面制食品數字化車間應用

吳亞平 王麟琨 方毅芳 劉剛

摘 要：針對食品加工從機械化向數字化、網絡化、智能化發展的趨勢，以饅頭加工為主的面制食品車間為例，提出三層架構的數字化車間方案，通過工業網絡將工藝生產、排產調度、計劃管理集成起來，實現可靈活配置的定制化高效生產;通過現場采集設備的數字化，提供足夠多的生產和質檢信息，除可進行輔助決策工藝改進、提高產品質量外，還能實施全產品生命周期的產品追溯，確保食品安全。

關鍵詞：面制食品;數字化車間;數據采集;生產執行;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

中圖分類號：TS213.2

隨著新一代信息技術的發展，作為傳統行業的食品加工也正經歷著數字化、網絡化、智能化改造升級。先進的食品加工生產線采用溫度、濕度、成分、速度等多種傳感器及先進的控制技術，過程參數可根據工藝要求精確設定、穩定保持，在發揚傳統優良工藝的同時更能提高產品品質與口感、豐富產品品相與風味。

基于數字化技術深入研究食品加工條件、組分結構變化、食品品質功能特性三者的關聯性，尋找出可以精準調控品質的理論、途徑與方法，最終按照目標食品品質功能特性的需求實現食品的精準調控與高效制造[1]。以饅頭為代表的面制食品為我國北方廣大人民所喜愛，改進與提高面制食品的數字化生產將能更好滿足人民群眾的需求。

1 數字化車間架構

面制食品數字化車間以生產線為基礎，以饅頭為例包括加水系統、立式和面機、倒料機、切割輸送機、壓片機、縱向切割機、卷滾機、橫向切割機、自動擺盤機、成品輸送機、醒發汽蒸、冷卻機和自動包裝機。醒發段主要由電氣控制，溫度測量靠壓力溫度計，由其自身的電接點將溫度的變化轉化成電信號，控制電磁閥門以達到控制進氣量的目的，并根據季節溫濕度進行調節，控制醒發室內的溫濕度均勻，滿足工藝要求[2]。以網絡為連接，數字化車間通常采用三層架構，頂層負責實時管控整個生產工藝流程、生產配方與生產參數的調整，中層是生產車間能夠進行內部數據交換和外部數據對接的通訊網絡，其網絡傳輸的速率較快，并且通訊接線方式較為簡單，通訊的距離較遠，底層是針對工藝中細節化的流程處理，包括對和面機、軋面機、切割機以及流水線的工藝控制，需要一定的人機交互控制設備，能夠實時調控工藝參數[3]。基于這一思路本文提出面制食品數字化車間架構如圖1所示。

生產現場層包括了生產加工所必須的各種基礎設施和設備，其中網絡和信息基礎設施是承載數字化車間業務運行和信息集成的基礎，數字化生產加工設備是執行加工、檢驗、物料運送等任務和反饋的終端，還包括車間人員和工位的管理。面制食品數字化車間采用的數字化設備和工業軟件組成生產加工系統，自動進行信息動態采集和命令實時執行，包括承擔物料運送、加工、傳感、檢驗、包裝、顯示等任務的各種設備。生產加工中用到的物料、產品、載具及相關操作等雖不具備直接數字化通信能力，但可借助條碼、RFID等技術進行標識，參與加工過程并與系統進行自動或半自動交互。系統的各個環節，可通過設備聯網（有線和無線）實現生產加工過程的透明化，并可通過電子看板對數據進行集中展示。生產運行層一方面可實現生產計劃、工藝執行、質量管理、現場管理、統計分析等功能，以便對生產過程中的各類業務、活動或相關資產進行管理，實現車間加工過程的數字化、精益化及透明化;另一方面可通過集成下層控制系統和上層信息管理系統，構成智能化的生產加工系統，并建立起對應的數據采集網絡與數據應用系統。數字化車間將與企業資源管理、產品設計、服務與支持等環節通過工業網絡形成有機整體。

2 數據采集

為實現面制食品的智能制造，生產現場加工工序應實現數字化，即生產數據、質檢數據、環境數據和設備數據能通過數字網絡（有線或無線）上傳至運行/管理層（MES/MOM），生產設備能接收、執行通過數字網絡下傳的指令、并能根據工況和環境進行自動調整。且在遵循一定通信協議的情況下使設備通用性更強。

對于面制食品數字化車間，數字化采集設備能實現以下功能：①通過智能感知和自動檢測，對各種生產作業數據和質檢參數進行數據采集。②對生產過程進行信息化管理，為企業提供決策支持以糾正和改進加工過程。同時，可對生產過程的錯誤進行報警，將企業損失降到最低。③對產品質量進行檢測，對測量值進行實時分析，建立安全雙向追溯系統，從而快速定位質量問題。④對生產設備和工具定期檢查，跟蹤和指導作業活動，對突發問題可響應和報警，對問題進行診斷和記錄，以便后續追蹤。⑤通過傳感器、RFID、智能終端及網絡實現對車間運行數據的動態采集。

車間或監控室大屏幕連接到主網，同時通過終端大屏上的瀏覽器連接到應用服務器。生產加工數據、檢測數據、KPI數據可通過工業通信網絡由生產運行系統自動進行傳感器報文讀取，也可根據需要和系統配置以常見格式進行文件傳輸（如EXCEL文件），當車間存在不同通信協議時，將通過開放軟件接口（如OPC UA）進行數據讀取，以便于質量數據和成本數據的實時分析。原輔料、產品、載具等的賦碼信息可通過手持或固定式掃描器進行采集，通過網絡（有線或無線）上傳至生產運行系統。第三方檢測和質檢數據可以常見格式（如PDF文件）上傳至系統數據庫作文件保存，也可分解其中的數據直接導入數據庫作進一步分析。

生產現場的各類數據，如生產進度、工時統計、質量狀況、設備運行狀況等，在經過數據中心的組織梳理后，可以根據需要的樣式，以報表、統計圖等方式在監控大屏上進行展示，實施反映車間的生產狀況，便于生產主管及時掌握作業情況。數字化車間部署的視頻監控系統主要對現場倉庫、關鍵設備進行24 h不間斷監控，保證車間現場操作的安全、有序，保證生產效率的充分發揮。同時，視頻資料可按需要保存3～6個月，保證車間活動情況可追溯。除了通常的視頻查閱與回放功能外，數字化車間還部署了視頻分析系統，通過畫面智能分析，對異常情況及時做出判斷，向相關人員做出預警，以便迅速采取應對措施，減小影響。

3 產品追溯

面制食品數字化車間將實現食品質量安全順向可追蹤、逆向可溯源、風險可管控，發生質量安全問題時產品可召回、原因可查清、責任可追究，保障食品質量安全。產品追溯管理體系涵蓋車間生產的各個環節，包括原材料廠、工藝執行、車間物流與倉儲、生產加工過程、包裝與裝配、車間檢測等生產環節。數字化車間質量管理與追溯信息與外界的信息交流主要包括兩方面：①從縱向管理層級，車間質量管理與追溯管理信息將服務于企業管理層的質量管理與產品追溯管理，并進一步向國家、行業即食品追溯管理平臺提供企業基礎數據。②從橫向價值鏈過程，與企業管理層中的訂單管理、銷售管理、物流管理信息緊密關聯。企業收到訂單信息后，開始進行廠外原材料采購、配送等活動，之后原材料進入生產車間;成品檢測后進入廠外配送環節，并實時采集物流配送數據、形成銷售信息傳遞給企業管理層。

面制食品的質量管理與追溯體系涵蓋生產車間內、外不同系統、生產環節的數據采集與監控。并可根據實際情況增加其他模塊。其中，生產現場層包括了數字化車間生產制造所必須的各種基礎設施、數字化設備、數字化工序管理，是承載數字化車間業務運行和信息集成的基礎，通過車間基礎設施、數字化設備與工序管理實時采集車間現場質量管理與現場追溯管理的各類數據。生產執行層包括了車間產品追溯的核心流程與管理措施，并建立與生產現場執行管理、企業資源管理系統相連接的產品追溯系統，并為相關方提供追溯信息。面制食品數字化車間的產品追溯信息是全供應鏈產品追溯信息的一部分，數字化車間產品追溯信息滿足了跨軟件系統的追溯信息集成，實現正向與逆向追溯，包括：①消費者。基于單個產品的正向產品追溯。②監管者。基于批次產品的雙向產品追溯。③生產者。基于單個、批次產品的雙線產品追溯，以及生產環節的內部流程信息追溯。

4 結語

本文討論的面制食品數字化車間在合肥某食品公司進行了實施，統計表明，面粉處理量由原來的10 t/天提高到30 t/每天，并能滿足面制食品加工多品種小批量的柔性化生產特征，增加了產品品相，通過全鏈的產品追溯滿足了食品安全監管要求，增強了消費者的信任度。因此，通過實施面制食品數字化車間改造，建立適應生產的網絡架構，提高現場設備數字化率，完善數字化產品追溯體系將有力推動食品行業以智能制造帶動產業升級，滿足人民群眾對更安全更好吃更多樣的食品消費需求。

參考文獻：

[1]王強，石愛民，劉紅芝，等.食品加工過程中組分結構變化與品質功能調控研究進展[J].中國食品學報，2017，17（1）：1-11.

[2]丁建軍.饅頭的工業化生產技術與設備[J].糧食加工，2013，38（4）：45-46，48.

[3]黃旭釗.食品生產線的計算機控制系統設計與實現[J].山東工業技術，2019（2）：142.