食品生产车间的数字化改造

张振芳，王林军，姜亚丽，冯腾飞

(1.国机工业互联网研究院有限公司 创新推广中心，河南 郑州 450007；2.三全食品股份有限公司 人力资源部，河南 郑州 450053)

随着信息化时代的到来，数字化体系逐渐成为多种生产类行业的发展趋势，行业竞争的加剧导致大多数企业对自动化、智能化升级的需求越来越高。食品加工业是我国生产性行业的重要组成部分，牵系着人民的健康问题，而针对食品加工过程的生产管控尤为重要。调研发现，传统的食品加工行业目前仍采用下位机与上位机相互配合的简单管控模式，生产数据无法得到有效监控与应用，难以满足数字化转型的实际需要。

本文以物联网技术为基础，将实体设备数据联接入网，结合三维建模理念，搭建对应于实体设备的虚拟模型，形成数字孪生的可视化车间运营管控方案，以提升食品生产的安全水平，加速产业向数字化转型升级。

1 数字孪生技术

传统的自动化生产车间对生产过程的管控能力较差，缺乏针对设备故障的预测性分析，生产数据的应用不充分，实时生产数据的可视化监控能力较弱，存在一定的安全隐患。随着美国工业互联网、德国工业4.0及中国制造2025等国家发展战略的问世，智能制造已成为多个行业发展的趋势和目标[1]。数字孪生技术的引入可显著提升企业的数字化程度，而产业数字化的焦点正是融合不同的组织系统，充分利用生产数据，形成完善的信息化系统。

数字孪生技术采用数字化镜像物理车间，通过物联网技术将现场的实时生产数据映射至搭建的孪生模型中，进而驱动孪生模型，实现对车间实体对象的有效监控、分析和计算[2]。它是数字化解决方案中一种新的概念，也是在虚拟环境中通过实时反映实际场景的问题，达到对实际场景有效管控的一种途径。将数字孪生理念与安全管理办法相结合，搭载物联网、机器学习、大数据分析等技术，构建虚拟车间场景和实际车间场景的孪生体，覆盖从材料选取、配方制作、生产加工、成品包装和成品出厂等产品生命周期中各个工艺区间，能够实现虚实场景中数据的实时关联[3]。

2 智慧运维系统总体架构

本文以某食品加工车间为例，依托物联网技术，以数字孪生系统作为可视化载体来建立完备的车间智慧运维系统。该系统应聚焦于机器设备的运维管理过程，根据实际车间场景在虚拟的三维空间搭建仿真模型，融合物理车间的实时生产数据，真实反映实际场景中空间、环境、质量等物理信息[4]。同时，该系统应具有信息推送的功能，在设备出现故障并报警时，其信息推送模块能将设备的位置信息、详细故障信息推送至指定的维保人员，形成“闭环式”运维管理模式，以获得实时跟踪监控的效果。在此基础上，该系统能融合“故障原因专家库”，对设备进行仿真分析，实现对设备状况的评估及有效预测，并可在故障发生之前发送预警信息。

本文结合食品生产车间实际情况建立的智慧运维系统总体架构如图1所示。它主要包括数据感知层、数据管理层、数据处理层、数据应用层。各层通过不同的通信协议串接在一起，组成一套能满足实际需求的信息化系统。

图1 智慧运维系统的总体架构

3 智慧运维系统的网络架构

目前，生产类行业智能制造升级过程的本质是对底层数据的抓取、分析与应用，因此，数据入网是智能制造的基石[5]。本文根据食品生产车间实际需要设计的物联网实施流程如图2所示。基于智慧运维系统的总体架构，对应物联网实施流程所设计系统网络架构如图3所示。智慧运维系统的数据来源于分布在车间设备上的若干PLC。在实际的车间场景中，PLC与智能网关的连接为RS485串口模式。数据采集智能网关(简称数采网关)在安装至设备之前需要进行网络配置，每个网关都需要配置一个固定的网络IP地址，并通过WIFI(Wireless Fidelity)连接至无线AP(Access Point)。车间无线AP采用的信锐NAP-8100(L)室外无线接入点为全封闭形式，具有防水、防潮、防尘、防火、防晒等功能，在极端恶劣的室外环境(-40～70 ℃)中仍可正常使用。它支持室外高速无线接入设备，采用MU-MIMO 技术后能实现较高的数据传输效率，且其无线传输速率可达 1 267 Mbps。无线AP采用千兆电口/光口上行链路，能满足无线高速传输要求；采用 POE(Power Over Ethernet) 远程供电，使网络部署更简单。数采服务器是与无线AP网络联通的单个主机或划分的虚拟机，可以实现对底层数据的采集、存储和转发。

图2 物联网实施流程

图3 系统的网络架构

4 数据采集与三维建模

生产数据采集流程如图4所示。本文根据车间实际需要和设计目标来确定所需采集的数据信息。因现有设备硬件接口能够满足设备入网条件，所以只要对现场不同设备直接分配固定的IP地址即可。智慧运维系统以Kepware软件作为数据采集服务器，与网关的通信遵守Modbus TCP协议。为实现生产数据采集，需要针对不同网关的IP地址建立不同的采集通道，并在各个通道下建立设备的采集数据组。

图4 生产数据采集流程

虚拟工厂是实际工厂在虚拟空间的真实映射，是工厂全生命周期的数字化体现。对虚拟工厂进行三维建模仿真，不仅有利于充分发挥现代信息技术在提高生产力方面的作用，而且能节约大量的生产基地投资、设备购置费用及人工费用[6]。

根据实际工艺规划，对车间现有加工设备、检验检测设备、智能仓储设备、清洗烘干设备、机房设备、预处理设备、包装设备、物流设备、辅助设备等以及生产车间进行三维数字化建模[7]。在虚拟环境中，根据工艺流程，结合现场测量数据和现存的图纸资料，利用Revit软件创建车间的建筑结构模型；在CATIA软件中创建饺子生产线模型，包括馅料区设备，和面区设备，饺子成型、速冻、包装、入库全流程的机械设备的数字化模型(见图5)。对设备数字化模型进行工艺布局后，在VC(Visual Components)软件中将建筑、机电设备模型与物联网数据信息合并，搭建虚拟的物理工厂模型，形成最终的数字孪生平台，以实现生产过程的数据展示[8]。

图5 食品生产车间的数字化模型

5 基于数字孪生的生产流程仿真

生产车间数字孪生平台通过三维仿真模型与物联网技术的有效结合，以三维可视化界面同步模拟并显示实际场景的运行过程及当前设备运行状态、产量等，使用户能更加清晰地了解实际场景的空间布局和系统边界[9]。通过设置虚拟系统的实体对象属性、作业属性、作业过程属性三者的关系，可根据定义来输出系统与外部环境的交互作用关系。图6所示为数字孪生车间系统。

图6 数字孪生车间系统

数字孪生车间系统具有仿真建模、生产数据导入、结果评审、数据管理、信息模型库建立等功能模块。该系统具有很强的自定义属性，在车间需要改造或有设备增减时，用户可根据实际情况在信息模型库中增加或改变设备属性，以保证孪生场景和实际场景一致。在系统的数据管理模块中，授权用户可以查阅或导出任意时间段的生产信息，从而实现工单持续追溯的功能。

6 结束语

随着信息技术的不断发展，数字孪生车间将成为未来智慧工厂必不可少的一部分。本文针对传统食品加工行业生产过程智能化程度低的问题，提出了相关的数字化解决方案，探索了基于数字孪生的数字化生产车间的新模式，对关键技术进行了详细分析，并提出了整个方案的架构、建设思路等。研究结果对提升食品行业的智能制造能力有一定的借鉴意义。