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1 目標和概述

美的集團是一家集消費電器、暖通空調(diào)、機器人與自動化系統(tǒng)、智能供應鏈、芯片產(chǎn)業(yè)的科技集團。隨著信息技術(shù)的不斷進步，其洗衣機制造產(chǎn)業(yè)鏈面臨如下問題：一是底層設備聯(lián)機，獲取注塑機的各類工藝參數(shù)及相關(guān)運行信息，需對工藝卡進行快速存檔沉淀，產(chǎn)生標準工藝卡，以實現(xiàn)減少調(diào)機時間、快速轉(zhuǎn)產(chǎn)的目標， 為美的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Midea M.IoT賦能數(shù)據(jù)源；二是需要以聯(lián)機數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)對品質(zhì)檢驗作業(yè)的標準化、制程的防呆防錯、品質(zhì)數(shù)據(jù)的收集與分析、品質(zhì)的正反向進行追溯，引導品質(zhì)管理；三是質(zhì)檢后的不良品持續(xù)在產(chǎn)線流轉(zhuǎn)，需要在特定位置搬出，使員工勞動強度大。手動操作排除，時間和效率無法保證，信息不透明，無法有效監(jiān)督與評價工作。

針對以上問題，無錫專心智制科技有限公司（以下簡稱專心智制）為美的集團提供了基于邊緣計算的洗衣機智能工廠數(shù)據(jù)治理解決方案，利用邊緣計算技術(shù)構(gòu)建更精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集體系，建設包括存儲、集成、訪問、分析、管理功能的超級SCADA，使智能洗 衣機制造工廠有效收集設備、產(chǎn)線和生產(chǎn)現(xiàn)場成千上萬種不同類型的數(shù)據(jù)，為制造企業(yè)帶來更靈活、更經(jīng)濟、更可靠的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)運行環(huán)境基礎，依托人工智能強化制造企業(yè)的數(shù)據(jù)洞察能力，實現(xiàn)智能化的管理和控制。基于邊緣計算的數(shù)據(jù)治理，可增強數(shù)據(jù)在現(xiàn)場的快

速靈活運用，通過數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)的存儲、分析、計算， 有效降低數(shù)據(jù)的傳輸時延和數(shù)據(jù)量級，降低設備能耗， 提高SCADA的現(xiàn)場執(zhí)行能力，增強人—機—系統(tǒng)互 動，增加設備聯(lián)機合作，提高工作人員的管理能力和決策能力。引導家電行業(yè)標準化、流程化、數(shù)據(jù)化、自動化和智能化，為家電行業(yè)的智能制造現(xiàn)代化、信息化和智能化的推廣發(fā)揮示范作用。

2 解決方案介紹

2.1 方案介紹

本解決方案通過在設備和平臺間增加DCU現(xiàn)場監(jiān)控儀，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)的實時通訊和上傳，增加SCADA 對設備的組態(tài)組網(wǎng)能力，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)存儲解析、指令上傳下發(fā)。

（1）實時分析

邊緣層采集產(chǎn)線運行時間、物料到達時間和設備運行各項參數(shù)，協(xié)同掃描槍的掃碼打標，實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍計算和報警規(guī)則響應；對數(shù)據(jù)進行分時過濾，只將重要數(shù)據(jù)上傳到平臺，減少對網(wǎng)絡帶寬的壓力。

（2）數(shù)據(jù)存儲                            

DCU現(xiàn)場監(jiān)控儀具備一定的數(shù)據(jù)存儲能力，對來自設備層的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警、故障等信息做定時存儲。必要的數(shù)據(jù)過濾后上傳到平臺層，節(jié)省大量的數(shù)據(jù)傳輸成本，同時也用于設備發(fā)生故障后的原因分析。

（3）連接與協(xié)議轉(zhuǎn)換

DCU現(xiàn)場監(jiān)控儀通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)IT與OT的融 合，完成設備層與信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

（4）實時監(jiān)控                            

DCU現(xiàn)場監(jiān)控儀具備12路帶指示燈的按鍵，供現(xiàn)場工作人員對設備狀態(tài)及時查看與操作。實時操作和分析的結(jié)果可以在現(xiàn)場實時展示。

（5）反饋控制                            

DCU現(xiàn)場監(jiān)控儀在采集到生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，能夠根據(jù)平臺指令，或者預置的規(guī)則對設備的運行進行自動反饋控制。由此在邊緣層形成從數(shù)據(jù)采集，到分析，再到控制的閉環(huán)。在邊緣側(cè)進行的閉環(huán)反饋控制能夠充分保證實時性。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，分為五層，即設備層、邊緣層、網(wǎng)絡層，平臺層和展示層。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1） 設備層：現(xiàn)場設備（主要是注塑機）、線體（傳送帶）、人工工位的操作數(shù)據(jù)、掃碼槍等設備接入。

（2） 邊緣層：通過設備監(jiān)控儀DCU，向下連接設備，向上連接SCADA和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，提供統(tǒng)一結(jié) 構(gòu)的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)計算和本地分析，提供人機互動和SCADA的各種核心應用，基于IoT數(shù)據(jù)實現(xiàn)AI和邊緣數(shù)據(jù)應用。

（3） 網(wǎng)絡層：隨著技術(shù)的不斷進步，SCADA開始與其它系統(tǒng)廣泛集成，比如邊緣計算和MES，貫穿設備層到數(shù)據(jù)平臺，通過邊緣計算的賦能，能夠快速對設備進行自動控制，全局進行集成化管理、模塊式開發(fā)、可視化操作、智能化診斷及控制。

（4）平臺層：通過構(gòu)建精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，建立面向工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、分析、管理的開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的制造業(yè)新生態(tài)。

（5）展示層：通過遠程電腦和車間展示大屏展示相關(guān)應用，使車間生產(chǎn)做到可視化管理。

其中，在邊緣層，采用專心智制的邊緣網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品IoT-DCU，如圖2所示，使SCADA和邊緣的協(xié)同以及與平臺實現(xiàn)多源異構(gòu)的現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和設備控制。

圖2 IoT-DCU

本方案中，通過邊緣計算的應用，可解決設備物聯(lián)的四個主要問題：

（1）多協(xié)議多接口適配控制問題。通過不同硬件采集設備的數(shù)據(jù)，在邊緣層統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場PLC設備、無通訊能力直采設備、人工操作三部分的數(shù)據(jù)采集，保證生產(chǎn)線上數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；

（2）通過邊緣網(wǎng)關(guān)整合設備運行狀態(tài)、工藝參數(shù)、計件、控制、工單工藝等信息，形成連續(xù)的場景業(yè)務數(shù)據(jù)，大幅度壓縮數(shù)據(jù)鏈路和平臺的數(shù)據(jù)預處理壓力，降低平臺側(cè)系統(tǒng)更新迭代的難度并縮短開發(fā)周期。同時，可通過多維數(shù)據(jù)運算結(jié)果或云端平臺的指令，反向控制產(chǎn)線轉(zhuǎn)向、啟動、停止等動作，并使用聲光進行報警，降低人工操作難度；

（3）數(shù)據(jù)流量成本高的問題。按需按內(nèi)容向平臺提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈路無需傳輸無用數(shù)據(jù)；

（4）物聯(lián)數(shù)據(jù)上傳到平臺層后，使用美的集團自身開發(fā)的智造MES進行生產(chǎn)日常管理：對生產(chǎn)前相關(guān)工作準備，生產(chǎn)過程各項任務安排與執(zhí)行檢查，生產(chǎn)后事件回顧及知識庫管理，日常管理系統(tǒng)補全，實現(xiàn)數(shù)字化工廠。

2.3 方案功能

該解決方案作為工廠級應用方案，可以管控一條產(chǎn)線，也可以擴展部署至整個廠區(qū)。通過加裝具備邊緣計算能力的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)設備快速聯(lián)機：基礎生產(chǎn)數(shù)

據(jù)準確采集、能源數(shù)據(jù)精準采集，數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進行解析計算，元數(shù)據(jù)和計算結(jié)果統(tǒng)一按照OPC UA協(xié)議格式上傳至SCADA、MES系統(tǒng)，在現(xiàn)場實時響應并顯示系統(tǒng)調(diào)度指令，優(yōu)化人—機—系統(tǒng)的互動，同時給3D圖形化顯示和數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)基礎。

3 代表性及推廣價值

（1）在生產(chǎn)管理方面，設備聯(lián)機率提升至82%， 生產(chǎn)節(jié)拍從原來的15s提升至13s，效率提升13%。不良品處理響應速度提升30%以上。設備信息化使相關(guān)工藝質(zhì)量、過程、管理都能夠進行可視化、數(shù)字化，有效減少產(chǎn)線操作人員、縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率、增加柔性化生產(chǎn)能力、減少維修及監(jiān)管人數(shù)。

（2）在經(jīng)濟效益方面，節(jié)約人工操作成本、提高自動化生產(chǎn)指標、實現(xiàn)增產(chǎn)、增效和增收。

美的集團的洗衣機通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺拉通各層級信息，實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)、設計、制造、銷售、服務全流程的數(shù)字化和互聯(lián)互通，使線邊物流收發(fā)貨效率提升20%、賬實一致性達100%、成品物流直發(fā)到車準時 率提升20%、成品裝車效率提升13%、減少單據(jù)150萬 張、物流效率提升11%。同時，通過設備連機實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集，通過模型算法實現(xiàn)故障診斷、預測性維護， 年節(jié)省運作費用超過800萬元 。

圖3 工廠級應用方案

摘自《自動化博覽》2021年2月刊