白酒釀造數字化管理平臺的設計

陳濤 尚宇雄 李錦松 徐兆政 張超

（1.醉清風酒業股份有限公司 四川省瀘州市 646000 2.西門子中國有限公司 上海市 200000）

（3.瀘州老窖集團有限責任公 四川市瀘州省 646000）

本文闡述了醉清風酒業股份有限公司所設計和建設的智能釀造生產管控中心系統功能和成效。借助數字化和可視化技術，對醉清風釀造工廠生產數據進行集中管控和遠程運營，實現工廠的集中化管控和精細化管理，使得管理者從“看數據”轉變為“管數據”最終到“用數據”，實現管理方式的數字化轉型。

1 緒論

一些大型的白酒企業紛紛設計和研發了適合自身部分工序業務流程的信息系統，如包裝線信息管理系統，包材供應商管理系統，銷售客戶信息管理系統等。這些信息系統的建立和應用，為各家企業的管理層實現管理目標，提高管理水平提供了便捷和高效的平臺，企業本身也通過數字化平臺這一工具，結合管理制度的優化，實現了節能、降本和增效。但目前國內大部分白酒釀造企業的數字化轉型也是剛剛起步，局部工序的信息化可以讓部分車間的管理水平和透明度提升，但整個企業的運作需要信息化工具具備更加廣泛的應用場景，擁有更豐富的功能。

基于以上因素，需要在白酒企業現有的信息系統之上，設計和建設一個更加全面的生產管理平臺，能夠讓高層管理者通過一個入口，了解和掌握整個企業當前的生產狀態。本文主要針對醉清風酒業股份有限公司的生產管理模式，闡述了基于西門子數字化平臺建設的白酒釀造管理平臺的設計思路和系統架構，以及在企業生產管理中的作用和價值。

2 國內外現狀研究

2.1 國內外現狀

中國白酒是世界六大名蒸餾酒之一，深受人們的喜愛。而中國白酒的釀造技藝在長期的傳承與發展中存在能耗大、管理粗放、生產效率低、數據滯后、耗時長、產品質量不穩定等諸多問題。此類問題不僅需要通過硬件設施的改良，工藝流程的改進，還需要通過管理水平的提升來優化。而管理水平必須借助粒度更細膩，響應更迅速，覆蓋更全面的信息化系統來實現管理目標[1]。

從 2010 年以后，我國白酒釀造行業進入了一個信息化技術與數據系統發展的 高峰期。其中茅臺、瀘州老窖等領頭企業，已經開始借助軟件系統開始進行數字化轉型。借助于當前的“互聯網+”和“大數據”浪潮，醉清風酒業股份有限公司也開始在基礎架構和信息系統集成建設等方面進行提高和完善[2]。

2.2 生產管理需求

醉清風酒業股份有限公司關注整個釀造過程的全生產要素，包括原料質量、釀造過程關鍵工藝參數、生產設備狀態、產品質量、生產環保排放情況等，覆蓋了人、機、料、法、環五大生產管控因素。

整個生產流程主要分為以下幾大工序：

原料處理：高粱運輸到工廠后進行檢驗檢測、除雜處理、分級分類，自動輸送至糧倉備用。

輔料清蒸：將輔料（糠）入甑清蒸30min，排雜去霉。

泡糧：將糧食輸送至泡糧桶，加入設定溫度的熱水，按規定時間浸泡。蒸煮：浸泡好的糧食進入蒸煮鍋進行初蒸、燜水、復蒸。攤涼下曲：將高溫蒸煮后的糧食進行冷卻，并將一定量曲藥均勻與糧食混合。

糖化培菌：糧醅進入糖化床進行24 小時糖化發酵。

糧糟混合：糖化醅和配糟按比例進行混合，并進行低溫冷卻后進入發酵槽。

發酵：發酵槽放置于恒溫發酵間，進行緩慢發酵。

蒸餾取酒：發酵好的糟醅通過機器人進行上甑，酒甑通入蒸汽進行蒸餾取酒。

入庫：餾酒時進行分段摘酒，定級后分類儲存。

2.3 應用意義

白酒管理過程因其生產特性，單批次較長的生產周期16-20 天，使得管理周期較長，時間顆粒度不易細化，管理過程長期處于紙質或電子表格記錄，過程靠人工監控管理，優化靠專家經驗。

同時，白酒釀造工藝雖然參與的工序不多，但每個工序對環境狀態、設備狀態、原料質量等因素非常敏感。整個生產流程不間斷，生產運營管理中需要對各類數據統一的進行分析和監控，僅僅依靠一套DCS 控制系統遠遠不夠，建設多套相關信息系統后，雖然解決了生產信息的完整采集，但各類數據之間存在孤島效應，使用者需要登陸不同系統，來回查看和抄錄數據進行匯總和聯合分析，效率極低。

建設數字化平臺后，可以在整個生產過程中，從設備層級到公司層級的生產數據更加透明，異常情況響應更加及時，運營決策更加科學，整個管理過程有數據依據和存檔，便于分析和追溯，提高整個企業的管理效率和水平。

3 白酒釀造數字化管理平臺的設計

3.1 系統功能框架

西門子白酒釀造數字化平臺（下文簡稱為數字化平臺）包含三層架構，整個功能框架如圖 1 數字化平臺框架所示。

圖1：數字化平臺框架

由第一層PCS7 SCADA 系統負責采集和監視各工序的自動化控制系統數據，第二層由EMS 能源管理系統、EAM設備管理系統并行處理第一層傳遞上行的數據，形成能源管理和設備關系數據；第三層由XHQ 平臺負責收集第一層、第二層數據，同時自主采集當前未能建設信息化系統的業務數據，并開放接口，便于未來信息化升級改造和完善后數據的接入。

3.2 系統架構及數據流

管理平臺的內部數據流如圖2 所示白酒管理平臺數據流圖。

圖2：數字化平臺數據流圖

主要采集的數據包括人、機、料、法、環五個方面，分別對應著：

3.2.1 人

員工類數據來自門禁系統和ERP 系統，主要包含：員工打卡、工時數據、員工單位成本數據。進行考勤管理和成本核算。

3.2.2 機

機是指生產中所使用的設備、工具等輔助生產用具。生產中，設備的是否正常運作，工具的好壞都是影響生產進度，產品質量的又一要素。通過數字化平臺，實時監控設備狀態，能夠大幅度提高生產效率的同時，降低事故率。

設備類數據主要來自EAM 系統和DCS 系統，主要包含設備狀態和信號，如原料進料口的速度，出酒閥門的開關狀態等。用于分析設備狀態、環境狀態產品質量之間的關聯關系。

3.2.3 料

料指物料，半成品、輔料、主要原料等產品用料。現在的工業產品的生產，分工細化，一般都有幾種幾十種配料或部件是幾個工序同時運作。數字化平臺能夠幫助管理者實時關注物料的流轉，存量和質量情況，確保每個工序銜接之處，物料穩定正常。

物料類數據主要來自DCS 系統、質量系統、EMS 能源系統和ERP 系統，主要包含：用量數據，如高粱的消耗量等；質量數據如基酒的質量檢測值；庫存數據如基酒的庫存量；能源數據如各關鍵工序的能源消耗量。

3.2.4 法

法值得是生產的方法，廣義上還有管理的方法。需要明確制定生產工藝流程，并定義每個關鍵點的指標要求，并能在長期生產周期中持續優化流程和提高指標要求，以實現生產卓越運營。

數字化平臺為管理層提供生產全流程的工藝類數據，確保每段工藝路徑運行穩定，指標平穩。表現“法”的工藝數據主要來自DCS 系統和質量系統，主要包含：各工序的關鍵工藝指標實時數據和過程監測的質量數據。

3.2.5 環

環境會直接或者間接的影響生產產品質量，同時生產過程也會反饋給外部大環境。環境數據主要包括生產內環境，和產品質量相關的數據，也包括外部環保類數據。

可持續科學發展觀已經深入每個企業家心中，如何在生產效率、產品質量和環境保護取得最佳平衡點，也一直是生產企業管理者持續探究和追求的目標之一。數字化平臺提供了持續的環境監測數據可視化，能夠存儲長達百年的環境監測數據，結合橫向的數據集成，可以供管理者分析和探索環境狀態和生產過程任意環節工藝參數之間的微妙關系。

環保數據主要來自SCADA 系統，主要包含：廢水檢測儀器的狀態和信號，如廢水排放口的COD 和PH 值等；廢氣檢測儀器的狀態和信號；固廢檢測儀器的狀態和信號等；內部生產環境數據來自大量傳感器狀態和數據，如發酵車間傳感器的溫度、濕度和二氧化碳濃度等。

3.3 生產運行監控

3.3.1 生產駕駛艙綜合展示看板集成了各個運營層面的重要KPI 信息，方便生產管理人員能第一時間聚焦需要關注的運營版塊，并作出相應的決策。

產能數據包含計劃情況和完成情況，雖然客戶沒有生產計劃錄入系統，但是XHQ 通過接口實現了定時對客戶錄入的EXCEL 進行抓取，同時集成來自于DCS 系統的實際生產數據，實現了實際生產與計劃生產的對比。

出酒率的數據實現了自動計算，日期自動查找出酒日期對應的投糧日期和投糧量，以計算出準確的出酒率。相對于過去人工錄入統計的方式，采用出酒率自動計算，既減少了工作量，又提高了數據的準確度和實時性。

3.3.2 可視化工廠

可視化工廠展示以2.5D立體圖鳥瞰全廠生產線的形式，展現工廠中主要設備的位置關系及相關數據，以及全廠重點指標。數據具有實時性，從而可以形象地、直觀地了解當前運行的實時情況。

該頁面中除耗電量和耗天然氣量來自于EMS 系統，還集成了來自于DCS 系統的生產設備狀態數據和在線監測儀表的環保監測數據。確保生產運營管理中關注的核心設備狀態、質量情況和環境環保信息完整的展現在管理者面前。對于直接影響白酒產品合格率的發酵車間環境數據，還可以進行實時報警，如二氧化碳濃度，溫度濕度等數據發生偏差，會立刻報警，提示相關生產管理者進行及時調整。從前段工序介入，直接提高了后端工序乃至最終成品的合格率和質量指標。

3.3.3 成本分析

生產總成本的計算需要在匯總企業各方面的數據之后，按照專業的計算方法，得到有效的數據，并通過分析和挖掘找到改善點，結合管理制度逐步改進。數字化平臺能夠幫助企業管理者快速定位成本浪費和可優化的因素。

基本的噸酒成本計算公式如下：

變量說明：

Mc——噸酒原料總成本；

Ec——噸酒能耗總成本；

Wc——噸酒環保總成本；

Hc——噸酒人工總成本；

Fc——噸酒固定攤銷；

Mg——噸酒高粱消耗；

Pg——高粱價格；

Mk——噸酒谷殼消耗；

Pk——谷殼價格；

Mq——噸酒曲藥消耗；

Pq——曲藥價格；

Hc——噸酒人工成本；

Hd——人天數量；

Pd——人天成本；

Fc——噸酒固定攤銷；

t——日期；

tf——發酵周期

噸酒總成本：

C(t)=Mc(t-tf)+Ec(t)+Wc(t)+Hc(t)+Fc(t)

其中原料成本：

Mc(t)=Mg(t)*Pg+Mk(t)*Pk+Mq(t)*Pq

能耗成本：

Ec(t)=E(t)*Pe+S(t)*Ps

環保成本：

Wc(t)=W(t)*Pw+G(t)*Pg

人工成本：

Hc(t)=Hd(t)*Pd

其中：人天數量來自門禁系統打卡數據，原料消耗來自MES 系統統計數據，能源消耗來自EMS 系統統計數據，物料價格和固定攤銷來自ERP 系統。

西門子數字化平臺自動集成了所需數據，并根據白酒發酵周期特性，配置相應的數據模型，使得產品出廠日便可追溯到該罐批次在生產過程中的原料、能源消耗和人工等主要成本，在各個時間粒度上可以形成可視化報表供運營分析人員和生產分析人員進行高效分析，為生產運營過程成本優化提供數據支撐。

3.3.4 設備管理

設備設備效率分析通過數據采集系統獲取設備的運行狀態、停機時間、次品數量等現場實時數據，通過對這些數據的歸檔和計算，對設備關鍵性能指標（KPI）和設備綜合效率（OEE）做出分析和評價，形成量化的分析指標。

全局設備效率OEE 是一種簡單實用的生產管理工具，在歐美的制造業和中國的跨國企業中已得到廣泛的應用，全局設備效率指數已成為衡量企業生產效率的重要標準。

OEE=時間開動率×性能開動率×合格品率，其中，時間開動率 = 開動時間/負荷時間，數字化平臺將采集設備啟停狀態信號，根據時間戳計算開動時間。

而負荷時間 = 日歷工作時間-計劃停機時間，數字化平臺將根據管理者錄入的計劃時間自動計算設備負荷時間。

開動時間 = 負荷時間 - 故障停機時間 - 設備調整初始化時間（包括更換產品規格、更換工裝模具、更換刀具等活動所用時間），數字化平臺根據停機狀態信號，自動或者人工給定停機原因，同時記錄該類型的停機時長，若為故障，則計量為故障時間，若為初始化，則記錄為初始化時間。以此計算設備開動時間。

性能開動率 = 凈開動率×速度開動率，而凈開動率 = 加工數量×實際加工周期/開動時間，其中加工數量通過DCS系統采集閥門傳感器信號，計量出酒噸數。

速度開動率 = 理論加工周期/實際加工周期，根據給定計劃周期和實際生產周期計算。

合格品率 = 合格品數量/ 加工數量，數字化平臺通過對合格品數據和樣本數據進行計數，自動計算某罐批次的合格率。在白酒生產中，主要計量指標為優質酒率。

生產過程中的關鍵指標如設備利用率，設備可用率，設備 OEE 等，這些指標有助于更好的掌握設備運行狀態，找出影響生產性能的瓶頸，最終達到生產能力的平衡。

3.3.5 能源管理

管理節能和技術節能是企業節能增效的兩個主要途徑。數字化平臺的能源管理模塊可以通過多維度能源數據的采集和統計、將各個工序的能耗情況，以及能耗與設備狀態、環境狀態和原料質量之間的關系，通過關聯查詢分析，直觀暴露浪費點和改善點，全面提升對噸酒電耗、水耗，關鍵設備噸產品能耗，生產用能管理等各個方面的能源管理水平，在滿足生產用能需要的前提下，提高能源使用效率，最終達到降低能源消耗，減少碳排放的目的。

3.3.6 過程監控

數字化管理平臺中的SCADA 模塊按照目前先進成熟的自動化系統單獨控制，無縫地集成了大量現場設備和儀表，實現大量復雜回路控制和快速邏輯控制。從控制層面避免了設備啟停過程中出現的低速或空運轉造成的浪費，持續的監控設備運轉狀態和物料流轉情況。

3.3.7 數據中心

作為整個架構中的數據采集層，統一的SCADA 系統能夠對全線生產進行集中監控調度，配合西門子平臺，收集存儲整線生產數據。它可將由設備層產生的語言轉換成管理層信息化系統的語言，同時也可將接收到的管理層信息化系統的指令傳遞給設備層執行。

此前，醉清風生產車間與信息化大都隸屬于不同職能部門，各部門間鮮有交集。車間設備部門關注點多在OT 層級（operation Technology），信息化部門則關注IT 層（Information Technology），卻忽略了數字化企業所需的整體縱向集成。因此，并非上了一個MES 或ERP 系統或者是建立了一個數據采集庫就等同于數字化。

OT 層與IT 層最終的融合使信息流無縫傳遞，進而實現全產業鏈的互聯互通，這才是白酒數字化工廠的最終目標。

SCADA 的存在，打通了OT 與IT 之間的數據流，使得底層數據與上層管理系統之間的互相通訊成為可能，也為白酒企業邁向數字化、智慧化夯實了基礎。將作為醉清風酒業有限股份公司未來更長遠的智能化轉型的重要基石。

4 應用效果

4.1 技術經濟指標更優

數字化管理平臺建設完成于2021 年3 月，伴隨著配套的管理制度制定和執行，經過前后半年統計，出酒率、噸酒電耗、優質酒率及噸酒成本有明顯提高。如表1 所示。

表 1：技術經濟指標對比

4.2 管理水平更高

數字化管理平臺建設后，實時展示管理指標，包括工藝參數、設備完好率、人員出勤等，針對數據趨勢分析，原因挖掘等方法，制定了相應的管理制度，經過前后半年數據統計，管理指標有明顯提高。

4.3 企業形象提升

數字化管理平臺建成后，醉清風股份公司在白酒行業的數字化建設及管理經驗一躍進入領先行列，每月均參觀人次保持在100 人次。大大提升了企業形象，同時也讓整個行業的數字化轉型有了依據和參考案例。

5 結論

自動化和數字化是一個逐步迭代優化的過程，根據工廠的實際情況，某些數據的采集和處理并不會一步到位。然而可以結合客戶的發展規劃和實際情況，實現滿足客戶需求的數據集成，為管理層的決策提供依據。

西門子數字化管理平臺是針對醉清風的工廠級的商業智能解決方案。不僅僅能夠集成企業中不同的業務系統（DCS、EMS、EAM等），能夠從多個不同系統中匯總、提煉核心數據，能夠將離散的信息串聯整合在一起，能夠提供體系化、結構化的信息呈現給不同層次的終端用戶，還能夠提供持續連貫的方法去分析與呈現關鍵業務與操作數據。

在平臺建設后，企業生產運營過程的大量數據變得透明化，顯露出很多可優化的地方，使得管理層決策依據更加科學，形成了從——狀態感知，到分析決策，到改進措施，最終再次感知優化效果——這一閉環過程，符合PDCA 持續改進方法論。采用這種整體解決方案，為白酒行業企業提供數字化賦能，在白酒行業還屬于首例。因此，該項目將具有深遠的意義。