基于工業互聯網的化妝品行業數字化車間設計

李軍學，梁永宏

（廣州中浩控制技術有限公司，廣州 510070）

0 引言

化妝品的產品質量和人們日常生活息息相關，近年來，政府一直在加強對產品質量的監管。在2022 年，國家藥監局發布了《化妝品生產質量管理規范》，其核心內容是全面質量管理［1］。同時，國家藥監局不定期對生產企業進行飛行檢查。因此，化妝品生產企業普遍面臨合規性的要求。

隨著電商平臺、直播帶貨等新銷售模式的興起，高度的個性化定制和打造自主品牌是化妝品行業發展的趨勢。生產方式從大批量、捆包制向小批量、單件流方向發展，訂單越來越小、交期越來越短，生產管控是今后化妝品行業生產面臨的難題［2］。

目前全國有近5 000 家化妝品生產企業，市場競爭激烈。但國內高端市場仍被國外化妝品企業占領，國內化妝品生產企業仍以中小企業為主。近些年，隨著人工、原料、能源等成本不斷攀升，如何不斷提高效率，降低運營成本，是企業的迫切要求。

數字化車間是以現代化信息、網絡、數據庫、自動識別等技術為基礎，通過智能化、數字化等手段，對人、機、料、法、環等生產要素進行全面管控，是工業4.0的重要基礎［3］。數字化車間不僅可以實現硬件和軟件之間的信息互通，還能實現各硬件之間、軟件之間的互聯互通［4］。數字化車間具有鮮明的行業特點。具體到化妝品行業，它可以幫助企業適應多品種、小批量的柔性生產要求，并不斷降本增效。目前，廣大化妝品生產企業對打造數字化車間、實現轉型升級具有強烈的需求。但是，大量的中小企業又面臨著預算有限、IT人才匱乏等問題。

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，為車間數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑［5］。工業互聯網具有高性價比、易于擴展、維護簡單等優勢，因此非常適合化妝品行業數字化車間的建設。

本文提出通過貫徹“互聯網＋智能制造”的設計理念［6］，基于工業互聯網技術，結合化妝品行業的生產特點，構建一個覆蓋各業務環節大數據信息的化妝品數字化車間，并滿足行業需求。

1 工藝特點與要求

不同行業的生產企業，生產的產品不同，相應的生產工藝、自動化程度和管控要求也差異較大。因此，構建數字化車間，必須結合行業生產特點進行分析。

1.1 典型生產工藝

一個典型的化妝品生產過程包括多個主要步驟，如圖1 所示。

圖1 化妝品典型生產工藝

化妝品的原料在檢驗合格后，根據生產計劃要求，由原料倉發運到乳化車間。在乳化車間，首先在拆包間拆除物料外包裝，使物料進入潔凈區。接著在稱量間按照配方進行物料的稱量。稱量好的物料按照乳化計劃，分別運往不同的乳化反應釜。在乳化反應釜中，進行攪拌、加熱等操作，通過物理、化學反應產生半成品。半成品進一步在靜置間進行靜置，經檢驗合格后進入灌包車間。灌包車間通常包含多條生產線，依據灌包計劃，接收半成品和包材，進行半成品的灌裝和外包，最終形成成品。包裝好的成品經檢驗合格后進入成品倉儲存，再依據發運計劃進行后續發運。

從整個生產過程看，化妝品生產過程屬于批次配方生產過程，一種化妝品的生產有時需要數十種原料［7］。產品種類多，批量少，特別是一些OEM企業，可以有上千種產品配方，生產管控復雜。

1.2 主要管控需求

在整個生產過程中，會牽涉到不同的生產環節和人員，并將產生不同的管控需求。

（1）原料、包材倉。需要及時接收物料，關注物料批次、品名、數量、質檢狀態、有效期、供應商等信息，記錄收貨、檢驗、入庫、分揀、盤點等過程。

（2）拆包。需要記錄拆包消殺過程，實現物料標簽的轉印。

（3）稱量。重點關注基于配方合規稱重，記錄稱量過程。

（4）乳化。基于生產計劃和配方，需要指導現場工人嚴格按照規范進行生產，包括生產投料復核、自動加料、標準工藝參數下載、參數記錄、半成品賦碼稱重等，并形成詳細的批過程記錄。

（5）靜置。需要記錄半成品的靜置時間，管理質檢過程，維護半成品質量狀態和庫存信息。

（6）灌裝、包裝。對包材、半成品進行嚴格的核對，對成品賦碼，記錄設備績效、產量和包裝層次等信息，反饋生產進度。

（7）容器。需要對容器清潔狀態等信息進行管控。

（8）成品倉。需要及時發運成品，并關注成品批次、數量、質檢狀態、有效期等信息，記錄入庫、分揀、盤點、發運等過程。

設備是企業的重要資產，其狀態直接影響生產效率。要確保設備正常運轉，設備運維部門需要了解設備的實時狀態和績效［8］，并對設備的巡檢、保養等活動進行規范和管理。同時，根據國家規范要求，化妝品生產企業應對倉庫、車間的環境進行管控，包括溫濕度、空氣潔凈度等參數，以確保產品質量。

隨著綠色發展的理念越來越深入人心，不斷節能降耗是企業追求的目標。對各種能源進行有效管理，也正成為企業的剛需。對于化妝品企業管理人員來說，其更傾向于以直觀、實時、生動的模式，來了解整個車間的總體概況，包括采購、生產、設備、質量、銷售、財務等綜合信息，進而制定相應的生產計劃，并及時對生產中的各種異常進行響應。

2 系統架構

基于以上這些需求，整個化妝品行業數字化車間的總體架構設計如圖2 所示。

圖2 化妝品行業數字化車間總體架構

整個數字化車間基于工業互聯網技術進行構建，集成了各種軟硬件設備，從下到上可以劃分為5 個層次。

最底層是設備物理層，由各種現場設備組成，包括乳化反應釜、灌包線、立體倉、AGV、電子秤和儲罐等設備。對應這些物理設備，主要通過對物理模型的抽象和映射，建立對應設備類的通用數字模型，包括常用設備參數、控制邏輯等［9］，進而可以快速建立企業的實體模型。

第2 層是設備的監視與控制層，該層中的FAS（Factory Automation System）系統主要包含PLC、設備自帶的控制系統、各種智能儀表和IoT 現場單元等硬件設備，可直接對設備進行控制，完成控制邏輯［10］。該層中的SCADA系統，主要以人機界面的方式，完成數據采集、數據運算、報警處理、圖形監視、曲線分析和操作報表查看等功能，其中數據采集技術是構建數字化車間的基礎［11］。

第3 層是業務管理層，該層主要包括制造執行系統MES、倉儲管理系統WMS、能源管理系統EMS、公共服務系統和實驗室管理系統LIMS。其中的MES 系統，專門針對化妝品行業設計，包括物料、配方、工藝、批次、批記錄、設備管理、質量管理、容器管理等功能，能夠覆蓋化妝品的完整生產過程，指導工人嚴格按照工藝配方和生產計劃進行規范生產；EMS 系統則能夠對水、電、氣等能源進行計量，并結合行業工藝進行能源分析［12］；而公共服務系統，則可以對環境和安防進行集中管理，以滿足法規監管要求；LIMS 對實驗室的質量檢驗活動和質檢結果進行統一管理［13］。

第4 層是經營管理層，該層主要包括PLM、ERP、APS和OA等系統，主要負責管理企業的經營活動。其中的PLM系統主要用于產品的研發；ERP則可以提供采購、銷售、財務、計劃等功能；APS 系統主要用于解決生產排程和調度問題［14］。

第5 層是數據展示層，該層主要基于VR 和大數據分析技術，對各種數據進行匯總，并以看板、3D數字孿生系統、報表等形式進行綜合展示，使管理人員對總體經營狀況一目了然。

采用以上架構，構建的數字化車間一方面能夠滿足化妝品的主要生產管控要求，同時具有很好的層次結構，便于企業按照“統一規劃、分步實施”的模式，構建數字化車間。企業可以根據各自的發展階段和實際情況，分階段實施其中的部分或全部系統，以減少實施風險。

3 網絡與硬件架構

整個系統的網絡與硬件架構如圖3 所示。

圖3 化妝品行業數字化車間網絡與硬件架構

3.1 化妝品行業云平臺

整個數字化中的核心軟件部分——化妝品行業工業互聯網云平臺，部署在公有云端，并以SaaS的形式對企業提供服務。云平臺內置并充分集成多種軟件，實現化妝品行業的常用軟件功能，企業可以較低的成本，按需租用。管理人員通過Web 等形式，直接訪問各種關鍵的運營數據。對配方等敏感數據，云平臺專門進行了加密存儲，并設定了嚴格的訪問權限，以確保數據安全。

在現場的PDA 等操作終端，則運行著數十種工業App，如拆包、稱量、投料、報產、取樣質檢等App，并支持生產人員的日常操作。

考慮到企業的實際情況，如部分企業之前已在本地單獨部署了ERP等IT系統，云平臺也內置了集成工具，可以快速實現本地IT系統與云平臺的集成交互。

3.2 現場網絡與硬件

考慮到化妝品行業的需求，關于現場的網絡與硬件設計選型，主要遵循以下原則。

（1）工業通信無線化

在化妝品的潔凈車間內部，布線麻煩，施工和維護成本高，此時無線通信具有很大優勢。因此對各種現場設備，盡量采用無線接入，在保證通信穩定性的同時，可以大幅節約成本。

（2）硬件設備模塊化、輕便化

相比于傳統固定的工業PC，PDA等移動作業設備具有攜帶方便、不需安裝和布線的優點，同時一個PDA可以方便地管理多個設備，因此在現場以移動作業設備作為主要的操作終端。

針對行業特點，可以進一步配套通用移動稱量車、乳化操作站等硬件，以及IoT 采集和通信等模塊。其中的IoT采集模塊，主要用于設備、能源、環境等參數的采集；而IoT通信模塊，則主要負責協議的轉換和智能設備的接入，該模塊內置了化妝品行業常用的接口驅動庫，可以便捷地接入現場設備。

通過以上設計，數字化車間的軟件功能可以即開即用，通過租用、配置方式進行快速實施；而現場網絡與硬件則可以工程化快速部署。

傳統IT建設模式，是采用各系統獨立購買、本地部署、集成、本地運維的模式。打造數字化車間難度大，項目周期長，企業成本很高。而基于工業互聯網技術，可以使企業數字化車間的建設運維成本和實施周期大幅降低，為化妝品企業特別是中小企業建設數字化車間提供了可能。

4 數據集成與展示

數字化車間需要實現互聯互通、融合共享、系統集成［15］，整個數字化車間的建設涉及到云平臺中的多個軟件系統。這些軟件系統間的數據交互需要清晰規劃，并成分集成，以共同配合完成相應的業務流程［16］。

4.1 主要數據流

（1）ERP與MES間的數據交互

ERP系統可以將物料、配方、工藝、設備等基礎數據傳遞給MES系統，同時將生產計劃推送到MES 系統。MES系統負責將工單進度、生產實績、物料消耗情況、設備狀態、質量結果等信息反饋給ERP系統。

（2）PLM與ERP間的數據交互

PLM 系統將產品配方、工藝等數據提供給ERP 系統，ERP 系統將產品質量數據反饋給PLM 用于工藝改善。

（3）APS與ERP間的數據交互

ERP系統提供計劃、產能、設備狀態等數據給APS系統，APS進行排產運算，將排產結果反饋給ERP系統。

（4）WMS與MES及ERP間的數據交互

ERP系統將庫位、采購計劃、銷售計劃等信息推送給WMS系統，WMS 系統進行物料的接收、發運、盤點等操作，并將實時庫存信息反饋給ERP、MES 系統［17］。同時MES 系統將領料計劃和成品入庫單推送給WMS，進行生產領料和成品入庫。

（5）MES與SCADA間的數據交互

MES從SCADA 系統讀取設備狀態、工藝參數等實時數據，并將標準的工藝參數經SCADA系統下發，以控制現場設備運行。

（6）EMS與SCADA和MES間的數據交互

EMS從SCADA 系統讀取能耗設備狀態、能耗參數等實時能耗數據，并從MES系統獲取生產計劃和產量信息。EMS系統通過對這類數據的匯總，產生相應的單位產品能耗等KPI數據［18］。

4.2 系統集成工具

集成工具支持對數據交互觸發條件的定義，并在后臺不間斷運行。對所有的數據交互進行日志記錄，以確保交互的完整性。

通過系統集成工具，可以方便地進行數據交互。系統集成工具支持以圖形化的方式對接口進行配置和編輯，并提供多種接口形式，包括Web API、XML 文件、CSV文件、MSMQ、TCP等，如圖4 所示。

圖4 系統集成工具

4.3 數據展示

將IT與OT數據進行充分融合，結合車間的3D 模型，數字化車間可以多種直觀的方式進行數據展示［19］。以數字孿生系統為例，它將來自生產現場的各種實時數據，與生產計劃、工單進度等運營數據，使用戶沉浸式地進入數字化生產車間［20］，一目了然地了解整個車間的生產運營情況，如圖5 所示。

圖5 數據展示實例

5 結束語

本文提到的數字化車間已在多個化妝品企業順利構建。它可以完整覆蓋企業的整個生產加工過程，提高生產效率，降低生產成本，確保產品質量，并滿足行業的質量管控要求。同時，由于采用層次化的系統架構，多系統間緊密配合，數據無縫集成，企業可以分階段、分步驟穩步推進數字化轉型。數據的充分集成，以及優化的網絡和硬件設計，使數字化車間的構建成本和工期大為降低，為化妝品行業大規模推廣設數字化車間建設提供了可能。

未來，在為企業獨立建設數字化車間的基礎上，可以進一步對行業數據進行匯總分析，通過行業數據指導企業不斷對標，實現持續降本增效。