基于工业互联网的化妆品行业数字化车间设计

李军学，梁永宏

（广州中浩控制技术有限公司，广州 510070）

0 引言

化妆品的产品质量和人们日常生活息息相关，近年来，政府一直在加强对产品质量的监管。在2022 年，国家药监局发布了《化妆品生产质量管理规范》，其核心内容是全面质量管理［1］。同时，国家药监局不定期对生产企业进行飞行检查。因此，化妆品生产企业普遍面临合规性的要求。

随着电商平台、直播带货等新销售模式的兴起，高度的个性化定制和打造自主品牌是化妆品行业发展的趋势。生产方式从大批量、捆包制向小批量、单件流方向发展，订单越来越小、交期越来越短，生产管控是今后化妆品行业生产面临的难题［2］。

目前全国有近5 000 家化妆品生产企业，市场竞争激烈。但国内高端市场仍被国外化妆品企业占领，国内化妆品生产企业仍以中小企业为主。近些年，随着人工、原料、能源等成本不断攀升，如何不断提高效率，降低运营成本，是企业的迫切要求。

数字化车间是以现代化信息、网络、数据库、自动识别等技术为基础，通过智能化、数字化等手段，对人、机、料、法、环等生产要素进行全面管控，是工业4.0的重要基础［3］。数字化车间不仅可以实现硬件和软件之间的信息互通，还能实现各硬件之间、软件之间的互联互通［4］。数字化车间具有鲜明的行业特点。具体到化妆品行业，它可以帮助企业适应多品种、小批量的柔性生产要求，并不断降本增效。目前，广大化妆品生产企业对打造数字化车间、实现转型升级具有强烈的需求。但是，大量的中小企业又面临着预算有限、IT人才匮乏等问题。

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，为车间数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径［5］。工业互联网具有高性价比、易于扩展、维护简单等优势，因此非常适合化妆品行业数字化车间的建设。

本文提出通过贯彻“互联网＋智能制造”的设计理念［6］，基于工业互联网技术，结合化妆品行业的生产特点，构建一个覆盖各业务环节大数据信息的化妆品数字化车间，并满足行业需求。

1 工艺特点与要求

不同行业的生产企业，生产的产品不同，相应的生产工艺、自动化程度和管控要求也差异较大。因此，构建数字化车间，必须结合行业生产特点进行分析。

1.1 典型生产工艺

一个典型的化妆品生产过程包括多个主要步骤，如图1 所示。

图1 化妆品典型生产工艺

化妆品的原料在检验合格后，根据生产计划要求，由原料仓发运到乳化车间。在乳化车间，首先在拆包间拆除物料外包装，使物料进入洁净区。接着在称量间按照配方进行物料的称量。称量好的物料按照乳化计划，分别运往不同的乳化反应釜。在乳化反应釜中，进行搅拌、加热等操作，通过物理、化学反应产生半成品。半成品进一步在静置间进行静置，经检验合格后进入灌包车间。灌包车间通常包含多条生产线，依据灌包计划，接收半成品和包材，进行半成品的灌装和外包，最终形成成品。包装好的成品经检验合格后进入成品仓储存，再依据发运计划进行后续发运。

从整个生产过程看，化妆品生产过程属于批次配方生产过程，一种化妆品的生产有时需要数十种原料［7］。产品种类多，批量少，特别是一些OEM企业，可以有上千种产品配方，生产管控复杂。

1.2 主要管控需求

在整个生产过程中，会牵涉到不同的生产环节和人员，并将产生不同的管控需求。

（1）原料、包材仓。需要及时接收物料，关注物料批次、品名、数量、质检状态、有效期、供应商等信息，记录收货、检验、入库、分拣、盘点等过程。

（2）拆包。需要记录拆包消杀过程，实现物料标签的转印。

（3）称量。重点关注基于配方合规称重，记录称量过程。

（4）乳化。基于生产计划和配方，需要指导现场工人严格按照规范进行生产，包括生产投料复核、自动加料、标准工艺参数下载、参数记录、半成品赋码称重等，并形成详细的批过程记录。

（5）静置。需要记录半成品的静置时间，管理质检过程，维护半成品质量状态和库存信息。

（6）灌装、包装。对包材、半成品进行严格的核对，对成品赋码，记录设备绩效、产量和包装层次等信息，反馈生产进度。

（7）容器。需要对容器清洁状态等信息进行管控。

（8）成品仓。需要及时发运成品，并关注成品批次、数量、质检状态、有效期等信息，记录入库、分拣、盘点、发运等过程。

设备是企业的重要资产，其状态直接影响生产效率。要确保设备正常运转，设备运维部门需要了解设备的实时状态和绩效［8］，并对设备的巡检、保养等活动进行规范和管理。同时，根据国家规范要求，化妆品生产企业应对仓库、车间的环境进行管控，包括温湿度、空气洁净度等参数，以确保产品质量。

随着绿色发展的理念越来越深入人心，不断节能降耗是企业追求的目标。对各种能源进行有效管理，也正成为企业的刚需。对于化妆品企业管理人员来说，其更倾向于以直观、实时、生动的模式，来了解整个车间的总体概况，包括采购、生产、设备、质量、销售、财务等综合信息，进而制定相应的生产计划，并及时对生产中的各种异常进行响应。

2 系统架构

基于以上这些需求，整个化妆品行业数字化车间的总体架构设计如图2 所示。

图2 化妆品行业数字化车间总体架构

整个数字化车间基于工业互联网技术进行构建，集成了各种软硬件设备，从下到上可以划分为5 个层次。

最底层是设备物理层，由各种现场设备组成，包括乳化反应釜、灌包线、立体仓、AGV、电子秤和储罐等设备。对应这些物理设备，主要通过对物理模型的抽象和映射，建立对应设备类的通用数字模型，包括常用设备参数、控制逻辑等［9］，进而可以快速建立企业的实体模型。

第2 层是设备的监视与控制层，该层中的FAS（Factory Automation System）系统主要包含PLC、设备自带的控制系统、各种智能仪表和IoT 现场单元等硬件设备，可直接对设备进行控制，完成控制逻辑［10］。该层中的SCADA系统，主要以人机界面的方式，完成数据采集、数据运算、报警处理、图形监视、曲线分析和操作报表查看等功能，其中数据采集技术是构建数字化车间的基础［11］。

第3 层是业务管理层，该层主要包括制造执行系统MES、仓储管理系统WMS、能源管理系统EMS、公共服务系统和实验室管理系统LIMS。其中的MES 系统，专门针对化妆品行业设计，包括物料、配方、工艺、批次、批记录、设备管理、质量管理、容器管理等功能，能够覆盖化妆品的完整生产过程，指导工人严格按照工艺配方和生产计划进行规范生产；EMS 系统则能够对水、电、气等能源进行计量，并结合行业工艺进行能源分析［12］；而公共服务系统，则可以对环境和安防进行集中管理，以满足法规监管要求；LIMS 对实验室的质量检验活动和质检结果进行统一管理［13］。

第4 层是经营管理层，该层主要包括PLM、ERP、APS和OA等系统，主要负责管理企业的经营活动。其中的PLM系统主要用于产品的研发；ERP则可以提供采购、销售、财务、计划等功能；APS 系统主要用于解决生产排程和调度问题［14］。

第5 层是数据展示层，该层主要基于VR 和大数据分析技术，对各种数据进行汇总，并以看板、3D数字孪生系统、报表等形式进行综合展示，使管理人员对总体经营状况一目了然。

采用以上架构，构建的数字化车间一方面能够满足化妆品的主要生产管控要求，同时具有很好的层次结构，便于企业按照“统一规划、分步实施”的模式，构建数字化车间。企业可以根据各自的发展阶段和实际情况，分阶段实施其中的部分或全部系统，以减少实施风险。

3 网络与硬件架构

整个系统的网络与硬件架构如图3 所示。

图3 化妆品行业数字化车间网络与硬件架构

3.1 化妆品行业云平台

整个数字化中的核心软件部分——化妆品行业工业互联网云平台，部署在公有云端，并以SaaS的形式对企业提供服务。云平台内置并充分集成多种软件，实现化妆品行业的常用软件功能，企业可以较低的成本，按需租用。管理人员通过Web 等形式，直接访问各种关键的运营数据。对配方等敏感数据，云平台专门进行了加密存储，并设定了严格的访问权限，以确保数据安全。

在现场的PDA 等操作终端，则运行着数十种工业App，如拆包、称量、投料、报产、取样质检等App，并支持生产人员的日常操作。

考虑到企业的实际情况，如部分企业之前已在本地单独部署了ERP等IT系统，云平台也内置了集成工具，可以快速实现本地IT系统与云平台的集成交互。

3.2 现场网络与硬件

考虑到化妆品行业的需求，关于现场的网络与硬件设计选型，主要遵循以下原则。

（1）工业通信无线化

在化妆品的洁净车间内部，布线麻烦，施工和维护成本高，此时无线通信具有很大优势。因此对各种现场设备，尽量采用无线接入，在保证通信稳定性的同时，可以大幅节约成本。

（2）硬件设备模块化、轻便化

相比于传统固定的工业PC，PDA等移动作业设备具有携带方便、不需安装和布线的优点，同时一个PDA可以方便地管理多个设备，因此在现场以移动作业设备作为主要的操作终端。

针对行业特点，可以进一步配套通用移动称量车、乳化操作站等硬件，以及IoT 采集和通信等模块。其中的IoT采集模块，主要用于设备、能源、环境等参数的采集；而IoT通信模块，则主要负责协议的转换和智能设备的接入，该模块内置了化妆品行业常用的接口驱动库，可以便捷地接入现场设备。

通过以上设计，数字化车间的软件功能可以即开即用，通过租用、配置方式进行快速实施；而现场网络与硬件则可以工程化快速部署。

传统IT建设模式，是采用各系统独立购买、本地部署、集成、本地运维的模式。打造数字化车间难度大，项目周期长，企业成本很高。而基于工业互联网技术，可以使企业数字化车间的建设运维成本和实施周期大幅降低，为化妆品企业特别是中小企业建设数字化车间提供了可能。

4 数据集成与展示

数字化车间需要实现互联互通、融合共享、系统集成［15］，整个数字化车间的建设涉及到云平台中的多个软件系统。这些软件系统间的数据交互需要清晰规划，并成分集成，以共同配合完成相应的业务流程［16］。

4.1 主要数据流

（1）ERP与MES间的数据交互

ERP系统可以将物料、配方、工艺、设备等基础数据传递给MES系统，同时将生产计划推送到MES 系统。MES系统负责将工单进度、生产实绩、物料消耗情况、设备状态、质量结果等信息反馈给ERP系统。

（2）PLM与ERP间的数据交互

PLM 系统将产品配方、工艺等数据提供给ERP 系统，ERP 系统将产品质量数据反馈给PLM 用于工艺改善。

（3）APS与ERP间的数据交互

ERP系统提供计划、产能、设备状态等数据给APS系统，APS进行排产运算，将排产结果反馈给ERP系统。

（4）WMS与MES及ERP间的数据交互

ERP系统将库位、采购计划、销售计划等信息推送给WMS系统，WMS 系统进行物料的接收、发运、盘点等操作，并将实时库存信息反馈给ERP、MES 系统［17］。同时MES 系统将领料计划和成品入库单推送给WMS，进行生产领料和成品入库。

（5）MES与SCADA间的数据交互

MES从SCADA 系统读取设备状态、工艺参数等实时数据，并将标准的工艺参数经SCADA系统下发，以控制现场设备运行。

（6）EMS与SCADA和MES间的数据交互

EMS从SCADA 系统读取能耗设备状态、能耗参数等实时能耗数据，并从MES系统获取生产计划和产量信息。EMS系统通过对这类数据的汇总，产生相应的单位产品能耗等KPI数据［18］。

4.2 系统集成工具

集成工具支持对数据交互触发条件的定义，并在后台不间断运行。对所有的数据交互进行日志记录，以确保交互的完整性。

通过系统集成工具，可以方便地进行数据交互。系统集成工具支持以图形化的方式对接口进行配置和编辑，并提供多种接口形式，包括Web API、XML 文件、CSV文件、MSMQ、TCP等，如图4 所示。

图4 系统集成工具

4.3 数据展示

将IT与OT数据进行充分融合，结合车间的3D 模型，数字化车间可以多种直观的方式进行数据展示［19］。以数字孪生系统为例，它将来自生产现场的各种实时数据，与生产计划、工单进度等运营数据，使用户沉浸式地进入数字化生产车间［20］，一目了然地了解整个车间的生产运营情况，如图5 所示。

图5 数据展示实例

5 结束语

本文提到的数字化车间已在多个化妆品企业顺利构建。它可以完整覆盖企业的整个生产加工过程，提高生产效率，降低生产成本，确保产品质量，并满足行业的质量管控要求。同时，由于采用层次化的系统架构，多系统间紧密配合，数据无缝集成，企业可以分阶段、分步骤稳步推进数字化转型。数据的充分集成，以及优化的网络和硬件设计，使数字化车间的构建成本和工期大为降低，为化妆品行业大规模推广设数字化车间建设提供了可能。

未来，在为企业独立建设数字化车间的基础上，可以进一步对行业数据进行汇总分析，通过行业数据指导企业不断对标，实现持续降本增效。