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基于工業互聯網的稻米智能加工
來源：環球糧機網發布時間：2021-03-18 17:28:53
摘要：以榮業稻米加工智能工廠為單元，本文詳細介紹了基于工業互聯網實現稻米智能加工，并在遠程實現設備的精細化操控與管理的共享平臺的構建及其應用。通過對工業互聯網的構建與運用，稻米加工現場全過程僅需要負責設備維護的機修工，實現真正意義的“無人工廠”。
一、需求的產生
生產智能化在全球范圍內風起云涌，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，轉型適度加工”，并修改了大米國家質量標準。
與此同時，我國的糧食加工業又有著先天不足，（1）實際生產中，在絕大多數的中小企業，適度加工因技術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量檢測，加工的度不好掌控，直接導致過度加工。（3）生產一線工作環境惡劣，勞動強度大，后繼乏人；（4）從業人員文化素質與技術素養偏低，不能適應智能化時代要求。顯然地，新時代賦予的使命與糧食加工業的先天不足存在著巨大的反差。
為了解決這一核心矛盾，行業內不少有使命感的企業與有識之士作出了許多努力與創新：為了減輕工人勞動強度，改善工作環境，創新了基于PLC可在局域網或遠程啟動與關停設備，并查看工作電流以了解設備工作狀態的自動化控制系統；在重要工序提升設備的數字化能力，創新了可變頻的“無人值守礱谷機”；為了彌補基層工人技術能力的不足，更是創新出了具有遠程操控與管理維護能力的“云色選”，等等......
然而，面對糧食加工業使命與能力的巨大差距，這些努力與創新并沒能從本質上解決這一核心矛盾。
（1）不能實現智能控制中決定性的在線閉環——根據實時加工工藝效果，來反饋調制生產設備控制元素。任何形式的生產，工藝與產量才是加工的核心目標與唯一目的，在保證產量的前提下，每一個環節、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）控制環節孤立且單一。糧食加工的生產過程是一個系統工程，各道工序的設備應有機配合，相互通信，單一環節的智能化或無人化，對于整個生產無異于杯水車薪。
（3）控制參數單一。設備調控，除了決定性的依據——在線工藝檢測進行閉環控制之外，設備本身控制元素的數字化與網絡化亦屬關鍵要素，遠程開關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，加工品質就無從談起。
二、需求的確立
以上這些問題的集結，對糧食加工的智能化生產也就提出了具體要求：
（1）實用。智能系統控制的邏輯必需是科學的，控制的依據必需是客觀的，控制的節奏必須是實時的，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閉合控制，它不僅需要設備各控制元素的在線閉環，更為重要的是需要工藝效果與設備調控的在線閉環。因此，在控制邏輯上，稻米加工的智能化生產一定、也只能建立在加工效果在線工藝檢測的基礎上。
控制依據的客觀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的，尤其要求在線工藝檢測必須是準確的和實時的。
控制節奏的實時性，要求控制閉環是在線的，也就進一步要求在線檢測系統與生產設備、生產設備與生產設備之間具有毫秒級的通信能力。因此，車間內的各生產節點、各在線檢測機器人必需是聯網的。
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，電流的瞬間波動控制在0.1安培以內...... 等等。
（2）適用。智能化生產最終的落地，必須適應糧食加工的各種復雜現場環境，并能從兩個方面顯著改善目前加工行業現狀：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，促成大米消費升級。
（3）好用。不僅能促使行業從業人員的技術能力結構升級，更能在當前行業一線生產工作人員技術素質偏低的條件下，妥善解決智能系統的操作、管理及維護的問題。
滿足這些需求的唯一實現手段是：以稻米加工智能工廠為基礎，構建基于工業互聯網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”為單元，一個單元即為一家稻米加工企業，其本身已實現了智能化生產，其中包括稻米加工效果在線工藝檢測系統、車間內工業互聯網、工廠內私有云平臺、傳統生產設備的智能化改造與升級、設備的智能化控制。
（1）通過稻米加工車間內工業互聯網將稻米加工工廠內的去石機、礱谷機、碾米機、色選機、拋光機、配米秤等生產設備與稻米加工在線工藝檢測系統連結成工廠內生產局域網；再通過生產局域網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內智能控制平臺服務器，即工廠的“私有云服務器”；私有云服務器通過有線數據網絡或者5G網絡與公網連接，并在邊界架設VPN加密客戶端。
工廠內私有云服務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......
工廠內私有云服務器從在線工藝檢測機器人獲取各道工序的加工工藝數據，這些數據是實時的，包括清雜去石工序，去石效果、副產品的帶出率；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）構建稻米加工遠程生產操作與工業互聯網：在公網上架設中心管理服務器，通過中心端VPN經各工廠客戶端VPN與各稻米加工工廠私有云服務器連通，智能終端則通過軟件VPN經中心端VPN與中心管理服務器連通，通過VPN加密處理，所有連入系統的各稻米加工企業、中心管理服務器、各智能終端組成一張虛擬專網
（3）中心管理服務器對所有虛擬專網內設備和通信進行管理，包括各工廠私有云服務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，但中心管理服務器并不存儲工廠內生產設備的運行信息與在線工藝檢測數據。
每個稻米加工企業的私有云服務器的主板、網卡、硬盤的序列號均通過散列函數加密方式存儲在中心管理服務器，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加密方式存儲在中心管理服務器，每臺私有云服務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器上添加，中心管理服務器不支持自動添加方式。
稻米加工企業私有云服務器啟動工作時，自動向中心管理服務器發出連接請求，請求信息中包含本設備的標識數據，連接信息經VPN加解密認證通過，中心管理服務器從存儲列表提取信息與連接請求信息進行比對，經確認后建立連接。
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私有云服務器之間為一一對應關系，即“一工廠”的智能終端只能與“一工廠”的私有云服務器建立通信，但不能與“二工廠”或者其他工廠的私有云服務器建立通信。
（4）稻米加工企業私有云服務器與對應的智能終端在經過認證并連入VPN專網后，智能終端與工廠私有云服務器之間建立通信，兩者之間的數據傳輸均經過對稱加密，而對稱加密的密鑰則經非對稱加密以數字信封送達。
（5）智能終端從工廠私有云服務器上獲取工廠內生產設備運行信息與在線工藝檢測數據，并生成相應的趨勢圖，這些趨勢圖分工序產生，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行比較：
其一，依據在線工藝檢測數據，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，其訪問權限對應于稻米加工企業A的私有云服務器Af，通過VPN與中心管理服務器認證之后，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，時間；縱坐標，碎米率，單位：%）
（1）當各參數趨勢圖類似于圖一、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，圖三曲線明顯下降，則表明來料水分升高，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，圖四曲線明顯向上，則表明來料分級，粒型發生變化，碎米增多，但無需調整設備；
（4）當圖二如上平穩，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整；
（5）當在p界面上遠程主動調整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任何一道工序在線檢測樣本原始圖像。
其他工序，其他設備，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的生產力的提高與經濟效益的提升，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，適應消費升級；基于工業互聯網的稻米智能加工平臺就是一個資源共享、技術共享、信息共享、市場共享的大數據整合共享平臺，它會促使智能工廠實現對行業生產力的提升：
（1）實現真正的無人工廠（僅需設備維修工人），解決后備勞動力嚴重不足問題，使行業獲得可持續發展能力；
（2）擺脫企業因人員的流動帶來的生產不穩定因素，智能系統會找到設備的最佳工作狀態，并完成生產的精準閉環控制。
（3）解決當前加工企業一線人員對智能系統的操作使用、維護與管理方面技術能力的不足，并促成行業勞動力結構升級；
（4）平臺大數據可直接反映當年各地、各品種的加工屬性，并不斷優化各品種加工工藝；
（5）在平臺上，加工企業即可獲得技術共享，更可以解決自身創新能力不足的問題；
（6）走進平臺，就相當于加入到智能時代的技術聯盟，加工企業獲得相對于同行的巨大競爭優勢。
進一步，將平臺延伸至to C或與to C平臺對接時，即實現完整的稻米加工“智能制造”：消費者或大客戶通過to C平臺下單，加工企業最終完成“按單生產”向“按需生產”轉換，而這個流程則是全智能化流程。
