基于現場多維感知技術的卷煙工廠制絲工序智能人機和諧系統設計與實現

周愛民 史清英 陳思佳 陶銀 祁躍東

摘要：生產現場存在著各種設備、生產、質量等多重信息，操作人員應付各種信息變化并作出正確的處置是提高產品質量、降低生產成本的重要手段。建設高“感知”能力的生產現場、建立人機合一的感知系統也是實現“智慧化”卷煙廠的必要環節。本文以玉溪卷煙廠制絲車間潤葉加料工序點為示范點，圍繞“人”的感知水平，以工廠信息系統為數據基礎，探索了從示范點生產現狀、安全規程、工作標準、數據信息四個維度以可視化的方式提高操作人員對現場各種信息“感知”敏捷性能力的途徑和方法。

關鍵詞：感知? 生產實時數據? 系統異構集成? 可視化 彈出觸發

1引言

工業化的現場生產中，生產要求、工藝標準與各種生產信息、設備信息和質量信息交融在一起，從各個方面影響著作為操作主體的現場操作者?，F場操作人員要以生產要求和工藝標準為基準對現場不斷變化的設備、質量、運行信息進行及時的預判和處理，對生產順暢、質量控制和成本控制的作用十分重要?，F場操作人員對各種標準熟知和不斷變化的現場運行信息及時掌握，是現場操作人員作出正確判斷和處置的基礎。如何及時正確的感知現場生產信息是提高產品、降低生產成本的有效手段，同時也是提高工業生產現場智能化、建設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行的感知，在人的五項感官器官中，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的感知。對感知的研究，國內外有多位學者開展過這方面的研究。如鄭澤鱗[1]等提出了結合物聯網，建設基于配電網智能胸膛的電網智能感知管控系統;譚征宇[2]等對手機交互性能感知要素進行了研究，探索了高敏感用戶對手機交互性能的感知需求;趙敏[3]提出了一種數據驅動下交互網絡群智感知任務分配方法，并進行了仿真。魯玉慶等[4]基于油田工業分布廣、數量量大、協議多等特點，就如何實現有效感知工業控制系統網絡狀態進行了探索。莫爾科夫基納.達莉雅等[5]研究了水聲景對人的感知喜好，并對人的感知閾值做了相關的實驗。戎玫等[6]對形式化與可視化相結合的軟件體系進行了研究，描述了可視化軟件體系的結構。有關感知的文獻資料林林總總、汗牛充棟，但主要是網絡實現來展開研究，如何使在工業現場中處于感知中心的人來感知來自生產、工藝、質量、設備、安全等各個方面并瞬時變化的信息，并預測各種變化趨勢，保證生產順暢性、提高質量控制水平和各種事故隱患處置能力來開展感知技術的研究少見文獻之中。

本文擬通過某卷煙廠生產示范點各生產、質量、安全等要素的可視化感知探索，試點先行、以點帶面、復制推廣，為推進新一代信息技術和卷煙工業的深度融合，促進工業互聯網、云計算、大數據、物聯網在卷煙生產制造的綜合集成應用，建設“智能化生產”、“數字化管理”的卷煙智慧工廠提供可復制的實例。

2 現狀分析

生產制造工廠如何減低生產過程中的突發故障，提高生產的連續和順暢性是生產企業長期的課題。設備故障、質量缺陷、安全事件等突發故障，會產生生產停頓、質量失控、成本增加、任務完成不及時等問題。降低故障發生率是企業重要的日常工作，也是實現智慧工廠水平的主要目的之一。生產現場“人”（操作工、設備修理工）與其他要素信息之間交互性較弱，即“人”對生產現場相關要素的“感知”水平較弱，是突發故障率較高的重要原因，主要表現在以下三個方面：

1） “人”對生產現狀的感知方面。操作工對生產現場的實時生產任務進度、現場相關生產設備狀態、物料的輸入輸出狀態“感知”水平較弱，對生產現狀的“感知”能力弱將會影響操作工“主體”對“客體”各生產現狀的實時把控情況。

2）“人”對生產現場工作標準要求的感知方面。生產現場操作工和設備維護修理工對工作標準中相關要求只停留在文件標準方面，常用的標準文件“感知”手段——可視化的固定展板式SOPS，但這一手段對于現場移動的操作工在空間的參考性上非常有限，這使得大部分標準文件僅流于文件形式，對現場主體“人”的 “被感知”性較弱。

3）“人”對生產現場數據信息的感知方面。目前制造執行系統MES中的相關數據信息大部分服務于管理者，對現場生產相關人員的服務性較弱，部分MES系統中的數據對于生產現場的“人”來說就是“信息孤島”，對生產現場的“人”的“被感知”力弱，如對部分存在異常問題的趨勢數據不能及時“感知”而進行預判處理。

3 “感知型”示范點應用探索

針對上述現場“感知”水平弱的問題，本文以制絲車間潤葉加料工序點為例進行示范點應用探索。此工序主要工藝任務是將來自預配儲葉柜的葉片通過潤葉滾筒均勻噴灑糖料后輸出至配方儲葉柜的工序。從提高“人”對生產現場現狀、現場工作標準、生產現場數據信息三個維度，設備狀態、物料狀態、任務進度、設備自檢標準、設備巡檢標準、生產操作標準、安全操作標準、異常信息、檢驗數據趨勢九個方面的交互性入手，依托MES系統、CS（Client / Server）架構及現場可視化電子看板，利用可視化、行跡化、信息化、透明化等手段，實現與生產現場有關的示范點信息被人快速、精準地感知。

3.1 示范點生產現狀“感知”水平提升

1）任務進度“感知”水平提升

CS架構通過MES系統提供的接口讀取MES工單，在電子看板上實時顯示制絲生產訂單任務進度條，實現生產任務進度的可視化，以不同顏色區分任務進度，“綠色”代表任務已經生產完畢，“橙色”代表目前正在生產中，“灰色”為待生產任務，通過任務進度提升生產人員對生產任務進度的感知水平。同時通過網絡與動力供應部門共享訂單任務生產進度信息，可有效提升動力部門預估能源供應時間節點的準確性減少能源浪費。

2）物料狀態“感知”水平提升

為更好的監測示范點物料的輸入輸出，提升現場工作人員對物料狀態“感知”水平，在示范點預配儲葉柜及配葉柜處安裝分別安裝數個監測攝像裝置，CS架構監測到預配柜監測出柜開始信號，電子看板畫面自動切換播放 “物料輸入——超回出柜”相關信息及畫面監控視圖，顯著提升了操作工對物料進出狀態的“感知”水平，減少了操作工頻繁跑動“看柜”的動作浪費，降低了因確認物料進出柜不及時造成的物料堵塞等故障的風險。

3）設備狀態“感知”水平提升

加料滾筒為本工序的核心主機設備，其相關的設備狀態參數直接影響加入糖料的均勻度及物料的含水率。 當CS架構讀取到MES系統中潤葉入柜電子秤累計重量達到一定重量時，“設備狀態參數”可視化視圖切入到電子看板畫面中，實現了加料滾筒的設備指標：熱風溫度、排潮風門開度、霧化蒸汽壓力等狀態參數的電子看板可視化，提高了操作工對主機設備運行狀態的感知度，通過設備狀態參數的實時可視化，實現操作工對主機設備狀態參數的實時感知。

3.2 示范點工作標準“感知”水平提升措施

1）安全工作標準“感知”水平提升

安全生產貫穿在整個生產周期，每天在開班生產前設備預熱等待階段，電子看板通過3D動畫形式講述工序點各危險源及其控制措施內容，當CS架構讀取到批次結束在下個批次開始前，電子看板及時切換至“有限空間作業——清掃滾筒” 3D動畫危險源的介紹及控制措施。通過生產前及批間的安全標準的3D動畫解讀及防控措施模擬，不間斷強化操作工的安全防范意識，提升“人”對環境安全的感知，杜絕安全事件問題的發生。

2）關鍵生產操作標準“感知”水平提升

人工向加料料罐內加入不同模塊對應桶號的糖料是示范點操作工生產關鍵操作，示范點以不同顏色的定置框線區分不同批次不同模塊料筒的擺放區域，防呆防差錯降低因操作問題導致的加料問題。為加強SOPS的適用性，針對加料關鍵操作步驟進行SOPS加料位置區域進行可視化。此外，CS架構向電子看板傳輸信號后電子看板又以3D動畫動作模擬的形式還原加料標準操作步驟，通過上述三種措施提高操作工對“加料”關鍵操作標準的感知度，降低加料錯牌串號的質量事件的發生概率。

3）設備自檢標準“感知”水平提升

操作工需要不定時對對設備及生產環境進行自檢以保證設備運行正常。示范點以示范點SOPS生產前中后標準操作內容看板可視化、3D動畫模擬操作工生產自檢步驟的電子看板可視化的“總”、自檢內容按照步驟順序在自檢部位進行順序化“腳丫行跡化”的“分”的 “總——分”可視化的形式，提升操作工對設備自檢標準的“感知”能力，使操作工自檢標準切實有效的落地執行，提升操作工自主維護設備的質量與效率。

4）設備巡檢標準“感知”水平提升

示范點以“總看板——分部位”的模式，通過高效巡檢路線圖示及巡檢標準內容的總體的SOPS看板——現場設備巡檢路線順序編號圖示可視化——關鍵部位巡檢標準可視化，提高機電修理人員對巡檢標準的感知水平，對潛在的主機設備問題可實現“早發現”、“早預防”、“早解決”，可降低設備事后維修頻率，設備問題維修向預防性維修傾斜，保證優質、高效的巡（點）檢工作。

3.3示范點數據信息“感知”水平提升措施

1）檢驗數據趨勢“感知”水平提升

MES系統中采集的生產相關數據在MES終端機上不能實現操作工的實時讀取與關注。示范點通過CS架構通過MES系統提供的接口讀取MES系統中“碎片化”相關信息的提取、整合后，在電子看板上輸出出口物料含水率、單位時間加料比例、單位時間蒸汽比例、入口物料瞬時流量四個需要密切關注的檢驗指標趨勢線，以此提升了操作工對質量檢驗指標把控的感知度，及時發現指標的異常趨勢。

2）異常數據信息“感知”水平提升

在生產過程中當MES系統檢測到某項關注指標超出了預警線時，示范點通過三種措施提升異常信息“感知”水平：當指標出現異常時，生產現場 “安燈”聲光報警信息立即啟動及時告知現場人員異常信息的發生。同時電子看板立即切換至預警批號、發生時間、相關異常信息的生產預警畫面，此外，電子看板上相關異常信息第一時間通過MES后臺系統將相關信息以短信的形式推送至機電修理跟班人員及生產線管理人員，使處理人員第一時間接收信息并達到現場進行處理。

4 感知信息的集成與處理

上述感知型生產示范點的感知信息來自于多個體系中，可分為結構化的數據和非結構化類型，為使操作者對信息進行感知，需進行多系統不同通訊規約異構集成后通過人機交互界面進行展示。對于安全規程等信息，通過三維動畫形式把安全規程、工作標準和操作規程展示出來，讓操作人員通過視覺感知;為保證生產控制SCADA系統與MES系統的運行安全及獨立性，感知系統將兩系統的數據與畫面在開辟的安全區域內推送數據，視頻畫面與數據可直接進入到感知系統中;人工巡點檢數據通過MES系統中的巡點檢系統人工輸入后進入感知系統中。在各系統信息進入到感知系統中后，在人機交互界面上以時間作為畫面彈出控制節點：在開機時，畫面彈出工作標準和操作流程;在生產時，彈出生產運行實時數據及質量運行信息。通過多個系統的信息異構集成，在有限的人機交互界面上，根據信息在不同時間段和事件突發結果的重要程度，彈出不同的窗口，自動加深這些信息的感知，加強操作者對這些信息的重視程度。通過本感知系統技術，使操作者既能及時調整處理設備運行參數提高產品質量保證水平，又能提高操作者對關鍵信息關注程度，減少次要信息的關注度，減輕人員疲勞，提高工作效率。

5 結束語

綜上所述，本文首先對所在卷煙工廠在“智慧化”卷煙廠的建設過程中生產線現場所面臨的“感知”水平較弱的問題進行了總結分析，以示范點為例，從生產現狀、工作標準、數據信息三個維度圍繞現場“感知”能力進行了探索提升。通過現場感知水平的提升，員工疲勞度降低、滿意度水平提高，設備故障率及過程質量得分顯著改善，切實有效推進了“智慧化”工廠的建設步伐。但是，目前“感知型”示范點的打造仍在探索完善階段，還有諸多細節需要結合工廠現狀借鑒國內外先進理念和技術，打造更加具有“感知”水平的生產現場的“智慧化”工廠。

參考文獻：

[1]《配電網性能智能感知管控系統設計》鄭澤鱗、徐瓊 《電子設計工程》2019年12月[J]

[2]《油田工藝控制系統網絡態勢感知推廣與應用》魯玉慶 田寧 蔡權等 《數字通信世界》2020、08[J]

[3]《數據驅動下交互網絡群智感知任務分配仿真》趙敏 《計算機仿真》2021年1月 38（1）[J]

[4]《油田工藝控制系統網絡態勢感知推廣與應用》魯玉慶 田寧 蔡權等 《數字通信世界》2020、08[J]