基于工业互联网的稻米智能加工

蒋志荣，陈 辰

（荣业软件人工智能实验室，长沙 410001）

全球生产智能化发展风起云涌，中国作为城镇化比例接近45%且仍在持续城镇化的人口大国，“藏粮于技”已成为国策，处于农头工尾的粮食加工业承担着时代赋予的重任：降低加工损耗，满足消费升级。为此，政府倡导“杜绝过度加工，转型适度加工”，并修改了大米国家质量标准。

1 需求的产生

我国的粮食加工业有着先天不足，①实际生产中，绝大多数的中小企业，粮食的适度加工因技术上的障碍而难以落地；②加工过程中，由于缺少在线的实时质量检测，加工的精度不好掌控，直接导致过度加工；③生产一线工作环境恶劣，劳动强度大，后继乏人；④从业人员文化素质与技术素养偏低，不能适应智能化时代要求。显然新时代赋予的使命与粮食加工业的先天不足存在着巨大反差。

为了解决这一核心矛盾，行业内不少有使命感的企业与有识之士做出了许多努力与创新：为了减轻工人劳动强度，改善工作环境，创新了基于PLC的可在局域网或远程启动与关停设备，并查看工作电流以了解设备工作状态的自动化控制系统；在重要工序提升设备的数字化能力，创新了可变频的“无人值守砻谷机”；为了弥补基层工人技术能力的不足，更是创新出了具有远程操控与管理维护能力的“云色选”，等等......。

然而，面对粮食加工业使命与能力的巨大差距，这些努力与创新并没能从本质上解决这一核心矛盾。

1.1 不能实现智能控制中决定性的在线闭环

根据实时加工工艺效果，来反馈调制生产设备控制元素。任何形式的生产，工艺与产量才是加工的核心目标与唯一目的，在保证产量的前提下，每一个环节、每一道工序、每一台设备的加工工艺效果，必需是唯一的设备调控依据。

1.2 控制环节孤立且单一

粮食加工的生产过程是一个系统工程，各道工序的设备应有机配合，相互通信，单一环节的智能化或无人化，对于整个生产无异于杯水车薪。

1.3 控制参数单一

设备调控，除了决定性的依据——在线工艺检测进行闭环控制之外，设备本身控制元素的数字化与网络化亦属关键要素，远程开关机只是最基本的元素，起不到调制设备的作用，仅仅根据电流也无法形成控制决策，否则就是盲目控制，工艺效果无法得到保证，加工品质就无从谈起。

2 需求的确立

以上这些问题的出现，对粮食加工的智能化生产提出了具体要求：

2.1 实用

智能系统控制的逻辑必需是科学的，控制的依据必需是客观的，控制的节奏必须是实时的，控制的手段必需是柔性的。

控制逻辑的科学性，要求智能控制必需是在线多环闭合控制，它不仅需要设备各控制元素的在线闭环，更为重要的是需要工艺效果与设备调控的在线闭环。因此，在控制逻辑上，稻米加工的智能化生产必须建立在加工效果在线工艺检测的基础上。

控制依据的客观性则要求设备各控制元素的信息感知是可靠的，处理信息的算法是科学的，尤其要求在线工艺检测必须准确和实时。

控制节奏的实时性，要求控制闭环是在线的，也就进一步要求在线检测系统与生产设备、生产设备与生产设备之间具有毫秒级的通信能力。因此，车间内的各生产节点、各在线检测机器人必需是联网的。

控制手段的柔性化则要求智能控制必需是以在线工艺检测为核心基础的精细化调制：砻谷机淌板始终对准两胶辊间，辊压以100 Pa的精度调节，电流的瞬间波动控制在0.1 A以内等等。

2.2 适用

智能化生产最终的落地，必须适应粮食加工的各种复杂现场环境，并能从两个方面显著改善目前加工行业现状：极大程度降低损耗，显著提高得米率；满足大米适度加工需求，提高品质，促进大米消费升级。

2.3 好用

不仅促进行业人员的技术能力升级，而且在当前行业一线生产工作人员技术素质偏低的条件下，妥善解决智能系统的操作、管理及维护的问题。

满足这些需求的唯一实现手段是：以稻米加工智能工厂为基础，构建基于工业互联网的稻米智能加工共享平台。

3 平台的构建

平台构建以“稻米加工智能工厂”为单元，一个单元即为一家稻米加工企业，其本身已实现了智能化生产，其中包括稻米加工效果在线工艺检测系统、车间内工业互联网、工厂内部云平台、传统生产设备的智能化改造与升级、设备的智能化控制（相关文章请参阅本刊2019年“人工智能+粮食加工”专栏，全年六期共六篇文章）。

（1）通过稻米加工车间内工业互联网将稻米加工生产线上的去石机、砻谷机、碾米机、色选机、抛光机、配米秤等生产设备与稻米加工在线工艺检测系统连结成工厂内生产局域网；再通过生产局域网将设备的运行传感信息与各道工序的加工工艺效果检测数据传送至工厂内智能控制平台服务器，即工厂的“内部云服务器”；内部云服务器通过有线数据网络或者5G网络与公网连接，并在边界架设VPN加密客户端，其拓扑图如下：

图1 生产局域网拓扑图

工厂内部云服务器从各道工序的加工设备上获取设备的运行信息，这些信息是实时的，包括：砻谷机的两辊线速度及线速度差、辊压、下料淌板与胶辊外切线距离差、砻谷机的工作电流、入料流量；碾米机的入料流量、碾米机工作电流、碾米机碾米室压力；抛光机的工作电流、抛光室的压力、抛光室的湿度及入料流量等。

工厂内部云服务器从在线工艺检测机器人获取各道工序的加工工艺数据，这些数据是实时的，包括清杂去石工序，去石效果、副产品的带出率；砻谷工序，脱壳率、碎糙米率、未熟粒率及净糙米中含谷率；碾米工序，各道碾米的达标率、过碾率、碾米不足率、碎米率、小碎米率、碾减率、留皮率及留胚率；色选工序，黄粒米率、病斑率、垩白率、重度垩白率、留皮率、留胚率及带出率；抛光工序，碎米率、抛光达标率、抛光不达标率及过抛率；成品工序，留胚率、留皮率、黄粒米率、病斑率、碎米率、小碎米率、垩白率及重度垩白率等。

（2）构建稻米加工远程生产操作与工业互联网：在公网上架设中心管理服务器，通过中心端VPN经各工厂客户端VPN与各稻米加工工厂内部云服务器连通，智能终端则通过软件VPN经中心端VPN与中心管理服务器连通，通过VPN加密处理，所有联入系统的各稻米加工企业、中心管理服务器、各智能终端组成一张虚拟专网，其拓扑图如下：

（3）中心管理服务器对所有虚拟专网内设备和通信进行管理，包括各工厂内部云服务器与各智能终端的标识、标识管理与存储、标识解析以及通信转发，但中心管理服务器并不存储工厂内生产设备的运行信息与在线工艺检测数据。

图2 远程生产操作及工业互联网拓扑图

每个稻米加工企业的内部云服务器的主板、网卡、硬盘的序列号均通过散列函数加密方式存储在中心管理服务器，每台智能终端（包括平板电脑、智能手机、PC）的序列号与标识码也通过散列函数加密方式存储在中心管理服务器，每台内部云服务器与智能终端标识信息均通过手工方式在中心管理服务器上添加，中心管理服务器不支持自动添加方式。稻米加工企业内部云服务器启动工作时，自动向中心管理服务器发出连接请求，请求信息中包含本设备的标识数据，连接信息经VPN加解密认证通过，中心管理服务器从存储列表提取信息与连接请求信息进行比对，经确认后建立连接。

同样地，智能终端启动工作时，遵循以上方式与中心管理服务器建立通信连接。每台智能终端与所需连接的稻米加工企业内部云服务器之间为一一对应关系，即“一工厂”的智能终端只能与“一工厂”的内部云服务器建立通信，但不能与“二工厂”或者其它工厂的内部云服务器建立通信连接。

（4）稻米加工企业内部云服务器与对应的智能终端在经过认证并连入VPN专网后，智能终端与工厂内部云服务器之间建立通信，两者之间的数据传输均经过对称加密，而对称加密的密钥则经非对称加密以数字信封送达。

（5）智能终端从工厂内部云服务器上获取工厂内生产设备运行信息与在线工艺检测数据，并生成相应的趋势图，这些趋势图分工序产生，并将对应的设备运行各参数趋势图与加工工艺检测各参数趋势图进行比较：

①依据在线工艺检测数据，远程调制对应工序设备的相应控制元素；②依据在线工艺检测数据趋势图与设备运行参数趋势图对比，可以判断来料水分、分级变化情况，并做出相应的设备调制；③依据在线工艺检测数据趋势图与设备运行参数趋势图对比可以判断设备工作性能与是否存在故障情况，并采取相应措施。

4 应用举例

平板电脑P充当智能终端，其访问权限对应于稻米加工企业A的内部云服务器Af，通过VPN与中心管理服务器认证之后，P与Af建立连接并通信，P从Af上获取A的最末道（终碾）碾米机（不局限于某一道碾米，更不局限于某一道加工工序）碾米室压力、入料流量、工作电流等实时运行数据；并且，P从Af上获取A的终碾的留胚率、留皮率、碎米率、达标率、碾减率等在线工艺检测数据；并生成运行参数与工艺参数的趋势对比图：

（1）当各参数趋势图类似于图3、图4、图5、图6般平稳，则表明终碾工序碾米机工作正常，加工工艺正常。

（2）当图3、图4、图6如上平稳，图5曲线明显下降，则表明来料水分升高，碾米室压力需要调整（增加），在P的界面上远程调节A的终碾碾米机的碾米室压力，以保证终碾目标精度。

（3）当图3、图4、图5如上平稳，图6曲线明显向上，则表明来料分级，粒型发生变化，碎米增多，但无需调整设备。

（4）当图4如上平稳，图3曲线明显向上，图5曲线略有向上，图6曲线明显向上，则表明碾米机米刀需要调整。

（5）当在P界面上远程主动调整A的终碾碾米机控制参数后，图3、图4、图6均明显向上，而图5向上趋势不明显，则表明碾米机砂辊需要更换。

图3 碾米室压力

图4 电流值

图5 留皮率或留胚率

图6 A2碎米率趋势图

（6）此外，P可以从Af获取A任何一道工序在线检测样本原始图像。

其它工序、其它设备与此类同，平板电脑充当智能终端时的管理界面如图7。

图7 平板电脑充当智能终端时的管理界面

5 意义与价值

稻米加工智能工厂能带来广大中小加工企业的生产力的提高与经济效益的提升，降低加工损耗，减少加工浪费，显著增加得米率；促成适度加工落地，提升加工品质，适应消费升级；基于工业互联网的稻米智能加工平台就是一个资源共享、技术共享、信息共享、市场共享的大数据整合共享平台，它会促使智能工厂实现对行业生产力的提升：

（1）实现真正的无人工厂（仅需设备维修工人），解决后备劳动力严重不足问题，使行业获得可持续发展能力。

（2）摆脱企业因人员的流动带来的生产不稳定因素，智能系统会找到设备的最佳工作状态，并完成生产的精准闭环控制。

（3）解决当前加工企业一线人员对智能系统的操作使用、维护与管理方面技术能力的不足，并促成行业劳动力结构升级。

（4）平台大数据可直接反映当年各地、各品种的加工属性，并不断优化各品种加工工艺。

（5）在平台上，加工企业即可获得技术共享，更可以解决自身创新能力不足的问题。

（6）走进平台，就相当于加入到智能时代的技术联盟，加工企业获得相对于同行的巨大竞争优势。

进一步将平台延伸至to C或与to C平台对接时，即实现完整的稻米加工“智能制造”：消费者或大客户通过to C平台下单，加工企业最终完成“按单生产”向“按需生产”转换，而这个流程则是全智能化流程。