便化

相比于傳統(tǒng)固定的工業(yè)PC，PDA等移動作業(yè)設(shè)備具有攜帶方便、不需安裝和布線的優(yōu)點，同時一個PDA可以方便地管理多個設(shè)備，因此在現(xiàn)場以移動作業(yè)設(shè)備作為主要的操作終端。

針對行業(yè)特點，可以進一步配套通用移動稱量車、乳化操作站等硬件，以及IoT 采集和通信等模塊。其中的IoT采集模塊，主要用于設(shè)備、能源、環(huán)境等參數(shù)的采集；而IoT通信模塊，則主要負責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和智能設(shè)備的接入，該模塊內(nèi)置了化妝品行業(yè)常用的接口驅(qū)動庫，可以便捷地接入現(xiàn)場設(shè)備。

通過以上設(shè)計，數(shù)字化車間的軟件功能可以即開即用，通過租用、配置方式進行快速實施；而現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與硬件則可以工程化快速部署。

傳統(tǒng)IT建設(shè)模式，是采用各系統(tǒng)獨立購買、本地部署、集成、本地運維的模式。打造數(shù)字化車間難度大，項目周期長，企業(yè)成本很高。而基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以使企業(yè)數(shù)字化車間的建設(shè)運維成本和實施周期大幅降低，為化妝品企業(yè)特別是中小企業(yè)建設(shè)數(shù)字化車間提供了可能。

4 數(shù)據(jù)集成與展示

數(shù)字化車間需要實現(xiàn)互聯(lián)互通、融合共享、系統(tǒng)集成［15］，整個數(shù)字化車間的建設(shè)涉及到云平臺中的多個軟件系統(tǒng)。這些軟件系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互需要清晰規(guī)劃，并成分集成，以共同配合完成相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程［16］。

4.1 主要數(shù)據(jù)流

（1）ERP與MES間的數(shù)據(jù)交互

ERP系統(tǒng)可以將物料、配方、工藝、設(shè)備等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳遞給MES系統(tǒng)，同時將生產(chǎn)計劃推送到MES 系統(tǒng)。MES系統(tǒng)負責(zé)將工單進度、生產(chǎn)實績、物料消耗情況、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量結(jié)果等信息反饋給ERP系統(tǒng)。

（2）PLM與ERP間的數(shù)據(jù)交互

PLM 系統(tǒng)將產(chǎn)品配方、工藝等數(shù)據(jù)提供給ERP 系統(tǒng)，ERP 系統(tǒng)將產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋給PLM 用于工藝改善。

（3）APS與ERP間的數(shù)據(jù)交互

ERP系統(tǒng)提供計劃、產(chǎn)能、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)給APS系統(tǒng)，APS進行排產(chǎn)運算，將排產(chǎn)結(jié)果反饋給ERP系統(tǒng)。

（4）WMS與MES及ERP間的數(shù)據(jù)交互

ERP系統(tǒng)將庫位、采購計劃、銷售計劃等信息推送給WMS系統(tǒng)，WMS 系統(tǒng)進行物料的接收、發(fā)運、盤點等操作，并將實時庫存信息反饋給ERP、MES 系統(tǒng)［17］。同時MES 系統(tǒng)將領(lǐng)料計劃和成品入庫單推送給WMS，進行生產(chǎn)領(lǐng)料和成品入庫。

（5）MES與SCADA間的數(shù)據(jù)交互

MES從SCADA 系統(tǒng)讀取設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)等實時數(shù)據(jù)，并將標準的工藝參數(shù)經(jīng)SCADA系統(tǒng)下發(fā)，以控制現(xiàn)場設(shè)備運行。

（6）EMS與SCADA和MES間的數(shù)據(jù)交互

EMS從SCADA 系統(tǒng)讀取能耗設(shè)備狀態(tài)、能耗參數(shù)等實時能耗數(shù)據(jù)，并從MES系統(tǒng)獲取生產(chǎn)計劃和產(chǎn)量信息。EMS系統(tǒng)通過對這類數(shù)據(jù)的匯總，產(chǎn)生相應(yīng)的單位產(chǎn)品能耗等KPI數(shù)據(jù)［18］。

4.2 系統(tǒng)集成工具

集成工具支持對數(shù)據(jù)交互觸發(fā)條件的定義，并在后臺不間斷運行。對所有的數(shù)據(jù)交互進行日志記錄，以確保交互的完整性。

通過系統(tǒng)集成工具，可以方便地進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)集成工具支持以圖形化的方式對接口進行配置和編輯，并提供多種接口形式，包括Web API、XML 文件、CSV文件、MSMQ、TCP等，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)集成工具

4.3 數(shù)據(jù)展示

將IT與OT數(shù)據(jù)進行充分融合，結(jié)合車間的3D 模型，數(shù)字化車間可以多種直觀的方式進行數(shù)據(jù)展示［19］。以數(shù)字孿生系統(tǒng)為例，它將來自生產(chǎn)現(xiàn)場的各種實時數(shù)據(jù)，與生產(chǎn)計劃、工單進度等運營數(shù)據(jù)，使用戶沉浸式地進入數(shù)字化生產(chǎn)車間［20］，一目了然地了解整個車間的生產(chǎn)運營情況，如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)展示實例

5 結(jié)束語

本文提到的數(shù)字化車間已在多個化妝品企業(yè)順利構(gòu)建。它可以完整覆蓋企業(yè)的整個生產(chǎn)加工過程，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，確保產(chǎn)品質(zhì)量，并滿足行業(yè)的質(zhì)量管控要求。同時，由于采用層次化的系統(tǒng)架構(gòu)，多系統(tǒng)間緊密配合，數(shù)據(jù)無縫集成，企業(yè)可以分階段、分步驟穩(wěn)步推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)據(jù)的充分集成，以及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)計，使數(shù)字化車間的構(gòu)建成本和工期大為降低，為化妝品行業(yè)大規(guī)模推廣設(shè)數(shù)字化車間建設(shè)提供了可能。

未來，在為企業(yè)獨立建設(shè)數(shù)字化車間的基礎(chǔ)上，可以進一步對行業(yè)數(shù)據(jù)進行匯總分析，通過行業(yè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)企業(yè)不斷對標，實現(xiàn)持續(xù)降本增效。