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基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工
來(lái)源：環(huán)球糧機網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2021-03-18 17:28:53
摘要：以榮業(yè)稻米加工智能工廠(chǎng)為單元，本文詳細介紹了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現稻米智能加工，并在遠程實(shí)現設備的精細化操控與管理的共享平臺的構建及其應用。通過(guò)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構建與運用，稻米加工現場(chǎng)全過(guò)程僅需要負責設備維護的機修工，實(shí)現真正意義的“無(wú)人工廠(chǎng)”。
一、需求的產(chǎn)生
生產(chǎn)智能化在全球范圍內風(fēng)起云涌，中國作為城鎮化比例接近45%且仍在持續城鎮化的人口大國，“藏糧于技”已成為國策，處于農頭工尾的糧食加工業(yè)承擔著(zhù)時(shí)代賦予的重任：降低加工損耗，滿(mǎn)足消費升級。為此，政府倡導“杜絕過(guò)度加工，轉型適度加工”，并修改了大米國家質(zhì)量標準。
與此同時(shí)，我國的糧食加工業(yè)又有著(zhù)先天不足，（1）實(shí)際生產(chǎn)中，在絕大多數的中小企業(yè)，適度加工因技術(shù)上的障礙而難以落地；（2）加工過(guò)程中，由于缺少在線(xiàn)的實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測，加工的度不好掌控，直接導致過(guò)度加工。（3）生產(chǎn)一線(xiàn)工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強度大，后繼乏人；（4）從業(yè)人員文化素質(zhì)與技術(shù)素養偏低，不能適應智能化時(shí)代要求。顯然地，新時(shí)代賦予的使命與糧食加工業(yè)的先天不足存在著(zhù)巨大的反差。
為了解決這一核心矛盾，行業(yè)內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(dòng)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(dòng)與關(guān)停設備，并查看工作電流以了解設備工作狀態(tài)的自動(dòng)化控制系統；在重要工序提升設備的數字化能力，創(chuàng )新了可變頻的“無(wú)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(méi)能從本質(zhì)上解決這一核心矛盾。
（1）不能實(shí)現智能控制中決定性的在線(xiàn)閉環(huán)——根據實(shí)時(shí)加工工藝效果，來(lái)反饋調制生產(chǎn)設備控制元素。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(gè)環(huán)節、每一道工序、每一臺設備的加工工藝效果，必需是唯一的設備控制依據。
（2）控制環(huán)節孤立且單一。糧食加工的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)系統工程，各道工序的設備應有機配合，相互通信，單一環(huán)節的智能化或無(wú)人化，對于整個(gè)生產(chǎn)無(wú)異于杯水車(chē)薪。
（3）控制參數單一。設備調控，除了決定性的依據——在線(xiàn)工藝檢測進(jìn)行閉環(huán)控制之外，設備本身控制元素的數字化與網(wǎng)絡(luò )化亦屬關(guān)鍵要素，遠程開(kāi)關(guān)機只是最基本的元素，起不到調制設備的作用，僅僅根據電流也無(wú)法形成控制決策，否則就是盲控，工藝效果無(wú)法得到保證，加工品質(zhì)就無(wú)從談起。
二、需求的確立
以上這些問(wèn)題的集結，對糧食加工的智能化生產(chǎn)也就提出了具體要求：
（1）實(shí)用。智能系統控制的邏輯必需是科學(xué)的，控制的依據必需是客觀(guān)的，控制的節奏必須是實(shí)時(shí)的，控制的手段必需是柔性的。
控制邏輯的科學(xué)性，要求智能控制必需是在線(xiàn)多環(huán)閉合控制，它不僅需要設備各控制元素的在線(xiàn)閉環(huán)，更為重要的是需要工藝效果與設備調控的在線(xiàn)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(xiàn)工藝檢測的基礎上。
控制依據的客觀(guān)性則要求設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(xué)的，尤其要求在線(xiàn)工藝檢測必須是準確的和實(shí)時(shí)的。
控制節奏的實(shí)時(shí)性，要求控制閉環(huán)是在線(xiàn)的，也就進(jìn)一步要求在線(xiàn)檢測系統與生產(chǎn)設備、生產(chǎn)設備與生產(chǎn)設備之間具有毫秒級的通信能力。因此，車(chē)間內的各生產(chǎn)節點(diǎn)、各在線(xiàn)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(xiàn)工藝檢測為核心基礎的精細化調制：礱谷淌板始終對準兩輥間，輥壓以100帕的精度調節，電流的瞬間波動(dòng)控制在0.1安培以?xún)?/span>...... 等等。
（2）適用。智能化生產(chǎn)最終的落地，必須適應糧食加工的各種復雜現場(chǎng)環(huán)境，并能從兩個(gè)方面顯著(zhù)改善目前加工行業(yè)現狀：極大程度降低損耗，顯著(zhù)提高得米率；滿(mǎn)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)能力結構升級，更能在當前行業(yè)一線(xiàn)生產(chǎn)工作人員技術(shù)素質(zhì)偏低的條件下，妥善解決智能系統的操作、管理及維護的問(wèn)題。
滿(mǎn)足這些需求的唯一實(shí)現手段是：以稻米加工智能工廠(chǎng)為基礎，構建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工共享平臺。
三、平臺的構建
平臺構建以“稻米加工智能工廠(chǎng)”為單元，一個(gè)單元即為一家稻米加工企業(yè)，其本身已實(shí)現了智能化生產(chǎn)，其中包括稻米加工效果在線(xiàn)工藝檢測系統、車(chē)間內工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工廠(chǎng)內私有云平臺、傳統生產(chǎn)設備的智能化改造與升級、設備的智能化控制。
（1）通過(guò)稻米加工車(chē)間內工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將稻米加工工廠(chǎng)內的去石機、礱谷機、碾米機、色選機、拋光機、配米秤等生產(chǎn)設備與稻米加工在線(xiàn)工藝檢測系統連結成工廠(chǎng)內生產(chǎn)局域網(wǎng)；再通過(guò)生產(chǎn)局域網(wǎng)將設備的運行傳感信息與各道工序的加工工藝效果檢測數據傳送至工廠(chǎng)內智能控制平臺服務(wù)器，即工廠(chǎng)的“私有云服務(wù)器”；私有云服務(wù)器通過(guò)有線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )或者5G網(wǎng)絡(luò )與公網(wǎng)連接，并在邊界架設VPN加密客戶(hù)端。
工廠(chǎng)內私有云服務(wù)器從各道工序的加工設備上獲取設備的運行信息，這些信息是實(shí)時(shí)的，包括：礱谷機的兩輥線(xiàn)速度及線(xiàn)速度差、輥壓、下料淌板與膠輥外切線(xiàn)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(chǎng)內私有云服務(wù)器從在線(xiàn)工藝檢測機器人獲取各道工序的加工工藝數據，這些數據是實(shí)時(shí)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(guò)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(guò)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)上架設中心管理服務(wù)器，通過(guò)中心端VPN經(jīng)各工廠(chǎng)客戶(hù)端VPN與各稻米加工工廠(chǎng)私有云服務(wù)器連通，智能終端則通過(guò)軟件VPN經(jīng)中心端VPN與中心管理服務(wù)器連通，通過(guò)VPN加密處理，所有連入系統的各稻米加工企業(yè)、中心管理服務(wù)器、各智能終端組成一張虛擬專(zhuān)網(wǎng)
（3）中心管理服務(wù)器對所有虛擬專(zhuān)網(wǎng)內設備和通信進(jìn)行管理，包括各工廠(chǎng)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發(fā)，但中心管理服務(wù)器并不存儲工廠(chǎng)內生產(chǎn)設備的運行信息與在線(xiàn)工藝檢測數據。
每個(gè)稻米加工企業(yè)的私有云服務(wù)器的主板、網(wǎng)卡、硬盤(pán)的序列號均通過(guò)散列函數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(guò)散列函數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(guò)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(dòng)添加方式。
稻米加工企業(yè)私有云服務(wù)器啟動(dòng)工作時(shí)，自動(dòng)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備的標識數據，連接信息經(jīng)VPN加解密認證通過(guò)，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(jìn)行比對，經(jīng)確認后建立連接。
同樣地，智能終端啟動(dòng)工作時(shí)，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)器之間為一一對應關(guān)系，即“一工廠(chǎng)”的智能終端只能與“一工廠(chǎng)”的私有云服務(wù)器建立通信，但不能與“二工廠(chǎng)”或者其他工廠(chǎng)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)器與對應的智能終端在經(jīng)過(guò)認證并連入VPN專(zhuān)網(wǎng)后，智能終端與工廠(chǎng)私有云服務(wù)器之間建立通信，兩者之間的數據傳輸均經(jīng)過(guò)對稱(chēng)加密，而對稱(chēng)加密的密鑰則經(jīng)非對稱(chēng)加密以數字信封送達。
（5）智能終端從工廠(chǎng)私有云服務(wù)器上獲取工廠(chǎng)內生產(chǎn)設備運行信息與在線(xiàn)工藝檢測數據，并生成相應的趨勢圖，這些趨勢圖分工序產(chǎn)生，并將對應的設備運行各參數趨勢圖與加工工藝檢測各參數趨勢圖進(jìn)行比較：
其一，依據在線(xiàn)工藝檢測數據，遠程調制對應工序設備的相應控制元素；
其二，依據在線(xiàn)工藝檢測數據趨勢圖與設備運行參數趨勢圖對比，可以判斷來(lái)料水分、分級變化情況，并作出相應的設備調制；
其三，依據在線(xiàn)工藝檢測數據趨勢圖與設備運行參數趨勢圖對比可以判斷設備工作性能與是否故障情況，并采取相應措施。
四、應用舉例
平板電腦p充當智能終端，其訪(fǎng)問(wèn)權限對應于稻米加工企業(yè)A的私有云服務(wù)器Af，通過(guò)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(shí)時(shí)運行數據；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(xiàn)工藝檢測數據；并生成運行參數與工藝參數的趨勢對比圖：
（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(shí)間；縱坐標，碎米率，單位：%）
（1）當各參數趨勢圖類(lèi)似于圖一、圖二、圖三、圖四般平穩，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，圖三曲線(xiàn)明顯下降，則表明來(lái)料水分升高，碾米室壓力需要調整（增加），在p的界面上遠程調節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，圖四曲線(xiàn)明顯向上，則表明來(lái)料分級，粒型發(fā)生變化，碎米增多，但無(wú)需調整設備；
（4）當圖二如上平穩，圖一曲線(xiàn)明顯向上，圖三曲線(xiàn)略有向上，圖四曲線(xiàn)明顯向上，則表明碾米機米刀需要調整；
（5）當在p界面上遠程主動(dòng)調整A的終碾碾米機控制參數后，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(xiàn)檢測樣本原始圖像。
其他工序，其他設備，與此類(lèi)同：
（平板電腦充當智能終端時(shí)的管理界面）
五、意義與價(jià)值
稻米加工智能工廠(chǎng)能帶來(lái)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(zhù)增加得米率；促成適度加工落地，提升加工品質(zhì)，適應消費升級；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工平臺就是一個(gè)資源共享、技術(shù)共享、信息共享、市場(chǎng)共享的大數據整合共享平臺，它會(huì )促使智能工廠(chǎng)實(shí)現對行業(yè)生產(chǎn)力的提升：
（1）實(shí)現真正的無(wú)人工廠(chǎng)（僅需設備維修工人），解決后備勞動(dòng)力嚴重不足問(wèn)題，使行業(yè)獲得可持續發(fā)展能力；
（2）擺脫企業(yè)因人員的流動(dòng)帶來(lái)的生產(chǎn)不穩定因素，智能系統會(huì )找到設備的最佳工作狀態(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(xiàn)人員對智能系統的操作使用、維護與管理方面技術(shù)能力的不足，并促成行業(yè)勞動(dòng)力結構升級；
（4）平臺大數據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(wèn)題；
（6）走進(jìn)平臺，就相當于加入到智能時(shí)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(jìn)一步，將平臺延伸至to C或與to C平臺對接時(shí)，即實(shí)現完整的稻米加工“智能制造”：消費者或大客戶(hù)通過(guò)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)”轉換，而這個(gè)流程則是全智能化流程。
