面制食品數(shù)字化車間應(yīng)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(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)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(gòu)的數(shù)字化車間方案，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將工藝生產(chǎn)、排產(chǎn)調(diào)度、計劃管理集成起來，實現(xiàn)可靈活配置的定制化高效生產(chǎn);通過現(xiàn)場采集設(shè)備的數(shù)字化，提供足夠多的生產(chǎn)和質(zhì)檢信息，除可進(jìn)行輔助決策工藝改進(jìn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量外，還能實施全產(chǎn)品生命周期的產(chǎn)品追溯，確保食品安全。

關(guān)鍵詞：面制食品;數(shù)字化車間;數(shù)據(jù)采集;生產(chǎn)執(zhí)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(shù)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)行業(yè)的食品加工也正經(jīng)歷著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造升級。先進(jìn)的食品加工生產(chǎn)線采用溫度、濕度、成分、速度等多種傳感器及先進(jìn)的控制技術(shù)，過程參數(shù)可根據(jù)工藝要求精確設(shè)定、穩(wěn)定保持，在發(fā)揚傳統(tǒng)優(yōu)良工藝的同時更能提高產(chǎn)品品質(zhì)與口感、豐富產(chǎn)品品相與風(fēng)味。

基于數(shù)字化技術(shù)深入研究食品加工條件、組分結(jié)構(gòu)變化、食品品質(zhì)功能特性三者的關(guān)聯(lián)性，尋找出可以精準(zhǔn)調(diào)控品質(zhì)的理論、途徑與方法，最終按照目標(biāo)食品品質(zhì)功能特性的需求實現(xiàn)食品的精準(zhǔn)調(diào)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(jìn)與提高面制食品的數(shù)字化生產(chǎn)將能更好滿足人民群眾的需求。

1 數(shù)字化車間架構(gòu)

面制食品數(shù)字化車間以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，以饅頭為例包括加水系統(tǒng)、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(fā)汽蒸、冷卻機和自動包裝機。醒發(fā)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(zhuǎn)化成電信號，控制電磁閥門以達(dá)到控制進(jìn)氣量的目的，并根據(jù)季節(jié)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制醒發(fā)室內(nèi)的溫濕度均勻，滿足工藝要求[2]。以網(wǎng)絡(luò)為連接，數(shù)字化車間通常采用三層架構(gòu)，頂層負(fù)責(zé)實時管控整個生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)配方與生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整，中層是生產(chǎn)車間能夠進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)交換和外部數(shù)據(jù)對接的通訊網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾瘦^快，并且通訊接線方式較為簡單，通訊的距離較遠(yuǎn)，底層是針對工藝中細(xì)節(jié)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(shè)備，能夠?qū)崟r調(diào)控工藝參數(shù)[3]?；谶@一思路本文提出面制食品數(shù)字化車間架構(gòu)如圖1所示。

生產(chǎn)現(xiàn)場層包括了生產(chǎn)加工所必須的各種基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，其中網(wǎng)絡(luò)和信息基礎(chǔ)設(shè)施是承載數(shù)字化車間業(yè)務(wù)運行和信息集成的基礎(chǔ)，數(shù)字化生產(chǎn)加工設(shè)備是執(zhí)行加工、檢驗、物料運送等任務(wù)和反饋的終端，還包括車間人員和工位的管理。面制食品數(shù)字化車間采用的數(shù)字化設(shè)備和工業(yè)軟件組成生產(chǎn)加工系統(tǒng)，自動進(jìn)行信息動態(tài)采集和命令實時執(zhí)行，包括承擔(dān)物料運送、加工、傳感、檢驗、包裝、顯示等任務(wù)的各種設(shè)備。生產(chǎn)加工中用到的物料、產(chǎn)品、載具及相關(guān)操作等雖不具備直接數(shù)字化通信能力，但可借助條碼、RFID等技術(shù)進(jìn)行標(biāo)識，參與加工過程并與系統(tǒng)進(jìn)行自動或半自動交互。系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，可通過設(shè)備聯(lián)網(wǎng)（有線和無線）實現(xiàn)生產(chǎn)加工過程的透明化，并可通過電子看板對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中展示。生產(chǎn)運行層一方面可實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、工藝執(zhí)行、質(zhì)量管理、現(xiàn)場管理、統(tǒng)計分析等功能，以便對生產(chǎn)過程中的各類業(yè)務(wù)、活動或相關(guān)資產(chǎn)進(jìn)行管理，實現(xiàn)車間加工過程的數(shù)字化、精益化及透明化;另一方面可通過集成下層控制系統(tǒng)和上層信息管理系統(tǒng)，構(gòu)成智能化的生產(chǎn)加工系統(tǒng)，并建立起對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字化車間將與企業(yè)資源管理、產(chǎn)品設(shè)計、服務(wù)與支持等環(huán)節(jié)通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)形成有機整體。

2 數(shù)據(jù)采集

為實現(xiàn)面制食品的智能制造，生產(chǎn)現(xiàn)場加工工序應(yīng)實現(xiàn)數(shù)字化，即生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)能通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（有線或無線）上傳至運行/管理層（MES/MOM），生產(chǎn)設(shè)備能接收、執(zhí)行通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)下傳的指令、并能根據(jù)工況和環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)整。且在遵循一定通信協(xié)議的情況下使設(shè)備通用性更強。

對于面制食品數(shù)字化車間，數(shù)字化采集設(shè)備能實現(xiàn)以下功能：①通過智能感知和自動檢測，對各種生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)和質(zhì)檢參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。②對生產(chǎn)過程進(jìn)行信息化管理，為企業(yè)提供決策支持以糾正和改進(jìn)加工過程。同時，可對生產(chǎn)過程的錯誤進(jìn)行報警，將企業(yè)損失降到最低。③對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測，對測量值進(jìn)行實時分析，建立安全雙向追溯系統(tǒng)，從而快速定位質(zhì)量問題。④對生產(chǎn)設(shè)備和工具定期檢查，跟蹤和指導(dǎo)作業(yè)活動，對突發(fā)問題可響應(yīng)和報警，對問題進(jìn)行診斷和記錄，以便后續(xù)追蹤。⑤通過傳感器、RFID、智能終端及網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對車間運行數(shù)據(jù)的動態(tài)采集。

車間或監(jiān)控室大屏幕連接到主網(wǎng)，同時通過終端大屏上的瀏覽器連接到應(yīng)用服務(wù)器。生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、KPI數(shù)據(jù)可通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)由生產(chǎn)運行系統(tǒng)自動進(jìn)行傳感器報文讀取，也可根據(jù)需要和系統(tǒng)配置以常見格式進(jìn)行文件傳輸（如EXCEL文件），當(dāng)車間存在不同通信協(xié)議時，將通過開放軟件接口（如OPC UA）進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，以便于質(zhì)量數(shù)據(jù)和成本數(shù)據(jù)的實時分析。原輔料、產(chǎn)品、載具等的賦碼信息可通過手持或固定式掃描器進(jìn)行采集，通過網(wǎng)絡(luò)（有線或無線）上傳至生產(chǎn)運行系統(tǒng)。第三方檢測和質(zhì)檢數(shù)據(jù)可以常見格式（如PDF文件）上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫作文件保存，也可分解其中的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫作進(jìn)一步分析。

生產(chǎn)現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)進(jìn)度、工時統(tǒng)計、質(zhì)量狀況、設(shè)備運行狀況等，在經(jīng)過數(shù)據(jù)中心的組織梳理后，可以根據(jù)需要的樣式，以報表、統(tǒng)計圖等方式在監(jiān)控大屏上進(jìn)行展示，實施反映車間的生產(chǎn)狀況，便于生產(chǎn)主管及時掌握作業(yè)情況。數(shù)字化車間部署的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要對現(xiàn)場倉庫、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控，保證車間現(xiàn)場操作的安全、有序，保證生產(chǎn)效率的充分發(fā)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(shù)字化車間還部署了視頻分析系統(tǒng)，通過畫面智能分析，對異常情況及時做出判斷，向相關(guān)人員做出預(yù)警，以便迅速采取應(yīng)對措施，減小影響。

3 產(chǎn)品追溯

面制食品數(shù)字化車間將實現(xiàn)食品質(zhì)量安全順向可追蹤、逆向可溯源、風(fēng)險可管控，發(fā)生質(zhì)量安全問題時產(chǎn)品可召回、原因可查清、責(zé)任可追究，保障食品質(zhì)量安全。產(chǎn)品追溯管理體系涵蓋車間生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，包括原材料廠、工藝執(zhí)行、車間物流與倉儲、生產(chǎn)加工過程、包裝與裝配、車間檢測等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。數(shù)字化車間質(zhì)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(zhì)量管理與追溯管理信息將服務(wù)于企業(yè)管理層的質(zhì)量管理與產(chǎn)品追溯管理，并進(jìn)一步向國家、行業(yè)即食品追溯管理平臺提供企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②從橫向價值鏈過程，與企業(yè)管理層中的訂單管理、銷售管理、物流管理信息緊密關(guān)聯(lián)。企業(yè)收到訂單信息后，開始進(jìn)行廠外原材料采購、配送等活動，之后原材料進(jìn)入生產(chǎn)車間;成品檢測后進(jìn)入廠外配送環(huán)節(jié)，并實時采集物流配送數(shù)據(jù)、形成銷售信息傳遞給企業(yè)管理層。

面制食品的質(zhì)量管理與追溯體系涵蓋生產(chǎn)車間內(nèi)、外不同系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。并可根據(jù)實際情況增加其他模塊。其中，生產(chǎn)現(xiàn)場層包括了數(shù)字化車間生產(chǎn)制造所必須的各種基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字化設(shè)備、數(shù)字化工序管理，是承載數(shù)字化車間業(yè)務(wù)運行和信息集成的基礎(chǔ)，通過車間基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字化設(shè)備與工序管理實時采集車間現(xiàn)場質(zhì)量管理與現(xiàn)場追溯管理的各類數(shù)據(jù)。生產(chǎn)執(zhí)行層包括了車間產(chǎn)品追溯的核心流程與管理措施，并建立與生產(chǎn)現(xiàn)場執(zhí)行管理、企業(yè)資源管理系統(tǒng)相連接的產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，并為相關(guān)方提供追溯信息。面制食品數(shù)字化車間的產(chǎn)品追溯信息是全供應(yīng)鏈產(chǎn)品追溯信息的一部分，數(shù)字化車間產(chǎn)品追溯信息滿足了跨軟件系統(tǒng)的追溯信息集成，實現(xiàn)正向與逆向追溯，包括：①消費者?；趩蝹€產(chǎn)品的正向產(chǎn)品追溯。②監(jiān)管者。基于批次產(chǎn)品的雙向產(chǎn)品追溯。③生產(chǎn)者?；趩蝹€、批次產(chǎn)品的雙線產(chǎn)品追溯，以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的內(nèi)部流程信息追溯。

4 結(jié)語

本文討論的面制食品數(shù)字化車間在合肥某食品公司進(jìn)行了實施，統(tǒng)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(chǎn)特征，增加了產(chǎn)品品相，通過全鏈的產(chǎn)品追溯滿足了食品安全監(jiān)管要求，增強了消費者的信任度。因此，通過實施面制食品數(shù)字化車間改造，建立適應(yīng)生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高現(xiàn)場設(shè)備數(shù)字化率，完善數(shù)字化產(chǎn)品追溯體系將有力推動食品行業(yè)以智能制造帶動產(chǎn)業(yè)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。

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