基于工業互聯網的螺螄粉智能工廠

戴喜生 馬鑫 何劍

本文引用格式：戴喜生，馬鑫，何劍.基于工業互聯網的螺螄粉智能工廠[J].自動化與信息工程，2023，44（2）：41-47.

DAI Xisheng， MA Xin， HE Jian. Snail powder intelligent factory based on industrial internet[J]. Automation & Information Engineering， 2023，44（2）：41-47.

摘要：針對目前螺螄粉企業生產流程長、設備維護困難、能源管理低效等問題，提出基于工業互聯網的螺螄粉智能工廠方案。分析螺螄粉企業在轉型升級過程中對工業互聯網的需求，從網絡、技術、安全等3個方面構建螺螄粉工業互聯網平臺總體框架。根據螺螄粉企業的生產特色和應用需求，針對生產、維護、能源、物流等4個方面，設計集設備、車間、平臺和應用于一體的智能工廠整體框架，為進一步推動工業互聯網助力螺螄粉行業發展提供參考。

關鍵詞：螺螄粉企業；智能工廠；工業互聯網；轉型升級

中圖分類號：TP2????????????文獻標志碼：A ????????????文章編號：1674-2605（2023）02-0008-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.02.008

Snail Powder Intelligent Factory Based on Industrial Internet

DAI Xisheng¹??MA Xin¹??HE Jian²

（1. School of Automation， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545000， China????????????2. Guangxi Manas Digital Technology Limited Company，?Liuzhou 545000， China）

Abstract：?In view of the current problems of snail powder enterprises， such as long production process， difficult equipment maintenance， inefficient energy management and so on， a Industrial Internet based snail powder intelligent factory scheme is proposed. Analyze the demand of snail powder enterprises for Industrial Internet in the process of transformation and upgrading， and build the overall framework of snail powder Industrial Internet platform from three aspects of network， technology and security. According to the production characteristics and application needs of snail powder enterprises， the overall framework of intelligent factory integrating equipment， workshops， platforms and applications is designed for production， maintenance， energy， logistics and other four aspects， which provides a reference for further promoting the Industrial Internet to help the development of snail powder industry.

Keywords：?snail powder; intelligent factory; industrial internet; upgrade

0 引言

隨著全球化經濟競爭的不斷加劇，新一輪工業革命的浪潮已經興起。為了提高核心競爭力，制造型企業需要進行智能化轉型升級。工業互聯網是新一輪工業革命的核心驅動力，世界各國都在積極建設工業互聯網平臺。美國通用公司（GE）于2012年聯合IBM、思科、英特爾和AT&T等企業組建工業互聯網聯盟，打造了以GE Predix為代表的一批工業互聯網平臺^[1]。

德國于2013年率先提出了“工業4.0”的發展戰略，積極規劃交通、醫療、能源、制造業等領域的發展藍圖^[2]。日本等發達國家也相繼推出制造業轉型升級計劃，構建以數字化生產模式為基礎的發展方向，以保持制造業的領先優勢。中國于2015年提出《中國制造2025》^[3]等相關政策文件，支持、引導和推動工業互聯網在中國工業領域的應用和發展，促進制造型企業的智能升級，實現節能、減排、降本的目標。

工業互聯網可為制造業轉型升級提供推進力，傳統工廠的異構煙囪式網絡向扁平化網絡發展。當前工業互聯網平臺在適配行業特性方面，面臨著諸多挑戰。本文從螺螄粉企業的發展和應用需求出發，闡釋工業互聯網賦能螺螄粉企業的應用現狀以及研究方向，針對螺螄粉企業的生產、維護、能源和物流等方面，設計一套基于工業互聯網的螺螄粉智能工廠方案。

1 工業互聯網賦能螺螄粉企業

1.1 工業互聯網助力制造業的發展現狀

工業互聯網是新一代先進信息技術與工業系統相融合的產物；是工業向智能化發展的綜合應用型平臺；是連接工業全系統、全產業鏈、全價值鏈，支撐工業智能化發展的關鍵基礎設施；是新一代信息技術與制造業深度融合所形成的新興業態和應用模式^[4]，承載著傳統工業向自動化、數字化、網絡化、智能化升級的任務。

工業互聯網通過工廠內、外網等關鍵基礎設施，將連接對象延伸至整個工業生產系統，實現全產業鏈和全價值鏈的良性互動，可大幅提高工業產品的研發設計、生產制造、銷售服務等環節的工作效率^[5-6]，并形成智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸的新興業態與創新應用模式^[7-8]。

近幾年，國內研究者針對工業互聯網的不同體系，提出個性化解決方案。如孫慧等^[9]針對傳統工廠網絡的設備聯網率低、設備之間信息化差異大、網絡管控水平低等問題，組建新型工廠網絡結構，融合工業PON、5G以及云平臺技術，為工業互聯網的建設提供研究思路。任姚丹珺等^[10]闡述邊緣計算的協同計算、資源隔離、安全傳輸和隱私保護在工業互聯網平臺的作用，提出邊緣計算的發展建議。樊佩茹等^[11]提出工業互聯網在供應鏈和網絡安全方面的發展路徑。王秋華等^[12]分析工業互聯網安全方面的政策、標準體系、結構和規模，提出一條工業互聯網安全方面的路徑。胡琳等^[13]構建包含基礎共性網絡、平臺、數據和安全方面的標準體系模型，并提出模型的實施路徑。此外，中國的制造型企業以自身條件為基礎，探索符合企業發展特征的工業互聯網平臺，如海爾COSMOPlat平臺^[14]，航天科工INDICS平臺^[15]，寶武xIn3Plat平???臺^[16]，三一重工根云平臺^[17]等。

1.2 螺螄粉企業發展需求分析

2019～2021年，螺螄粉關聯企業發展迅速，其中預包裝螺螄粉企業生產總值和原料供應商產值均超百億元。但目前還沒有針對螺螄粉企業的工業互聯網平臺。隨著人們對螺螄粉消費需求的持續增加，螺螄粉企業數量也在不斷增加，推動了螺螄粉行業規模的持續擴大，亟需探索智能化轉型升級道路。螺螄粉生產屬于集中生產模式，具有大批量、少品種、多工藝等特點，其生產工藝流程如圖1所示。

目前，螺螄粉企業大都采用人工和自動化設備協同作業的方式。在熟制、熱處理、高溫滅菌等復雜工藝的操作流程中，需生產人員手動整定溫度、濕度、壓力等工藝參數，導致企業生產效率低下和生產成本增加。因此，為提高生產效率、降低生產成本，達到綠色制造的目的，利用工業互聯網平臺賦能螺螄粉企業。

1.3 螺螄粉工業互聯網平臺框架

根據螺螄粉企業的發展需求和生產特點，圍繞網絡、技術、安全等3個方面，搭建以網絡為設備互聯互通基礎，技術為工業應用樞紐，安全為數據保障的螺螄粉工業互聯網平臺總體框架，如圖2所示。

螺螄粉工業互聯網平臺分為網絡、技術、安全3大體系，其中技術體系又分為設備層、邊緣層、IaaS層、PaaS層和SaaS層。

1） 設備層是螺螄粉工業互聯網平臺的硬件基礎設備及底層數據源，負責螺螄粉原料精加工、采集原料加工的原始數據。

2） 邊緣層從設備層數據接口獲取螺螄粉加工、生產等數據，通過工業以太網和5G網絡傳輸數據，利用OPC-UA協議解析與轉換異構協議的設備運行數據，實現快速響應設備端請求、降低數據傳輸帶寬、保護隱私的目的。

3） IaaS層利用大數據和云計算分析技術，將邊緣層上傳、存儲于云服務器的數據進行分類計算，為PaaS層和SaaS層提供穩定可靠的高性能云端服務。

4） PaaS層是螺螄粉工業互聯網平臺的應用核心，具有工業應用開發、工業數據、生產工藝開發、資源部署及管理等功能。該層向上支撐螺螄粉企業智能應用的運行及優化，向下連接螺螄粉企業的生產數據。工業應用開發、工業數據和生產工藝開發是PaaS層的開發及數據分析環境；資源部署及管理運用微服務、容器化等運維手段，將多種應用集成于一體，實現資源的最優調度及利用。

5） SaaS層為螺螄粉企業的生產監控、物流規劃、能源管理、定制化服務等特定需求，開發定制化螺螄粉應用軟件，實現螺螄粉的工藝模型、生產數據、資源調度、物流規劃等通用化、軟件化、平臺化，加速螺螄粉加工技術的更新迭代和創新。

2 螺螄粉智能工廠建設路徑

2.1 螺螄粉企業的應用需求分析

通過深入調研，目前柳州螺螄粉企業主要存在的問題有加工設備的數字化程度較低、設備維護困難、能源管理低效、物流運輸成本高等4個方面。

2.1.1 ?加工設備的數字化程度較低

目前，一條螺螄粉生產線中，圓條干米粉制作設備有大米定量輸送機、粉碎機、和料機、醒料機等。這些設備大多由機械式按鈕控制，需對操作人員進行設備操作培訓，且設備聯網率低，難以進行網絡化控制及智能化生產。

2.1.2??設備維護困難

螺螄粉生產線中若有設備發生故障，整條生產線就無法正常工作。設備缺乏故障報警、實時預測壽命、定時維護保養等功能，無法保證其穩定、安全、可靠地運行。

2.1.3??能源管理低效

螺螄粉企業在原材料加工和生產設備維護、運行時，需消耗大量的電、水、燃氣等資源。在能源管理方面存在諸多困難，如不可預測的電源供應、備用電源的使用時間、意外故障導致的能源短缺等。

2.1.4??物流運輸成本高

目前，螺螄粉企業的物料大多利用手推車和叉車運輸，不僅浪費時間，還消耗人力資源，致使企業在物料配送環節承受較高的物流運輸成本。

2.2 螺螄粉智能工廠頂層設計

螺螄粉智能工廠建設的主要依據是信息化和工業化的深度融合^[18-19]，實現螺螄粉企業在管理和制造方面的規范統一化、全面信息化和多方集成化。螺螄粉智能工廠以工業互聯網平臺為核心，搭建智能設備層、智能生產層、平臺管控層和企業決策層4層體系框架，如圖3所示。

智能設備層主要由智能化生產設備、網絡化采集設備、可追蹤的掃描設備和智能路徑規劃的運輸設備組成，實現螺螄粉原料的智能化生產、工業數據采集、全生命周期追溯和遠程物流運輸的功能。

智能生產層包含螺螄粉的干米粉生產、料包調制、高溫滅菌、醬料配菜、產品質檢和預包裝等單元。

平臺管控層包括研發平臺、生產平臺、物流平臺。其中，研發平臺用于螺螄粉工藝、產品和技術的研發；生產平臺主要對螺螄粉企業內部的米粉加工、辣椒油炒制、豆角腌制等產線進行柔性化控制；物流平臺采用AGV智能小車運輸原材料和成品，利用最優控制及動態規劃算法優化運輸路線。

企業決策層是企業信息化管理的數據中心，主要包含企業管理系統和產品管控系統。其中，企業管理系統主要進行企業管理與業務擴展；產品管控系統是原材料加工和物流運輸的生產管理中心，可對產品質量、物流運輸路徑、生產物料和人員分別進行檢測、規劃、配置和管理。

3 螺螄粉智能工廠解決方案

3.1 螺螄粉智能化車間

螺螄粉智能化車間的總體框架以工業互聯網平臺為核心，構建生產過程管理系統、可視化產銷管理系統和大數據AI系統，如圖4所示。

3.1.1 生產過程管理系統

生產過程管理系統為螺螄粉生產線提供技術支撐，實現透明生產、遠程控制、安全生產、生產規劃等功能，系統框架如圖5所示。

螺螄粉企業從原材料供應商采購特定的原材料，并通過物流車運輸到生產車間；在生產車間內對原材料進行分類篩選，將合格品運輸到指定生產線；對不同的料包采用個性化加工生產工藝；采用全真空封裝機進行包裝；利用機器視覺技術對包裝后的產品進行質量缺陷檢測，機械手將不同料包分揀到對應的位置，合格品裝箱，運輸到立體倉庫。

3.1.2 可視化產銷管理系統

可視化產銷管理系統打通了企業生產車間與客戶管理系統之間的壁壘，利用大數據、邊緣計算、多傳感器融合、人工智能等信息技術，將生產車間以數字化電子看板的形式呈現，并配有各個車間的生產計劃報表、操作流程步驟、設備安全防護、質檢產品合格率、物流運輸情況等。利用大數據信息技術，實時追溯產品的生產全生命周期。提供二維碼、條形碼，供客戶用RFID掃描產品，獲取各項生產信息。

利用電子看板的可視化功能，實時追溯螺螄粉在各地的產銷情況，協同企業物流和生產計劃。可視化產銷管理系統中的高級排程系統如圖6所示。

高級排程系統對于不同的訂單進行最優算法優化處理，高效執行訂單內容，降低企業生產成本，促進企業產銷平衡。

3.1.3 大數據AI系統

大數據AI系統主要包含大數據預測維護系統和專家指導系統，為企業管理者提供智能決策。其通過智能傳感器實時檢測和上傳設備的運行、異常和停止狀態等信息，再利用邊緣計算技術處理設備的狀態信息，優化重要的指標參數后上傳到云端。

3.1.3.1 ?大數據預測維護系統

大數據預測維護系統框架如圖7所示。

在設備聯網過程中，通過傳感器實時采集設備的運行數據和存儲的歷史數據，并利用大數據平臺對設備的剩余壽命和故障進行預測，保障設備安全穩定地運行。

3.1.3.2??專家指導系統

在工藝研發環節，利用專家指導系統匯集的各種螺螄粉生產配方，基于云計算、大數據和AI分析技術，優化產品的工藝參數，提高研發人員的工作效率，不斷為螺螄粉企業研發新工藝提供研制經驗。

3.2 設備維護及檢修

基于工業互聯網平臺的設備維護及檢修方案如圖8所示。

通過智能傳感器實時采集螺螄粉企業設備的運行數據，進行設備和現場環境的預檢測。基于邊緣計算、大數據和云計算分析，結合設備機理模型、異常數據驅動模型和專家知識模型，對設備的剩余使用壽命和健康狀態進行診斷，形成設備的體檢報告，并提出預測性維護與檢修建議。與設備供應商合作，實現維修專家遠程或現場維修故障設備，打造設備的全生命周期管理系統。

3.3 能源管理系統

本文從螺螄粉的生產、倉儲、物流等方面構建能源管理系統框架，如圖9所示。

在螺螄粉生產過程中，通過對能源實時監測，優化能源使用率，從而提高工廠的供電穩定性。依據單位產品能耗和報警機制，最大限度地減少環境污染，提升生產安全水平和保障人員的身體健康。報表服務為技術人員分析用電峰谷時段、優化配電網段提供數據支持。監測參數配置和能源配方庫為合理配置能源參數和高效利用能源提供管控經驗。

3.4 智能物流系統

智能物流系統貫穿于螺螄粉的采購、生產、運輸、銷售等環節，直接影響產品的交付周期和生產效率。智能物流系統架構如圖10所示。

智能物流系統涵蓋企業的上、中、下游產業鏈。上游供應鏈物流以貨車為主要運輸工具，依靠北斗或GPS導航系統快速、準確地將物料運輸到生產車間。中游生產鏈上的生產商負責產品的生產、包裝和運輸；云化AGV小車負責原料的識別和運輸；RFID、二維碼、手持終端實現螺螄粉產品的流程溯源。下游經銷鏈通過多種交通工具，從生產商的倉庫將產品運輸到各地零售店和商場，用戶可在移動終端的APP上下單訂購產品，快遞員將產品配送給用戶。

4 結束語

目前，基于工業互聯網平臺的螺螄粉智能工廠正在逐步建設，工業互聯網帶來的設備互聯互通、流程優化和全產業鏈協同，不僅在設備通信協議上做了標準規定，還使螺螄粉生產工藝變得更加高效，甚至重構了整個螺螄粉智能工廠的架構。工業互聯網帶來的產業型變革，將帶動企業生產、管理、經營等活動的新生產模式、新產業生態的發展和普及，實現柳州螺螄粉制造業向數字化、定制化、智能化轉型升級。

本文論述了工業互聯網的發展現狀和螺螄粉企業的發展需求，以工業互聯網的標準體系架構為基礎，設計一套螺螄粉工業互聯網平臺架構。根據螺螄粉企業的生產特點、轉型升級的應用需求和存在的難點，從生產、維護、能源和物流等4個方面有針對性地提出解決方案，為螺螄粉企業智能升級提供參考。

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作者簡介：

戴喜生，男，1976年生，博士研究生，教授，主要研究方向：復雜系統分析與控制。E-mail： mathdxs@163.com

馬鑫，男，1996年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：迭代學習控制。E-mail： 782363764@qq.com

何劍，男，1971年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：工業互聯網。E-mail： hej@liugong.com