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1 目標(biāo)和概述

美的集團(tuán)是一家集消費(fèi)電器、暖通空調(diào)、機(jī)器人與自動(dòng)化系統(tǒng)、智能供應(yīng)鏈、芯片產(chǎn)業(yè)的科技集團(tuán)。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，其洗衣機(jī)制造產(chǎn)業(yè)鏈面臨如下問(wèn)題：一是底層設(shè)備聯(lián)機(jī)，獲取注塑機(jī)的各類工藝參數(shù)及相關(guān)運(yùn)行信息，需對(duì)工藝卡進(jìn)行快速存檔沉淀，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)工藝卡，以實(shí)現(xiàn)減少調(diào)機(jī)時(shí)間、快速轉(zhuǎn)產(chǎn)的目標(biāo)， 為美的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Midea M.IoT賦能數(shù)據(jù)源；二是需要以聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)品質(zhì)檢驗(yàn)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、制程的防呆防錯(cuò)、品質(zhì)數(shù)據(jù)的收集與分析、品質(zhì)的正反向進(jìn)行追溯，引導(dǎo)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(dòng)強(qiáng)度大。手動(dòng)操作排除，時(shí)間和效率無(wú)法保證，信息不透明，無(wú)法有效監(jiān)督與評(píng)價(jià)工作。

針對(duì)以上問(wèn)題，無(wú)錫專心智制科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱專心智制）為美的集團(tuán)提供了基于邊緣計(jì)算的洗衣機(jī)智能工廠數(shù)據(jù)治理解決方案，利用邊緣計(jì)算技術(shù)構(gòu)建更精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集體系，建設(shè)包括存儲(chǔ)、集成、訪問(wèn)、分析、管理功能的超級(jí)SCADA，使智能洗 衣機(jī)制造工廠有效收集設(shè)備、產(chǎn)線和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)成千上萬(wàn)種不同類型的數(shù)據(jù)，為制造企業(yè)帶來(lái)更靈活、更經(jīng)濟(jì)、更可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)運(yùn)行環(huán)境基礎(chǔ)，依托人工智能強(qiáng)化制造企業(yè)的數(shù)據(jù)洞察能力，實(shí)現(xiàn)智能化的管理和控制。基于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)治理，可增強(qiáng)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)的快

速靈活運(yùn)用，通過(guò)數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)的存儲(chǔ)、分析、計(jì)算， 有效降低數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)量級(jí)，降低設(shè)備能耗， 提高SCADA的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行能力，增強(qiáng)人—機(jī)—系統(tǒng)互 動(dòng)，增加設(shè)備聯(lián)機(jī)合作，提高工作人員的管理能力和決策能力。引導(dǎo)家電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、數(shù)據(jù)化、自動(dòng)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(guò)在設(shè)備和平臺(tái)間增加DCU現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊和上傳，增加SCADA 對(duì)設(shè)備的組態(tài)組網(wǎng)能力，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)解析、指令上傳下發(fā)。

（1）實(shí)時(shí)分析

邊緣層采集產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)間、物料到達(dá)時(shí)間和設(shè)備運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)，協(xié)同掃描槍的掃碼打標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算和報(bào)警規(guī)則響應(yīng)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)過(guò)濾，只將重要數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力。

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

DCU現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀具備一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，對(duì)來(lái)自設(shè)備層的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警、故障等信息做定時(shí)存儲(chǔ)。必要的數(shù)據(jù)過(guò)濾后上傳到平臺(tái)層，節(jié)省大量的數(shù)據(jù)傳輸成本，同時(shí)也用于設(shè)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(chǎng)監(jiān)控儀通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)IT與OT的融 合，完成設(shè)備層與信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控                            

DCU現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀具備12路帶指示燈的按鍵，供現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)及時(shí)查看與操作。實(shí)時(shí)操作和分析的結(jié)果可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)展示。

（5）反饋控制                            

DCU現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀在采集到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，能夠根據(jù)平臺(tái)指令，或者預(yù)置的規(guī)則對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)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(jìn)行的閉環(huán)反饋控制能夠充分保證實(shí)時(shí)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(shè)備層、邊緣層、網(wǎng)絡(luò)層，平臺(tái)層和展示層。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

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

（2） 邊緣層：通過(guò)設(shè)備監(jiān)控儀DCU，向下連接設(shè)備，向上連接SCADA和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供統(tǒng)一結(jié) 構(gòu)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和本地分析，提供人機(jī)互動(dòng)和SCADA的各種核心應(yīng)用，基于IoT數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)AI和邊緣數(shù)據(jù)應(yīng)用。

（3） 網(wǎng)絡(luò)層：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，SCADA開始與其它系統(tǒng)廣泛集成，比如邊緣計(jì)算和MES，貫穿設(shè)備層到數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)邊緣計(jì)算的賦能，能夠快速對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，全局進(jìn)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(tái)層：通過(guò)構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、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(chǔ)、集成、訪問(wèn)、分析、管理的開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)的模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化、復(fù)用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營(yíng)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(jìn)的制造業(yè)新生態(tài)。

（5）展示層：通過(guò)遠(yuǎn)程電腦和車間展示大屏展示相關(guān)應(yīng)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(tái)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。

圖2 IoT-DCU

本方案中，通過(guò)邊緣計(jì)算的應(yīng)用，可解決設(shè)備物聯(lián)的四個(gè)主要問(wèn)題：

（1）多協(xié)議多接口適配控制問(wèn)題。通過(guò)不同硬件采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，在邊緣層統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備、無(wú)通訊能力直采設(shè)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(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)整合設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)、計(jì)件、控制、工單工藝等信息，形成連續(xù)的場(chǎng)景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，大幅度壓縮數(shù)據(jù)鏈路和平臺(tái)的數(shù)據(jù)預(yù)處理壓力，降低平臺(tái)側(cè)系統(tǒng)更新迭代的難度并縮短開發(fā)周期。同時(shí)，可通過(guò)多維數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果或云端平臺(tái)的指令，反向控制產(chǎn)線轉(zhuǎn)向、啟動(dòng)、停止等動(dòng)作，并使用聲光進(jìn)行報(bào)警，降低人工操作難度；

（3）數(shù)據(jù)流量成本高的問(wèn)題。按需按內(nèi)容向平臺(tái)提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈路無(wú)需傳輸無(wú)用數(shù)據(jù)；

（4）物聯(lián)數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)層后，使用美的集團(tuán)自身開發(fā)的智造MES進(jìn)行生產(chǎn)日常管理：對(duì)生產(chǎn)前相關(guān)工作準(zhǔn)備，生產(chǎn)過(guò)程各項(xiàng)任務(wù)安排與執(zhí)行檢查，生產(chǎn)后事件回顧及知識(shí)庫(kù)管理，日常管理系統(tǒng)補(bǔ)全，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠。

2.3 方案功能

該解決方案作為工廠級(jí)應(yīng)用方案，可以管控一條產(chǎn)線，也可以擴(kuò)展部署至整個(gè)廠區(qū)。通過(guò)加裝具備邊緣計(jì)算能力的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速聯(lián)機(jī)：基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)

據(jù)準(zhǔn)確采集、能源數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集，數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行解析計(jì)算，元數(shù)據(jù)和計(jì)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(chǎng)實(shí)時(shí)響應(yīng)并顯示系統(tǒng)調(diào)度指令，優(yōu)化人—機(jī)—系統(tǒng)的互動(dòng)，同時(shí)給3D圖形化顯示和數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 代表性及推廣價(jià)值

（1）在生產(chǎn)管理方面，設(shè)備聯(lián)機(jī)率提升至82%， 生產(chǎn)節(jié)拍從原來(lái)的15s提升至13s，效率提升13%。不良品處理響應(yīng)速度提升30%以上。設(shè)備信息化使相關(guān)工藝質(zhì)量、過(guò)程、管理都能夠進(jìn)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(jì)效益方面，節(jié)約人工操作成本、提高自動(dòng)化生產(chǎn)指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增效和增收。

美的集團(tuán)的洗衣機(jī)通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)拉通各層級(jí)信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷售、服務(wù)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(shí)一致性達(dá)100%、成品物流直發(fā)到車準(zhǔn)時(shí) 率提升20%、成品裝車效率提升13%、減少單據(jù)150萬(wàn) 張、物流效率提升11%。同時(shí)，通過(guò)設(shè)備連機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，通過(guò)模型算法實(shí)現(xiàn)故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)， 年節(jié)省運(yùn)作費(fèi)用超過(guò)800萬(wàn)元 。

圖3 工廠級(jí)應(yīng)用方案

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊