基于現(xiàn)場多維感知技術(shù)的卷煙工廠制絲工序智能人機(jī)和諧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周愛民 史清英 陳思佳 陶銀 祁躍東

摘要：生產(chǎn)現(xiàn)場存在著各種設(shè)備、生產(chǎn)、質(zhì)量等多重信息，操作人員應(yīng)付各種信息變化并作出正確的處置是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的重要手段。建設(shè)高“感知”能力的生產(chǎn)現(xiàn)場、建立人機(jī)合一的感知系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)“智慧化”卷煙廠的必要環(huán)節(jié)。本文以玉溪卷煙廠制絲車間潤葉加料工序點(diǎn)為示范點(diǎn)，圍繞“人”的感知水平，以工廠信息系統(tǒng)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，探索了從示范點(diǎn)生產(chǎn)現(xiàn)狀、安全規(guī)程、工作標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信息四個(gè)維度以可視化的方式提高操作人員對(duì)現(xiàn)場各種信息“感知”敏捷性能力的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：感知? 生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)? 系統(tǒng)異構(gòu)集成? 可視化 彈出觸發(fā)

1引言

工業(yè)化的現(xiàn)場生產(chǎn)中，生產(chǎn)要求、工藝標(biāo)準(zhǔn)與各種生產(chǎn)信息、設(shè)備信息和質(zhì)量信息交融在一起，從各個(gè)方面影響著作為操作主體的現(xiàn)場操作者。現(xiàn)場操作人員要以生產(chǎn)要求和工藝標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場不斷變化的設(shè)備、質(zhì)量、運(yùn)行信息進(jìn)行及時(shí)的預(yù)判和處理，對(duì)生產(chǎn)順暢、質(zhì)量控制和成本控制的作用十分重要。現(xiàn)場操作人員對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)熟知和不斷變化的現(xiàn)場運(yùn)行信息及時(shí)掌握，是現(xiàn)場操作人員作出正確判斷和處置的基礎(chǔ)。如何及時(shí)正確的感知現(xiàn)場生產(chǎn)信息是提高產(chǎn)品、降低生產(chǎn)成本的有效手段，同時(shí)也是提高工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場智能化、建設(shè)智能化工廠必要之路。人的感知，最直接的是通過人的感官進(jìn)行的感知，在人的五項(xiàng)感官器官中，眼睛所看到的是最直接最快速和最能讓人留下的映像感知，也即可視化感知最能使人快速做出反應(yīng)的感知。對(duì)感知的研究，國內(nèi)外有多位學(xué)者開展過這方面的研究。如鄭澤鱗[1]等提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)基于配電網(wǎng)智能胸膛的電網(wǎng)智能感知管控系統(tǒng);譚征宇[2]等對(duì)手機(jī)交互性能感知要素進(jìn)行了研究，探索了高敏感用戶對(duì)手機(jī)交互性能的感知需求;趙敏[3]提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下交互網(wǎng)絡(luò)群智感知任務(wù)分配方法，并進(jìn)行了仿真。魯玉慶等[4]基于油田工業(yè)分布廣、數(shù)量量大、協(xié)議多等特點(diǎn)，就如何實(shí)現(xiàn)有效感知工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行了探索。莫爾科夫基納.達(dá)莉雅等[5]研究了水聲景對(duì)人的感知喜好，并對(duì)人的感知閾值做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。戎玫等[6]對(duì)形式化與可視化相結(jié)合的軟件體系進(jìn)行了研究，描述了可視化軟件體系的結(jié)構(gòu)。有關(guān)感知的文獻(xiàn)資料林林總總、汗牛充棟，但主要是網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)來展開研究，如何使在工業(yè)現(xiàn)場中處于感知中心的人來感知來自生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、設(shè)備、安全等各個(gè)方面并瞬時(shí)變化的信息，并預(yù)測各種變化趨勢，保證生產(chǎn)順暢性、提高質(zhì)量控制水平和各種事故隱患處置能力來開展感知技術(shù)的研究少見文獻(xiàn)之中。

本文擬通過某卷煙廠生產(chǎn)示范點(diǎn)各生產(chǎn)、質(zhì)量、安全等要素的可視化感知探索，試點(diǎn)先行、以點(diǎn)帶面、復(fù)制推廣，為推進(jìn)新一代信息技術(shù)和卷煙工業(yè)的深度融合，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)在卷煙生產(chǎn)制造的綜合集成應(yīng)用，建設(shè)“智能化生產(chǎn)”、“數(shù)字化管理”的卷煙智慧工廠提供可復(fù)制的實(shí)例。

2 現(xiàn)狀分析

生產(chǎn)制造工廠如何減低生產(chǎn)過程中的突發(fā)故障，提高生產(chǎn)的連續(xù)和順暢性是生產(chǎn)企業(yè)長期的課題。設(shè)備故障、質(zhì)量缺陷、安全事件等突發(fā)故障，會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)停頓、質(zhì)量失控、成本增加、任務(wù)完成不及時(shí)等問題。降低故障發(fā)生率是企業(yè)重要的日常工作，也是實(shí)現(xiàn)智慧工廠水平的主要目的之一。生產(chǎn)現(xiàn)場“人”（操作工、設(shè)備修理工）與其他要素信息之間交互性較弱，即“人”對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)要素的“感知”水平較弱，是突發(fā)故障率較高的重要原因，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1） “人”對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)狀的感知方面。操作工對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度、現(xiàn)場相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、物料的輸入輸出狀態(tài)“感知”水平較弱，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)狀的“感知”能力弱將會(huì)影響操作工“主體”對(duì)“客體”各生產(chǎn)現(xiàn)狀的實(shí)時(shí)把控情況。

2）“人”對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場工作標(biāo)準(zhǔn)要求的感知方面。生產(chǎn)現(xiàn)場操作工和設(shè)備維護(hù)修理工對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求只停留在文件標(biāo)準(zhǔn)方面，常用的標(biāo)準(zhǔn)文件“感知”手段——可視化的固定展板式SOPS，但這一手段對(duì)于現(xiàn)場移動(dòng)的操作工在空間的參考性上非常有限，這使得大部分標(biāo)準(zhǔn)文件僅流于文件形式，對(duì)現(xiàn)場主體“人”的 “被感知”性較弱。

3）“人”對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的感知方面。目前制造執(zhí)行系統(tǒng)MES中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息大部分服務(wù)于管理者，對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)相關(guān)人員的服務(wù)性較弱，部分MES系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場的“人”來說就是“信息孤島”，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的“人”的“被感知”力弱，如對(duì)部分存在異常問題的趨勢數(shù)據(jù)不能及時(shí)“感知”而進(jìn)行預(yù)判處理。

3 “感知型”示范點(diǎn)應(yīng)用探索

針對(duì)上述現(xiàn)場“感知”水平弱的問題，本文以制絲車間潤葉加料工序點(diǎn)為例進(jìn)行示范點(diǎn)應(yīng)用探索。此工序主要工藝任務(wù)是將來自預(yù)配儲(chǔ)葉柜的葉片通過潤葉滾筒均勻噴灑糖料后輸出至配方儲(chǔ)葉柜的工序。從提高“人”對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場現(xiàn)狀、現(xiàn)場工作標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息三個(gè)維度，設(shè)備狀態(tài)、物料狀態(tài)、任務(wù)進(jìn)度、設(shè)備自檢標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備巡檢標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)、安全操作標(biāo)準(zhǔn)、異常信息、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢九個(gè)方面的交互性入手，依托MES系統(tǒng)、CS（Client / Server）架構(gòu)及現(xiàn)場可視化電子看板，利用可視化、行跡化、信息化、透明化等手段，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場有關(guān)的示范點(diǎn)信息被人快速、精準(zhǔn)地感知。

3.1 示范點(diǎn)生產(chǎn)現(xiàn)狀“感知”水平提升

1）任務(wù)進(jìn)度“感知”水平提升

CS架構(gòu)通過MES系統(tǒng)提供的接口讀取MES工單，在電子看板上實(shí)時(shí)顯示制絲生產(chǎn)訂單任務(wù)進(jìn)度條，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度的可視化，以不同顏色區(qū)分任務(wù)進(jìn)度，“綠色”代表任務(wù)已經(jīng)生產(chǎn)完畢，“橙色”代表目前正在生產(chǎn)中，“灰色”為待生產(chǎn)任務(wù)，通過任務(wù)進(jìn)度提升生產(chǎn)人員對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度的感知水平。同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)力供應(yīng)部門共享訂單任務(wù)生產(chǎn)進(jìn)度信息，可有效提升動(dòng)力部門預(yù)估能源供應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性減少能源浪費(fèi)。

2）物料狀態(tài)“感知”水平提升

為更好的監(jiān)測示范點(diǎn)物料的輸入輸出，提升現(xiàn)場工作人員對(duì)物料狀態(tài)“感知”水平，在示范點(diǎn)預(yù)配儲(chǔ)葉柜及配葉柜處安裝分別安裝數(shù)個(gè)監(jiān)測攝像裝置，CS架構(gòu)監(jiān)測到預(yù)配柜監(jiān)測出柜開始信號(hào)，電子看板畫面自動(dòng)切換播放 “物料輸入——超回出柜”相關(guān)信息及畫面監(jiān)控視圖，顯著提升了操作工對(duì)物料進(jìn)出狀態(tài)的“感知”水平，減少了操作工頻繁跑動(dòng)“看柜”的動(dòng)作浪費(fèi)，降低了因確認(rèn)物料進(jìn)出柜不及時(shí)造成的物料堵塞等故障的風(fēng)險(xiǎn)。

3）設(shè)備狀態(tài)“感知”水平提升

加料滾筒為本工序的核心主機(jī)設(shè)備，其相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)直接影響加入糖料的均勻度及物料的含水率。 當(dāng)CS架構(gòu)讀取到MES系統(tǒng)中潤葉入柜電子秤累計(jì)重量達(dá)到一定重量時(shí)，“設(shè)備狀態(tài)參數(shù)”可視化視圖切入到電子看板畫面中，實(shí)現(xiàn)了加料滾筒的設(shè)備指標(biāo)：熱風(fēng)溫度、排潮風(fēng)門開度、霧化蒸汽壓力等狀態(tài)參數(shù)的電子看板可視化，提高了操作工對(duì)主機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知度，通過設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)可視化，實(shí)現(xiàn)操作工對(duì)主機(jī)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)感知。

3.2 示范點(diǎn)工作標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升措施

1）安全工作標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

安全生產(chǎn)貫穿在整個(gè)生產(chǎn)周期，每天在開班生產(chǎn)前設(shè)備預(yù)熱等待階段，電子看板通過3D動(dòng)畫形式講述工序點(diǎn)各危險(xiǎn)源及其控制措施內(nèi)容，當(dāng)CS架構(gòu)讀取到批次結(jié)束在下個(gè)批次開始前，電子看板及時(shí)切換至“有限空間作業(yè)——清掃滾筒” 3D動(dòng)畫危險(xiǎn)源的介紹及控制措施。通過生產(chǎn)前及批間的安全標(biāo)準(zhǔn)的3D動(dòng)畫解讀及防控措施模擬，不間斷強(qiáng)化操作工的安全防范意識(shí)，提升“人”對(duì)環(huán)境安全的感知，杜絕安全事件問題的發(fā)生。

2）關(guān)鍵生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

人工向加料料罐內(nèi)加入不同模塊對(duì)應(yīng)桶號(hào)的糖料是示范點(diǎn)操作工生產(chǎn)關(guān)鍵操作，示范點(diǎn)以不同顏色的定置框線區(qū)分不同批次不同模塊料筒的擺放區(qū)域，防呆防差錯(cuò)降低因操作問題導(dǎo)致的加料問題。為加強(qiáng)SOPS的適用性，針對(duì)加料關(guān)鍵操作步驟進(jìn)行SOPS加料位置區(qū)域進(jìn)行可視化。此外，CS架構(gòu)向電子看板傳輸信號(hào)后電子看板又以3D動(dòng)畫動(dòng)作模擬的形式還原加料標(biāo)準(zhǔn)操作步驟，通過上述三種措施提高操作工對(duì)“加料”關(guān)鍵操作標(biāo)準(zhǔn)的感知度，降低加料錯(cuò)牌串號(hào)的質(zhì)量事件的發(fā)生概率。

3）設(shè)備自檢標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

操作工需要不定時(shí)對(duì)對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行自檢以保證設(shè)備運(yùn)行正常。示范點(diǎn)以示范點(diǎn)SOPS生產(chǎn)前中后標(biāo)準(zhǔn)操作內(nèi)容看板可視化、3D動(dòng)畫模擬操作工生產(chǎn)自檢步驟的電子看板可視化的“總”、自檢內(nèi)容按照步驟順序在自檢部位進(jìn)行順序化“腳丫行跡化”的“分”的 “總——分”可視化的形式，提升操作工對(duì)設(shè)備自檢標(biāo)準(zhǔn)的“感知”能力，使操作工自檢標(biāo)準(zhǔn)切實(shí)有效的落地執(zhí)行，提升操作工自主維護(hù)設(shè)備的質(zhì)量與效率。

4）設(shè)備巡檢標(biāo)準(zhǔn)“感知”水平提升

示范點(diǎn)以“總看板——分部位”的模式，通過高效巡檢路線圖示及巡檢標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的總體的SOPS看板——現(xiàn)場設(shè)備巡檢路線順序編號(hào)圖示可視化——關(guān)鍵部位巡檢標(biāo)準(zhǔn)可視化，提高機(jī)電修理人員對(duì)巡檢標(biāo)準(zhǔn)的感知水平，對(duì)潛在的主機(jī)設(shè)備問題可實(shí)現(xiàn)“早發(fā)現(xiàn)”、“早預(yù)防”、“早解決”，可降低設(shè)備事后維修頻率，設(shè)備問題維修向預(yù)防性維修傾斜，保證優(yōu)質(zhì)、高效的巡（點(diǎn)）檢工作。

3.3示范點(diǎn)數(shù)據(jù)信息“感知”水平提升措施

1）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢“感知”水平提升

MES系統(tǒng)中采集的生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)在MES終端機(jī)上不能實(shí)現(xiàn)操作工的實(shí)時(shí)讀取與關(guān)注。示范點(diǎn)通過CS架構(gòu)通過MES系統(tǒng)提供的接口讀取MES系統(tǒng)中“碎片化”相關(guān)信息的提取、整合后，在電子看板上輸出出口物料含水率、單位時(shí)間加料比例、單位時(shí)間蒸汽比例、入口物料瞬時(shí)流量四個(gè)需要密切關(guān)注的檢驗(yàn)指標(biāo)趨勢線，以此提升了操作工對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)把控的感知度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)指標(biāo)的異常趨勢。

2）異常數(shù)據(jù)信息“感知”水平提升

在生產(chǎn)過程中當(dāng)MES系統(tǒng)檢測到某項(xiàng)關(guān)注指標(biāo)超出了預(yù)警線時(shí)，示范點(diǎn)通過三種措施提升異常信息“感知”水平：當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場 “安燈”聲光報(bào)警信息立即啟動(dòng)及時(shí)告知現(xiàn)場人員異常信息的發(fā)生。同時(shí)電子看板立即切換至預(yù)警批號(hào)、發(fā)生時(shí)間、相關(guān)異常信息的生產(chǎn)預(yù)警畫面，此外，電子看板上相關(guān)異常信息第一時(shí)間通過MES后臺(tái)系統(tǒng)將相關(guān)信息以短信的形式推送至機(jī)電修理跟班人員及生產(chǎn)線管理人員，使處理人員第一時(shí)間接收信息并達(dá)到現(xiàn)場進(jìn)行處理。

4 感知信息的集成與處理

上述感知型生產(chǎn)示范點(diǎn)的感知信息來自于多個(gè)體系中，可分為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化類型，為使操作者對(duì)信息進(jìn)行感知，需進(jìn)行多系統(tǒng)不同通訊規(guī)約異構(gòu)集成后通過人機(jī)交互界面進(jìn)行展示。對(duì)于安全規(guī)程等信息，通過三維動(dòng)畫形式把安全規(guī)程、工作標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程展示出來，讓操作人員通過視覺感知;為保證生產(chǎn)控制SCADA系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的運(yùn)行安全及獨(dú)立性，感知系統(tǒng)將兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與畫面在開辟的安全區(qū)域內(nèi)推送數(shù)據(jù)，視頻畫面與數(shù)據(jù)可直接進(jìn)入到感知系統(tǒng)中;人工巡點(diǎn)檢數(shù)據(jù)通過MES系統(tǒng)中的巡點(diǎn)檢系統(tǒng)人工輸入后進(jìn)入感知系統(tǒng)中。在各系統(tǒng)信息進(jìn)入到感知系統(tǒng)中后，在人機(jī)交互界面上以時(shí)間作為畫面彈出控制節(jié)點(diǎn)：在開機(jī)時(shí)，畫面彈出工作標(biāo)準(zhǔn)和操作流程;在生產(chǎn)時(shí)，彈出生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及質(zhì)量運(yùn)行信息。通過多個(gè)系統(tǒng)的信息異構(gòu)集成，在有限的人機(jī)交互界面上，根據(jù)信息在不同時(shí)間段和事件突發(fā)結(jié)果的重要程度，彈出不同的窗口，自動(dòng)加深這些信息的感知，加強(qiáng)操作者對(duì)這些信息的重視程度。通過本感知系統(tǒng)技術(shù)，使操作者既能及時(shí)調(diào)整處理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量保證水平，又能提高操作者對(duì)關(guān)鍵信息關(guān)注程度，減少次要信息的關(guān)注度，減輕人員疲勞，提高工作效率。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文首先對(duì)所在卷煙工廠在“智慧化”卷煙廠的建設(shè)過程中生產(chǎn)線現(xiàn)場所面臨的“感知”水平較弱的問題進(jìn)行了總結(jié)分析，以示范點(diǎn)為例，從生產(chǎn)現(xiàn)狀、工作標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信息三個(gè)維度圍繞現(xiàn)場“感知”能力進(jìn)行了探索提升。通過現(xiàn)場感知水平的提升，員工疲勞度降低、滿意度水平提高，設(shè)備故障率及過程質(zhì)量得分顯著改善，切實(shí)有效推進(jìn)了“智慧化”工廠的建設(shè)步伐。但是，目前“感知型”示范點(diǎn)的打造仍在探索完善階段，還有諸多細(xì)節(jié)需要結(jié)合工廠現(xiàn)狀借鑒國內(nèi)外先進(jìn)理念和技術(shù)，打造更加具有“感知”水平的生產(chǎn)現(xiàn)場的“智慧化”工廠。

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