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基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工
來源：環(huán)球糧機網(wǎng)發(fā)布時間：2021-03-18 17:28:53
摘要：以榮業(yè)稻米加工智能工廠為單元，本文詳細介紹了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)稻米智能加工，并在遠程實現(xiàn)設(shè)備的精細化操控與管理的共享平臺的構(gòu)建及其應(yīng)用。通過對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建與運用，稻米加工現(xiàn)場全過程僅需要負責設(shè)備維護的機修工，實現(xiàn)真正意義的“無人工廠”。
一、需求的產(chǎn)生
生產(chǎn)智能化在全球范圍內(nèi)風起云涌，中國作為城鎮(zhèn)化比例接近45%且仍在持續(xù)城鎮(zhèn)化的人口大國，“藏糧于技”已成為國策，處于農(nóng)頭工尾的糧食加工業(yè)承擔著時代賦予的重任：降低加工損耗，滿足消費升級。為此，政府倡導“杜絕過度加工，轉(zhuǎn)型適度加工”，并修改了大米國家質(zhì)量標準。
與此同時，我國的糧食加工業(yè)又有著先天不足，（1）實際生產(chǎn)中，在絕大多數(shù)的中小企業(yè)，適度加工因技術(shù)上的障礙而難以落地；（2）加工過程中，由于缺少在線的實時質(zhì)量檢測，加工的度不好掌控，直接導致過度加工。（3）生產(chǎn)一線工作環(huán)境惡劣，勞動強度大，后繼乏人；（4）從業(yè)人員文化素質(zhì)與技術(shù)素養(yǎng)偏低，不能適應(yīng)智能化時代要求。顯然地，新時代賦予的使命與糧食加工業(yè)的先天不足存在著巨大的反差。
為了解決這一核心矛盾，行業(yè)內(nèi)不少有使命感的企業(yè)與有識之士作出了許多努力與創(chuàng)新：為了減輕工人勞動強度，改善工作環(huán)境，創(chuàng)新了基于PLC可在局域網(wǎng)或遠程啟動與關(guān)停設(shè)備，并查看工作電流以了解設(shè)備工作狀態(tài)的自動化控制系統(tǒng)；在重要工序提升設(shè)備的數(shù)字化能力，創(chuàng)新了可變頻的“無人值守礱谷機”；為了彌補基層工人技術(shù)能力的不足，更是創(chuàng)新出了具有遠程操控與管理維護能力的“云色選”，等等......
然而，面對糧食加工業(yè)使命與能力的巨大差距，這些努力與創(chuàng)新并沒能從本質(zhì)上解決這一核心矛盾。
（1）不能實現(xiàn)智能控制中決定性的在線閉環(huán)——根據(jù)實時加工工藝效果，來反饋調(diào)制生產(chǎn)設(shè)備控制元素。任何形式的生產(chǎn)，工藝與產(chǎn)量才是加工的核心目標與唯一目的，在保證產(chǎn)量的前提下，每一個環(huán)節(jié)、每一道工序、每一臺設(shè)備的加工工藝效果，必需是唯一的設(shè)備控制依據(jù)。
（2）控制環(huán)節(jié)孤立且單一。糧食加工的生產(chǎn)過程是一個系統(tǒng)工程，各道工序的設(shè)備應(yīng)有機配合，相互通信，單一環(huán)節(jié)的智能化或無人化，對于整個生產(chǎn)無異于杯水車薪。
（3）控制參數(shù)單一。設(shè)備調(diào)控，除了決定性的依據(jù)——在線工藝檢測進行閉環(huán)控制之外，設(shè)備本身控制元素的數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化亦屬關(guān)鍵要素，遠程開關(guān)機只是最基本的元素，起不到調(diào)制設(shè)備的作用，僅僅根據(jù)電流也無法形成控制決策，否則就是盲控，工藝效果無法得到保證，加工品質(zhì)就無從談起。
二、需求的確立
以上這些問題的集結(jié)，對糧食加工的智能化生產(chǎn)也就提出了具體要求：
（1）實用。智能系統(tǒng)控制的邏輯必需是科學的，控制的依據(jù)必需是客觀的，控制的節(jié)奏必須是實時的，控制的手段必需是柔性的。
控制邏輯的科學性，要求智能控制必需是在線多環(huán)閉合控制，它不僅需要設(shè)備各控制元素的在線閉環(huán)，更為重要的是需要工藝效果與設(shè)備調(diào)控的在線閉環(huán)。因此，在控制邏輯上，稻米加工的智能化生產(chǎn)一定、也只能建立在加工效果在線工藝檢測的基礎(chǔ)上。
控制依據(jù)的客觀性則要求設(shè)備各控制元素的信息感知是可靠的，處理信息的算法是科學的，尤其要求在線工藝檢測必須是準確的和實時的。
控制節(jié)奏的實時性，要求控制閉環(huán)是在線的，也就進一步要求在線檢測系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備之間具有毫秒級的通信能力。因此，車間內(nèi)的各生產(chǎn)節(jié)點、各在線檢測機器人必需是聯(lián)網(wǎng)的。
控制手段的柔性化則要求智控必需是以在線工藝檢測為核心基礎(chǔ)的精細化調(diào)制：礱谷淌板始終對準兩輥間，輥壓以100帕的精度調(diào)節(jié)，電流的瞬間波動控制在0.1安培以內(nèi)...... 等等。
（2）適用。智能化生產(chǎn)最終的落地，必須適應(yīng)糧食加工的各種復雜現(xiàn)場環(huán)境，并能從兩個方面顯著改善目前加工行業(yè)現(xiàn)狀：極大程度降低損耗，顯著提高得米率；滿足適度加工需求，提高品質(zhì)，促成大米消費升級。
（3）好用。不僅能促使行業(yè)從業(yè)人員的技術(shù)能力結(jié)構(gòu)升級，更能在當前行業(yè)一線生產(chǎn)工作人員技術(shù)素質(zhì)偏低的條件下，妥善解決智能系統(tǒng)的操作、管理及維護的問題。
滿足這些需求的唯一實現(xiàn)手段是：以稻米加工智能工廠為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工共享平臺。
三、平臺的構(gòu)建
平臺構(gòu)建以“稻米加工智能工廠”為單元，一個單元即為一家稻米加工企業(yè)，其本身已實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)，其中包括稻米加工效果在線工藝檢測系統(tǒng)、車間內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工廠內(nèi)私有云平臺、傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造與升級、設(shè)備的智能化控制。
（1）通過稻米加工車間內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將稻米加工工廠內(nèi)的去石機、礱谷機、碾米機、色選機、拋光機、配米秤等生產(chǎn)設(shè)備與稻米加工在線工藝檢測系統(tǒng)連結(jié)成工廠內(nèi)生產(chǎn)局域網(wǎng)；再通過生產(chǎn)局域網(wǎng)將設(shè)備的運行傳感信息與各道工序的加工工藝效果檢測數(shù)據(jù)傳送至工廠內(nèi)智能控制平臺服務(wù)器，即工廠的“私有云服務(wù)器”；私有云服務(wù)器通過有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或者5G網(wǎng)絡(luò)與公網(wǎng)連接，并在邊界架設(shè)VPN加密客戶端。
工廠內(nèi)私有云服務(wù)器從各道工序的加工設(shè)備上獲取設(shè)備的運行信息，這些信息是實時的，包括：礱谷機的兩輥線速度及線速度差、輥壓、下料淌板與膠輥外切線距離差、礱谷機的工作電流、入料流量；碾米機的入料流量、碾米機工作電流、碾米機碾米室壓力；拋光機的工作電流、拋光室的壓力、拋光室的濕度、入料流量......
工廠內(nèi)私有云服務(wù)器從在線工藝檢測機器人獲取各道工序的加工工藝數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是實時的，包括清雜去石工序，去石效果、副產(chǎn)品的帶出率；礱谷工序，脫殼率、碎糙米率、未熟粒率、凈糙米中含谷率；碾米工序，各道碾米的達標率、過碾率、碾米不足率、碎米率、小碎米率、碾減率、留皮率、留胚率；色選工序，黃粒米率、病斑率、堊白率、重度堊白率、留皮率、留胚率，帶出率；拋光工序，碎米率、拋光達標率、拋光不達標率、過拋率；成品工序，留胚率、留皮率、黃粒米率、病斑率、碎米率、小碎米率、堊白率、重度堊白率......
（2）構(gòu)建稻米加工遠程生產(chǎn)操作與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：在公網(wǎng)上架設(shè)中心管理服務(wù)器，通過中心端VPN經(jīng)各工廠客戶端VPN與各稻米加工工廠私有云服務(wù)器連通，智能終端則通過軟件VPN經(jīng)中心端VPN與中心管理服務(wù)器連通，通過VPN加密處理，所有連入系統(tǒng)的各稻米加工企業(yè)、中心管理服務(wù)器、各智能終端組成一張?zhí)摂M專網(wǎng)
（3）中心管理服務(wù)器對所有虛擬專網(wǎng)內(nèi)設(shè)備和通信進行管理，包括各工廠私有云服務(wù)器與各智能終端的標識、標識管理與存儲、標識解析以及通信轉(zhuǎn)發(fā)，但中心管理服務(wù)器并不存儲工廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的運行信息與在線工藝檢測數(shù)據(jù)。
每個稻米加工企業(yè)的私有云服務(wù)器的主板、網(wǎng)卡、硬盤的序列號均通過散列函數(shù)加密方式存儲在中心管理服務(wù)器，每臺智能終端（包括平板電腦、智能手機、PC）的序列號與標識碼也通過散列函數(shù)加密方式存儲在中心管理服務(wù)器，每臺私有云服務(wù)器與智能終端的標識信息均通過手工方式在中心管理服務(wù)器上添加，中心管理服務(wù)器不支持自動添加方式。
稻米加工企業(yè)私有云服務(wù)器啟動工作時，自動向中心管理服務(wù)器發(fā)出連接請求，請求信息中包含本設(shè)備的標識數(shù)據(jù)，連接信息經(jīng)VPN加解密認證通過，中心管理服務(wù)器從存儲列表提取信息與連接請求信息進行比對，經(jīng)確認后建立連接。
同樣地，智能終端啟動工作時，遵循以上方式與中心管理服務(wù)器建立通信連接。每臺智能終端與所需連接的稻米加工企業(yè)私有云服務(wù)器之間為一一對應(yīng)關(guān)系，即“一工廠”的智能終端只能與“一工廠”的私有云服務(wù)器建立通信，但不能與“二工廠”或者其他工廠的私有云服務(wù)器建立通信。
（4）稻米加工企業(yè)私有云服務(wù)器與對應(yīng)的智能終端在經(jīng)過認證并連入VPN專網(wǎng)后，智能終端與工廠私有云服務(wù)器之間建立通信，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸均經(jīng)過對稱加密，而對稱加密的密鑰則經(jīng)非對稱加密以數(shù)字信封送達。
（5）智能終端從工廠私有云服務(wù)器上獲取工廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備運行信息與在線工藝檢測數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)的趨勢圖，這些趨勢圖分工序產(chǎn)生，并將對應(yīng)的設(shè)備運行各參數(shù)趨勢圖與加工工藝檢測各參數(shù)趨勢圖進行比較：
其一，依據(jù)在線工藝檢測數(shù)據(jù)，遠程調(diào)制對應(yīng)工序設(shè)備的相應(yīng)控制元素；
其二，依據(jù)在線工藝檢測數(shù)據(jù)趨勢圖與設(shè)備運行參數(shù)趨勢圖對比，可以判斷來料水分、分級變化情況，并作出相應(yīng)的設(shè)備調(diào)制；
其三，依據(jù)在線工藝檢測數(shù)據(jù)趨勢圖與設(shè)備運行參數(shù)趨勢圖對比可以判斷設(shè)備工作性能與是否故障情況，并采取相應(yīng)措施。
四、應(yīng)用舉例
平板電腦p充當智能終端，其訪問權(quán)限對應(yīng)于稻米加工企業(yè)A的私有云服務(wù)器Af，通過VPN與中心管理服務(wù)器認證之后，P與Af建立連接并通信，P從Af上獲取A的最末道（終碾）碾米機（不局限于某一道碾米，更不局限于某一道加工工序）碾米室壓力、入料流量、工作電流等實時運行數(shù)據(jù)；并且，p從Af上獲取A的終碾的留胚率、留皮率、碎米率、達標率、碾減率等在線工藝檢測數(shù)據(jù)；并生成運行參數(shù)與工藝參數(shù)的趨勢對比圖：
（圖一：橫坐標，回次；縱坐標，壓力，單位10N）
（圖二，橫坐標，回次；縱坐標，電流，單位：安培）
（圖三，橫坐標，回次；縱坐標，留皮率或留胚率，單位：%）
（圖四，橫坐標，時間；縱坐標，碎米率，單位：%）
（1）當各參數(shù)趨勢圖類似于圖一、圖二、圖三、圖四般平穩(wěn)，則表明終碾工序碾米機工作正常，加工工藝正常；
（2）當圖一、圖二、圖四如上平穩(wěn)，圖三曲線明顯下降，則表明來料水分升高，碾米室壓力需要調(diào)整（增加），在p的界面上遠程調(diào)節(jié)A的終碾碾米機的碾米室壓力，以保證終碾目標精度；
（3）當圖一、圖二、圖三如上平穩(wěn)，圖四曲線明顯向上，則表明來料分級，粒型發(fā)生變化，碎米增多，但無需調(diào)整設(shè)備；
（4）當圖二如上平穩(wěn)，圖一曲線明顯向上，圖三曲線略有向上，圖四曲線明顯向上，則表明碾米機米刀需要調(diào)整；
（5）當在p界面上遠程主動調(diào)整A的終碾碾米機控制參數(shù)后，圖一、圖二、圖四均明顯向上，而圖三向上趨勢不明顯，則表明碾米機砂輥需要更換；
（6）此外，p可以從Af獲取A任何一道工序在線檢測樣本原始圖像。
其他工序，其他設(shè)備，與此類同：
（平板電腦充當智能終端時的管理界面）
五、意義與價值
稻米加工智能工廠能帶來廣大中小加工企業(yè)的生產(chǎn)力的提高與經(jīng)濟效益的提升，降低加工損耗，減少加工浪費，顯著增加得米率；促成適度加工落地，提升加工品質(zhì)，適應(yīng)消費升級；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工平臺就是一個資源共享、技術(shù)共享、信息共享、市場共享的大數(shù)據(jù)整合共享平臺，它會促使智能工廠實現(xiàn)對行業(yè)生產(chǎn)力的提升：
（1）實現(xiàn)真正的無人工廠（僅需設(shè)備維修工人），解決后備勞動力嚴重不足問題，使行業(yè)獲得可持續(xù)發(fā)展能力；
（2）擺脫企業(yè)因人員的流動帶來的生產(chǎn)不穩(wěn)定因素，智能系統(tǒng)會找到設(shè)備的最佳工作狀態(tài)，并完成生產(chǎn)的精準閉環(huán)控制。
（3）解決當前加工企業(yè)一線人員對智能系統(tǒng)的操作使用、維護與管理方面技術(shù)能力的不足，并促成行業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)升級；
（4）平臺大數(shù)據(jù)可直接反映當年各地、各品種的加工屬性，并不斷優(yōu)化各品種加工工藝；
（5）在平臺上，加工企業(yè)即可獲得技術(shù)共享，更可以解決自身創(chuàng)新能力不足的問題；
（6）走進平臺，就相當于加入到智能時代的技術(shù)聯(lián)盟，加工企業(yè)獲得相對于同行的巨大競爭優(yōu)勢。
進一步，將平臺延伸至to C或與to C平臺對接時，即實現(xiàn)完整的稻米加工“智能制造”：消費者或大客戶通過to C平臺下單，加工企業(yè)最終完成“按單生產(chǎn)”向“按需生產(chǎn)”轉(zhuǎn)換，而這個流程則是全智能化流程。
