面制食品数字化车间应用

吴亚平 王麟琨 方毅芳 刘刚

摘 要：针对食品加工从机械化向数字化、网络化、智能化发展的趋势，以馒头加工为主的面制食品车间为例，提出三层架构的数字化车间方案，通过工业网络将工艺生产、排产调度、计划管理集成起来，实现可灵活配置的定制化高效生产;通过现场采集设备的数字化，提供足够多的生产和质检信息，除可进行辅助决策工艺改进、提高产品质量外，还能实施全产品生命周期的产品追溯，确保食品安全。

关键词：面制食品;数字化车间;数据采集;生产执行;追溯

Abstract：Aiming at the development trend of food processing from mechanization to digitization， networking， and intelligence， taking steamed bun processing as an example， a three-tier digital workshop program is proposed， and the process production， Production scheduling and plan management are integrated to achieve customized and efficient production that can be flexibly configured; through the digitization of online data acquisition equipment， sufficient production and quality inspection information is provided， in addition to assisting decision-making process improvements and product quality improvement， It can implement product traceability throughout the product life cycle， and ensure food safety.

Key words：Flour-made food; Digital workshop; Data acquisition; Production execution; Traceability

中图分类号：TS213.2

随着新一代信息技术的发展，作为传统行业的食品加工也正经历着数字化、网络化、智能化改造升级。先进的食品加工生产线采用温度、湿度、成分、速度等多種传感器及先进的控制技术，过程参数可根据工艺要求精确设定、稳定保持，在发扬传统优良工艺的同时更能提高产品品质与口感、丰富产品品相与风味。

基于数字化技术深入研究食品加工条件、组分结构变化、食品品质功能特性三者的关联性，寻找出可以精准调控品质的理论、途径与方法，最终按照目标食品品质功能特性的需求实现食品的精准调控与高效制造[1]。以馒头为代表的面制食品为我国北方广大人民所喜爱，改进与提高面制食品的数字化生产将能更好满足人民群众的需求。

1 数字化车间架构

面制食品数字化车间以生产线为基础，以馒头为例包括加水系统、立式和面机、倒料机、切割输送机、压片机、纵向切割机、卷滚机、横向切割机、自动摆盘机、成品输送机、醒发汽蒸、冷却机和自动包装机。醒发段主要由电气控制，温度测量靠压力温度计，由其自身的电接点将温度的变化转化成电信号，控制电磁阀门以达到控制进气量的目的，并根据季节温湿度进行调节，控制醒发室内的温湿度均匀，满足工艺要求[2]。以网络为连接，数字化车间通常采用三层架构，顶层负责实时管控整个生产工艺流程、生产配方与生产参数的调整，中层是生产车间能够进行内部数据交换和外部数据对接的通讯网络，其网络传输的速率较快，并且通讯接线方式较为简单，通讯的距离较远，底层是针对工艺中细节化的流程处理，包括对和面机、轧面机、切割机以及流水线的工艺控制，需要一定的人机交互控制设备，能够实时调控工艺参数[3]。基于这一思路本文提出面制食品数字化车间架构如图1所示。

生产现场层包括了生产加工所必须的各种基础设施和设备，其中网络和信息基础设施是承载数字化车间业务运行和信息集成的基础，数字化生产加工设备是执行加工、检验、物料运送等任务和反馈的终端，还包括车间人员和工位的管理。面制食品数字化车间采用的数字化设备和工业软件组成生产加工系统，自动进行信息动态采集和命令实时执行，包括承担物料运送、加工、传感、检验、包装、显示等任务的各种设备。生产加工中用到的物料、产品、载具及相关操作等虽不具备直接数字化通信能力，但可借助条码、RFID等技术进行标识，参与加工过程并与系统进行自动或半自动交互。系统的各个环节，可通过设备联网（有线和无线）实现生产加工过程的透明化，并可通过电子看板对数据进行集中展示。生产运行层一方面可实现生产计划、工艺执行、质量管理、现场管理、统计分析等功能，以便对生产过程中的各类业务、活动或相关资产进行管理，实现车间加工过程的数字化、精益化及透明化;另一方面可通过集成下层控制系统和上层信息管理系统，构成智能化的生产加工系统，并建立起对应的数据采集网络与数据应用系统。数字化车间将与企业资源管理、产品设计、服务与支持等环节通过工业网络形成有机整体。

2 数据采集

为实现面制食品的智能制造，生产现场加工工序应实现数字化，即生产数据、质检数据、环境数据和设备数据能通过数字网络（有线或无线）上传至运行/管理层（MES/MOM），生产设备能接收、执行通过数字网络下传的指令、并能根据工况和环境进行自动调整。且在遵循一定通信协议的情况下使设备通用性更强。

对于面制食品数字化车间，数字化采集设备能实现以下功能：①通过智能感知和自动检测，对各种生产作业数据和质检参数进行数据采集。②对生产过程进行信息化管理，为企业提供决策支持以纠正和改进加工过程。同时，可对生产过程的错误进行报警，将企业损失降到最低。③对产品质量进行检测，对测量值进行实时分析，建立安全双向追溯系统，从而快速定位质量问题。④对生产设备和工具定期检查，跟踪和指导作业活动，对突发问题可响应和报警，对问题进行诊断和记录，以便后续追踪。⑤通过传感器、RFID、智能终端及网络实现对车间运行数据的动态采集。

车间或监控室大屏幕连接到主网，同时通过终端大屏上的浏览器连接到应用服务器。生产加工数据、检测数据、KPI数据可通过工业通信网络由生产运行系统自动进行传感器报文读取，也可根据需要和系统配置以常见格式進行文件传输（如EXCEL文件），当车间存在不同通信协议时，将通过开放软件接口（如OPC UA）进行数据读取，以便于质量数据和成本数据的实时分析。原辅料、产品、载具等的赋码信息可通过手持或固定式扫描器进行采集，通过网络（有线或无线）上传至生产运行系统。第三方检测和质检数据可以常见格式（如PDF文件）上传至系统数据库作文件保存，也可分解其中的数据直接导入数据库作进一步分析。

生产现场的各类数据，如生产进度、工时统计、质量状况、设备运行状况等，在经过数据中心的组织梳理后，可以根据需要的样式，以报表、统计图等方式在监控大屏上进行展示，实施反映车间的生产状况，便于生产主管及时掌握作业情况。数字化车间部署的视频监控系统主要对现场仓库、关键设备进行24 h不间断监控，保证车间现场操作的安全、有序，保证生产效率的充分发挥。同时，视频资料可按需要保存3～6个月，保证车间活动情况可追溯。除了通常的视频查阅与回放功能外，数字化车间还部署了视频分析系统，通过画面智能分析，对异常情况及时做出判断，向相关人员做出预警，以便迅速采取应对措施，减小影响。

3 产品追溯

面制食品数字化车间将实现食品质量安全顺向可追踪、逆向可溯源、风险可管控，发生质量安全问题时产品可召回、原因可查清、责任可追究，保障食品质量安全。产品追溯管理体系涵盖车间生产的各个环节，包括原材料厂、工艺执行、车间物流与仓储、生产加工过程、包装与装配、车间检测等生产环节。数字化车间质量管理与追溯信息与外界的信息交流主要包括两方面：①从纵向管理层级，车间质量管理与追溯管理信息将服务于企业管理层的质量管理与产品追溯管理，并进一步向国家、行业即食品追溯管理平台提供企业基础数据。②从横向价值链过程，与企业管理层中的订单管理、销售管理、物流管理信息紧密关联。企业收到订单信息后，开始进行厂外原材料采购、配送等活动，之后原材料进入生产车间;成品检测后进入厂外配送环节，并实时采集物流配送数据、形成销售信息传递给企业管理层。

面制食品的质量管理与追溯体系涵盖生产车间内、外不同系统、生产环节的数据采集与监控。并可根据实际情况增加其他模块。其中，生产现场层包括了数字化车间生产制造所必须的各种基础设施、数字化设备、数字化工序管理，是承载数字化车间业务运行和信息集成的基础，通过车间基础设施、数字化设备与工序管理实时采集车间现场质量管理与现场追溯管理的各类数据。生产执行层包括了车间产品追溯的核心流程与管理措施，并建立与生产现场执行管理、企业资源管理系统相连接的产品追溯系统，并为相关方提供追溯信息。面制食品数字化车间的产品追溯信息是全供应链产品追溯信息的一部分，数字化车间产品追溯信息满足了跨软件系统的追溯信息集成，实现正向与逆向追溯，包括：①消费者。基于单个产品的正向产品追溯。②监管者。基于批次产品的双向产品追溯。③生产者。基于单个、批次产品的双线产品追溯，以及生产环节的内部流程信息追溯。

4 结语

本文讨论的面制食品数字化车间在合肥某食品公司进行了实施，统计表明，面粉处理量由原来的10 t/天提高到30 t/每天，并能满足面制食品加工多品种小批量的柔性化生产特征，增加了产品品相，通过全链的产品追溯满足了食品安全监管要求，增强了消费者的信任度。因此，通过实施面制食品数字化车间改造，建立适应生产的网络架构，提高现场设备数字化率，完善数字化产品追溯体系将有力推动食品行业以智能制造带动产业升级，满足人民群众对更安全更好吃更多样的食品消费需求。

参考文献：

[1]王强，石爱民，刘红芝，等.食品加工过程中组分结构变化与品质功能调控研究进展[J].中国食品学报，2017，17（1）：1-11.

[2]丁建军.馒头的工业化生产技术与设备[J].粮食加工，2013，38（4）：45-46，48.

[3]黄旭钊.食品生产线的计算机控制系统设计与实现[J].山东工业技术，2019（2）：142.