基于现场多维感知技术的卷烟工厂制丝工序智能人机和谐系统设计与实现

周爱民 史清英 陈思佳 陶银 祁跃东

摘要：生产现场存在着各种设备、生产、质量等多重信息，操作人员应付各种信息变化并作出正确的处置是提高产品质量、降低生产成本的重要手段。建设高“感知”能力的生产现场、建立人机合一的感知系统也是实现“智慧化”卷烟厂的必要环节。本文以玉溪卷烟厂制丝车间润叶加料工序点为示范点，围绕“人”的感知水平，以工厂信息系统为数据基础，探索了从示范点生产现状、安全规程、工作标准、数据信息四个维度以可视化的方式提高操作人员对现场各种信息“感知”敏捷性能力的途径和方法。

关键词：感知  生产实时数据  系统异构集成  可视化 弹出触发

1引言

工业化的现场生产中，生产要求、工艺标准与各种生产信息、设备信息和质量信息交融在一起，从各个方面影响着作为操作主体的现场操作者。现场操作人员要以生产要求和工艺标准为基准对现场不断变化的设备、质量、运行信息进行及时的预判和处理，对生产顺畅、质量控制和成本控制的作用十分重要。现场操作人员对各种标准熟知和不断变化的现场运行信息及時掌握，是现场操作人员作出正确判断和处置的基础。如何及时正确的感知现场生产信息是提高产品、降低生产成本的有效手段，同时也是提高工业生产现场智能化、建设智能化工厂必要之路。人的感知，最直接的是通过人的感官进行的感知，在人的五项感官器官中，眼睛所看到的是最直接最快速和最能让人留下的映像感知，也即可视化感知最能使人快速做出反应的感知。对感知的研究，国内外有多位学者开展过这方面的研究。如郑泽鳞[1]等提出了结合物联网，建设基于配电网智能胸膛的电网智能感知管控系统;谭征宇[2]等对手机交互性能感知要素进行了研究，探索了高敏感用户对手机交互性能的感知需求;赵敏[3]提出了一种数据驱动下交互网络群智感知任务分配方法，并进行了仿真。鲁玉庆等[4]基于油田工业分布广、数量量大、协议多等特点，就如何实现有效感知工业控制系统网络状态进行了探索。莫尔科夫基纳.达莉雅等[5]研究了水声景对人的感知喜好，并对人的感知阈值做了相关的实验。戎玫等[6]对形式化与可视化相结合的软件体系进行了研究，描述了可视化软件体系的结构。有关感知的文献资料林林总总、汗牛充栋，但主要是网络实现来展开研究，如何使在工业现场中处于感知中心的人来感知来自生产、工艺、质量、设备、安全等各个方面并瞬时变化的信息，并预测各种变化趋势，保证生产顺畅性、提高质量控制水平和各种事故隐患处置能力来开展感知技术的研究少见文献之中。

本文拟通过某卷烟厂生产示范点各生产、质量、安全等要素的可视化感知探索，试点先行、以点带面、复制推广，为推进新一代信息技术和卷烟工业的深度融合，促进工业互联网、云计算、大数据、物联网在卷烟生产制造的综合集成应用，建设“智能化生产”、“数字化管理”的卷烟智慧工厂提供可复制的实例。

2 现状分析

生产制造工厂如何减低生产过程中的突发故障，提高生产的连续和顺畅性是生产企业长期的课题。设备故障、质量缺陷、安全事件等突发故障，会产生生产停顿、质量失控、成本增加、任务完成不及时等问题。降低故障发生率是企业重要的日常工作，也是实现智慧工厂水平的主要目的之一。生产现场“人”（操作工、设备修理工）与其他要素信息之间交互性较弱，即“人”对生产现场相关要素的“感知”水平较弱，是突发故障率较高的重要原因，主要表现在以下三个方面：

1） “人”对生产现状的感知方面。操作工对生产现场的实时生产任务进度、现场相关生产设备状态、物料的输入输出状态“感知”水平较弱，对生产现状的“感知”能力弱将会影响操作工“主体”对“客体”各生产现状的实时把控情况。

2）“人”对生产现场工作标准要求的感知方面。生产现场操作工和设备维护修理工对工作标准中相关要求只停留在文件标准方面，常用的标准文件“感知”手段——可视化的固定展板式SOPS，但这一手段对于现场移动的操作工在空间的参考性上非常有限，这使得大部分标准文件仅流于文件形式，对现场主体“人”的 “被感知”性较弱。

3）“人”对生产现场数据信息的感知方面。目前制造执行系统MES中的相关数据信息大部分服务于管理者，对现场生产相关人员的服务性较弱，部分MES系统中的数据对于生产现场的“人”来说就是“信息孤岛”，对生产现场的“人”的“被感知”力弱，如对部分存在异常问题的趋势数据不能及时“感知”而进行预判处理。

3 “感知型”示范点应用探索

针对上述现场“感知”水平弱的问题，本文以制丝车间润叶加料工序点为例进行示范点应用探索。此工序主要工艺任务是将来自预配储叶柜的叶片通过润叶滚筒均匀喷洒糖料后输出至配方储叶柜的工序。从提高“人”对生产现场现状、现场工作标准、生产现场数据信息三个维度，设备状态、物料状态、任务进度、设备自检标准、设备巡检标准、生产操作标准、安全操作标准、异常信息、检验数据趋势九个方面的交互性入手，依托MES系统、CS（Client / Server）架构及现场可视化电子看板，利用可视化、行迹化、信息化、透明化等手段，实现与生产现场有关的示范点信息被人快速、精准地感知。

3.1 示范点生产现状“感知”水平提升

1）任务进度“感知”水平提升

CS架构通过MES系统提供的接口读取MES工单，在电子看板上实时显示制丝生产订单任务进度条，实现生产任务进度的可视化，以不同颜色区分任务进度，“绿色”代表任务已经生产完毕，“橙色”代表目前正在生产中，“灰色”为待生产任务，通过任务进度提升生产人员对生产任务进度的感知水平。同时通过网络与动力供应部门共享订单任务生产进度信息，可有效提升动力部门预估能源供应时间节点的准确性减少能源浪费。

2）物料状态“感知”水平提升

为更好的监测示范点物料的输入输出，提升现场工作人员对物料状态“感知”水平，在示范点预配储叶柜及配叶柜处安装分别安装数个监测摄像装置，CS架构监测到预配柜监测出柜开始信号，电子看板画面自动切换播放 “物料输入——超回出柜”相关信息及画面监控视图，显著提升了操作工对物料进出状态的“感知”水平，减少了操作工频繁跑动“看柜”的动作浪费，降低了因确认物料进出柜不及时造成的物料堵塞等故障的风险。

3）设备状态“感知”水平提升

加料滚筒为本工序的核心主机设备，其相关的设备状态参数直接影响加入糖料的均匀度及物料的含水率。 当CS架构读取到MES系统中润叶入柜电子秤累计重量达到一定重量时，“设备状态参数”可视化视图切入到电子看板画面中，实现了加料滚筒的设备指标：热风温度、排潮风门开度、雾化蒸汽压力等状态参数的电子看板可视化，提高了操作工对主机设备运行状态的感知度，通过设备状态参数的实时可视化，实现操作工对主机设备状态参数的实时感知。

3.2 示范点工作标准“感知”水平提升措施

1）安全工作标准“感知”水平提升

安全生产贯穿在整个生产周期，每天在开班生产前设备预热等待阶段，电子看板通过3D动画形式讲述工序点各危险源及其控制措施内容，当CS架构读取到批次结束在下个批次开始前，电子看板及时切换至“有限空间作业——清扫滚筒” 3D动画危险源的介绍及控制措施。通过生产前及批间的安全标准的3D动画解读及防控措施模拟，不间断强化操作工的安全防范意识，提升“人”对环境安全的感知，杜绝安全事件问题的发生。

2）关键生产操作标准“感知”水平提升

人工向加料料罐内加入不同模块对应桶号的糖料是示范点操作工生产关键操作，示范点以不同颜色的定置框线区分不同批次不同模块料筒的摆放区域，防呆防差错降低因操作问题导致的加料问题。为加强SOPS的适用性，针对加料关键操作步骤进行SOPS加料位置区域进行可视化。此外，CS架构向电子看板传输信号后电子看板又以3D动画动作模拟的形式还原加料标准操作步骤，通过上述三种措施提高操作工对“加料”关键操作标准的感知度，降低加料错牌串号的质量事件的发生概率。

3）设备自检标准“感知”水平提升

操作工需要不定时对对设备及生产环境进行自检以保证设备运行正常。示范点以示范点SOPS生产前中后标准操作内容看板可视化、3D动画模拟操作工生产自检步骤的电子看板可视化的“总”、自检内容按照步骤顺序在自检部位进行顺序化“脚丫行迹化”的“分”的 “总——分”可视化的形式，提升操作工对设备自检标准的“感知”能力，使操作工自检标准切实有效的落地执行，提升操作工自主维护设备的质量与效率。

4）设备巡检标准“感知”水平提升

示范点以“总看板——分部位”的模式，通过高效巡检路线图示及巡检标准内容的总体的SOPS看板——现场设备巡检路线顺序编号图示可视化——关键部位巡检标准可视化，提高机电修理人员对巡检标准的感知水平，对潜在的主机设备问题可实现“早发现”、“早预防”、“早解决”，可降低设备事后维修频率，设备问题维修向预防性维修倾斜，保证优质、高效的巡（点）检工作。

3.3示范点数据信息“感知”水平提升措施

1）检验数据趋势“感知”水平提升

MES系统中采集的生产相关数据在MES终端机上不能实现操作工的实时读取与关注。示范点通过CS架构通过MES系统提供的接口读取MES系统中“碎片化”相关信息的提取、整合后，在电子看板上输出出口物料含水率、单位时间加料比例、单位时间蒸汽比例、入口物料瞬时流量四个需要密切关注的检验指标趋势线，以此提升了操作工对质量检验指标把控的感知度，及时发现指标的异常趋势。

2）异常数据信息“感知”水平提升

在生产过程中当MES系统检测到某项关注指标超出了预警线时，示范点通过三种措施提升异常信息“感知”水平：当指标出现异常时，生产现场 “安灯”声光报警信息立即启动及时告知现场人员异常信息的发生。同时电子看板立即切换至预警批号、发生时间、相关异常信息的生产预警画面，此外，电子看板上相关异常信息第一时间通过MES后台系统将相关信息以短信的形式推送至机电修理跟班人员及生产线管理人员，使处理人员第一时间接收信息并达到现场进行处理。

4 感知信息的集成与处理

上述感知型生產示范点的感知信息来自于多个体系中，可分为结构化的数据和非结构化类型，为使操作者对信息进行感知，需进行多系统不同通讯规约异构集成后通过人机交互界面进行展示。对于安全规程等信息，通过三维动画形式把安全规程、工作标准和操作规程展示出来，让操作人员通过视觉感知;为保证生产控制SCADA系统与MES系统的运行安全及独立性，感知系统将两系统的数据与画面在开辟的安全区域内推送数据，视频画面与数据可直接进入到感知系统中;人工巡点检数据通过MES系统中的巡点检系统人工输入后进入感知系统中。在各系统信息进入到感知系统中后，在人机交互界面上以时间作为画面弹出控制节点：在开机时，画面弹出工作标准和操作流程;在生产时，弹出生产运行实时数据及质量运行信息。通过多个系统的信息异构集成，在有限的人机交互界面上，根据信息在不同时间段和事件突发结果的重要程度，弹出不同的窗口，自动加深这些信息的感知，加强操作者对这些信息的重视程度。通过本感知系统技术，使操作者既能及时调整处理设备运行参数提高产品质量保证水平，又能提高操作者对关键信息关注程度，减少次要信息的关注度，减轻人员疲劳，提高工作效率。

5 结束语

综上所述，本文首先对所在卷烟工厂在“智慧化”卷烟厂的建设过程中生产线现场所面临的“感知”水平较弱的问题进行了总结分析，以示范点为例，从生产现状、工作标准、数据信息三个维度围绕现场“感知”能力进行了探索提升。通过现场感知水平的提升，员工疲劳度降低、满意度水平提高，设备故障率及过程质量得分显著改善，切实有效推进了“智慧化”工厂的建设步伐。但是，目前“感知型”示范点的打造仍在探索完善阶段，还有诸多细节需要结合工厂现状借鉴国内外先进理念和技术，打造更加具有“感知”水平的生产现场的“智慧化”工厂。

参考文献：

[1]《配电网性能智能感知管控系统设计》郑泽鳞、徐琼 《电子设计工程》2019年12月[J]

[2]《油田工艺控制系统网络态势感知推广与应用》鲁玉庆 田宁 蔡权等 《数字通信世界》2020、08[J]

[3]《数据驱动下交互网络群智感知任务分配仿真》赵敏 《计算机仿真》2021年1月 38（1）[J]

[4]《油田工艺控制系统网络态势感知推广与应用》鲁玉庆 田宁 蔡权等 《数字通信世界》2020、08[J]