摘要：針對制造工廠生產(chǎn)工藝與廠區(qū)暖通、照明、能耗管控割裂、數(shù)據(jù)不互通、改造成本高的行業(yè)痛點(diǎn)，本文提出分層輕量化數(shù)字化改造架構(gòu)，解析產(chǎn)線工序與BA、能耗監(jiān)測、智能照明聯(lián)動(dòng)邏輯，給出多行業(yè)落地實(shí)施路徑，為中小工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：智慧工廠數(shù)字化改造，生產(chǎn)工藝聯(lián)動(dòng)，BA樓宇自控，分項(xiàng)能耗監(jiān)測，工業(yè)智能照明，多協(xié)議邊緣網(wǎng)關(guān)，廠區(qū)公輔集成

0 引言

當(dāng)前離散制造、精密加工、食品醫(yī)藥、裝備制造企業(yè)數(shù)字化建設(shè)普遍存在二元割裂問題：工廠將資金重點(diǎn)投入產(chǎn)線PLC、數(shù)控設(shè)備、生產(chǎn)工序管控系統(tǒng)，廠區(qū)配套暖通空調(diào)、車間照明、水電冷熱能耗、壓縮空氣罐體監(jiān)測仍采用人工值守、獨(dú)立單機(jī)管控模式。生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)與廠區(qū)公輔設(shè)備數(shù)據(jù)分屬兩套獨(dú)立體系，無統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互通道，無法根據(jù)工序啟停、工藝環(huán)境要求自動(dòng)調(diào)節(jié)車間公用設(shè)備，既造成生產(chǎn)環(huán)境波動(dòng)影響良品率，又持續(xù)產(chǎn)生空載能耗浪費(fèi)。

現(xiàn)有工控領(lǐng)域文獻(xiàn)多單獨(dú)論述產(chǎn)線MES、PLC自動(dòng)化改造，或單一講解園區(qū)樓宇自控節(jié)能方案，缺少將生產(chǎn)工藝流程與廠區(qū)全套公輔智能系統(tǒng)融合的完整落地技術(shù)論述。本文立足于中小企業(yè)輕量化改造需求，搭建“產(chǎn)線工藝層-邊緣協(xié)議轉(zhuǎn)換層-公輔自控層-綜合集成平臺”四層改造架構(gòu)，拆解工序與BA、能耗、照明聯(lián)動(dòng)核心邏輯，對比全拆改與利舊改造兩種實(shí)施模式優(yōu)劣，覆蓋多類型制造廠區(qū)應(yīng)用場景，形成通用工程改造技術(shù)方案。

1 制造廠區(qū)數(shù)字化二元割裂四大核心痛點(diǎn)

1.1 生產(chǎn)、公輔兩套系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島，無聯(lián)動(dòng)機(jī)制

產(chǎn)線開工、換班、停機(jī)信號僅留存于生產(chǎn)PLC內(nèi)部，無法下發(fā)至DDC樓宇控制器、照明模塊、能耗采集終端；車間溫濕度、照明亮度、空調(diào)負(fù)荷只能依靠固定時(shí)段程序運(yùn)行，無法跟隨工序?qū)崟r(shí)調(diào)整，精密制程易出現(xiàn)溫濕度超標(biāo)，普通車間長期存在設(shè)備空載耗電。

1.2 多類異構(gòu)設(shè)備協(xié)議繁雜，無統(tǒng)一轉(zhuǎn)換載體

產(chǎn)線PLC采用Profinet、Modbus-RTU，DDC樓宇設(shè)備采用BACnet，水電計(jì)量儀表使用DL/T645，照明控制器私有協(xié)議繁多，無標(biāo)準(zhǔn)化邊緣網(wǎng)關(guān)做統(tǒng)一解析，工程師需維護(hù)多套調(diào)試軟件，跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)編程難度大、落地周期長。

1.3 全盤更換設(shè)備改造成本高，停產(chǎn)損失難以承受

傳統(tǒng)數(shù)字化改造方案要求替換全部產(chǎn)線外設(shè)、配電箱、風(fēng)機(jī)水泵控制器，中型工廠改造周期可達(dá)30天以上，生產(chǎn)線停機(jī)直接造成訂單交付延誤，大量中小制造企業(yè)受預(yù)算制約暫緩數(shù)字化升級。

1.4 生產(chǎn)能耗無法溯源，工藝優(yōu)化缺少數(shù)據(jù)支撐

能耗監(jiān)測僅統(tǒng)計(jì)廠區(qū)總用電量，無法綁定單條產(chǎn)線、單道工序、單臺生產(chǎn)設(shè)備能耗數(shù)值，管理人員無法區(qū)分生產(chǎn)耗能與車間空調(diào)、照明無效耗能，難以精準(zhǔn)優(yōu)化生產(chǎn)排班、降低單位產(chǎn)品能耗。

2 工藝-公輔一體化四層輕量化數(shù)字化改造架構(gòu)

整套改造架構(gòu)遵循“原有設(shè)備利舊、邊緣統(tǒng)一解析、分層獨(dú)立控制、平臺集中展示”設(shè)計(jì)思路，四層架構(gòu)互不干擾，可分階段分步改造，無需一次性全廠停工施工。

2.1 底層現(xiàn)場感知執(zhí)行層

分為兩大采集單元：一是生產(chǎn)工藝采集單元，對接產(chǎn)線PLC、數(shù)控設(shè)備、工序啟停傳感器，采集工單狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)長、工藝溫濕度閾值；二是廠區(qū)公輔采集單元，包含DDC暖通控制器、智能水電冷熱計(jì)量儀表、毫米波人體感應(yīng)照明模塊、空壓機(jī)罐體壓力溫度傳感終端。全部存量設(shè)備無需拆除，通過RS485、工業(yè)以太網(wǎng)并聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)。

2.2 多協(xié)議邊緣網(wǎng)關(guān)融合層（架構(gòu)核心）

專用工業(yè)級多協(xié)議邊緣網(wǎng)關(guān)作為產(chǎn)線與公輔系統(tǒng)的數(shù)據(jù)橋梁，兼容Profinet、Modbus、BACnet、DL/T645、M-Bus全品類工業(yè)與儀表協(xié)議；本地緩存15~30天生產(chǎn)、能耗、設(shè)備運(yùn)行原始數(shù)據(jù)，斷網(wǎng)期間本地執(zhí)行聯(lián)動(dòng)邏輯，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后批量同步至上層集成平臺；內(nèi)置輕量化邊緣計(jì)算腳本，可本地判定工序啟停、能耗超限、罐體超壓并下發(fā)對應(yīng)調(diào)控指令。

2.3 分層本地自主控制層

由生產(chǎn)PLC、DDC樓宇控制器、照明控制模塊、罐體安全預(yù)警單元構(gòu)成分布式自治節(jié)點(diǎn)，外網(wǎng)、云端斷開后仍可獨(dú)立完成工序配套設(shè)備聯(lián)動(dòng)：產(chǎn)線開工自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)新風(fēng)、工位照明；工序停機(jī)延時(shí)關(guān)停公用機(jī)電，保障生產(chǎn)與節(jié)能管控不中斷。

2.4 IBMS綜合集成可視化平臺層

B/S架構(gòu)統(tǒng)一管控后臺，同步展示生產(chǎn)工序進(jìn)度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、車間溫濕度曲線、分項(xiàng)能耗報(bào)表、照明運(yùn)行記錄、壓力容器安全告警；支持自定義跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)策略，開放OPC UA標(biāo)準(zhǔn)對接接口，可同步對接上層MES、ERP生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)多廠區(qū)生產(chǎn)與公輔數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總，自動(dòng)生成節(jié)能、安全生產(chǎn)兩類標(biāo)準(zhǔn)化審計(jì)臺賬。

3 生產(chǎn)工藝流程與廠區(qū)公輔系統(tǒng)四類核心聯(lián)動(dòng)技術(shù)

3.1 工序啟停聯(lián)動(dòng)暖通BA樓宇自控系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)抓取產(chǎn)線開工、換班、停機(jī)信號，自動(dòng)下發(fā)至DDC控制器：生產(chǎn)時(shí)段恒溫恒濕機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，維持工藝規(guī)定溫濕度、壓差；午休、夜班停工時(shí)段下調(diào)空調(diào)風(fēng)量、關(guān)停多余新風(fēng)機(jī)組；精密噴涂、電子潔凈車間可根據(jù)不同工序配方自動(dòng)切換溫濕度控制曲線，減少產(chǎn)品不良率。

3.2 生產(chǎn)區(qū)域人員感知聯(lián)動(dòng)智能照明系統(tǒng)

車間毫米波人體感應(yīng)器、產(chǎn)線工位光電傳感器采集人員在場信號，聯(lián)動(dòng)照明控制模塊：工位有人保持標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)照度，人員離場10分鐘自動(dòng)調(diào)暗至安全值守亮度；整條產(chǎn)線全天停機(jī)后批量關(guān)閉車間主照明，僅保留通道應(yīng)急燈光，大幅削減車間照明空載能耗。同時(shí)消防報(bào)警信號可同步切斷全部普通照明回路，強(qiáng)制開啟應(yīng)急照明，符合廠房消防規(guī)范。

3.3 工藝設(shè)備負(fù)荷聯(lián)動(dòng)分項(xiàng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)將每臺生產(chǎn)設(shè)備啟停、運(yùn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)推送至能耗監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)“工序-設(shè)備-能耗”一一綁定溯源，自動(dòng)核算單條產(chǎn)線、單道工序水電冷熱消耗，精準(zhǔn)區(qū)分生產(chǎn)有效能耗與車間空調(diào)、照明無效能耗；當(dāng)車間綜合能耗持續(xù)超標(biāo)，網(wǎng)關(guān)同步下發(fā)指令至BA系統(tǒng)下調(diào)暖通、照明功率，形成“生產(chǎn)-能耗-調(diào)控”閉環(huán)節(jié)能。

3.4 生產(chǎn)異常聯(lián)動(dòng)壓力容器罐體安全預(yù)警系統(tǒng)

當(dāng)產(chǎn)線空壓機(jī)、壓縮空氣配套設(shè)備過載、停機(jī)異常時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)同步調(diào)取空壓罐壓力、溫度數(shù)據(jù)，若同步出現(xiàn)超壓、高溫工況，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)BA開啟機(jī)房強(qiáng)制排風(fēng)、觸發(fā)遠(yuǎn)程聲光告警，同步在IBMS平臺留存完整異常臺賬，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)故障與壓力容器安全一體化處置，降低廠區(qū)安全管理風(fēng)險(xiǎn)。

4 兩種廠區(qū)數(shù)字化改造模式工程對比

4.1 傳統(tǒng)全盤拆改模式短板

需要更換全部老舊DDC、計(jì)量儀表、照明控制器，同步改造車間橋架、配電、傳感管線；全廠同步施工，停產(chǎn)周期30~45天，生產(chǎn)訂單交付風(fēng)險(xiǎn)高；一次性設(shè)備、施工投入巨大，中小工廠資金壓力顯著；多系統(tǒng)同步調(diào)試周期長，聯(lián)動(dòng)邏輯上線慢。

4.2 本文輕量化利舊一體化改造優(yōu)勢

存量產(chǎn)線PLC、原有暖通水泵、配電箱、燈具、儲氣罐傳感全部保留，僅新增多協(xié)議邊緣網(wǎng)關(guān)與少量補(bǔ)充傳感終端；可分車間、分產(chǎn)線分批施工，單車間改造僅需3~5天，不影響全廠整體生產(chǎn)；設(shè)備投入、施工成本降低50%以上；網(wǎng)關(guān)內(nèi)置預(yù)制聯(lián)動(dòng)腳本，現(xiàn)場僅需簡單配置即可完成產(chǎn)線與公輔系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試，落地效率大幅提升。

5 多行業(yè)制造廠區(qū)適配改造場景

1）精密電子加工廠房：潔凈車間工藝溫濕度聯(lián)動(dòng)BA自控，工位照明人體感應(yīng)管控，產(chǎn)線設(shè)備能耗分項(xiàng)溯源；

2）裝備機(jī)械制造廠區(qū)：空壓機(jī)罐體安全預(yù)警、車間產(chǎn)線啟停聯(lián)動(dòng)空調(diào)與工礦照明，壓縮空氣能耗單獨(dú)計(jì)量；

3）食品醫(yī)藥生產(chǎn)車間：潔凈工序恒溫恒濕自動(dòng)調(diào)控，庫房照明分時(shí)管控，生產(chǎn)工序能耗滿足藥監(jiān)、節(jié)能雙重審計(jì)；

4）化工原料加工廠區(qū)：壓力容器全域監(jiān)測、冷熱站BA聯(lián)動(dòng)化工制程，車間能耗分生產(chǎn)/公用區(qū)域拆分統(tǒng)計(jì)；

5）多樓棟產(chǎn)業(yè)園區(qū)配套工廠：多車間IBMS集團(tuán)統(tǒng)一管理，分廠區(qū)生產(chǎn)工藝、公輔能耗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程匯總查看。

6 結(jié)語

針對制造工廠生產(chǎn)工藝流程與廠區(qū)暖通、照明、能耗、壓力容器公輔系統(tǒng)二元割裂、數(shù)據(jù)孤島、改造成本高的行業(yè)痛點(diǎn)，本文構(gòu)建四層輕量化一體化數(shù)字化改造架構(gòu)，依托多協(xié)議邊緣網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線PLC與BA樓宇自控、分項(xiàng)能耗監(jiān)測、工業(yè)智能照明、罐體安全預(yù)警跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，拆解工序與公輔設(shè)備四類核心聯(lián)動(dòng)技術(shù)，對比全盤更換與存量利舊兩種改造路徑優(yōu)劣，為各類制造企業(yè)低成本、不停產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供標(biāo)準(zhǔn)化工程技術(shù)方案。

具備全套DDC控制器、多協(xié)議邊緣網(wǎng)關(guān)、能耗計(jì)量終端、工業(yè)照明模塊、罐體安全傳感、工藝數(shù)據(jù)采集軟硬件自研能力的技術(shù)企業(yè)，可依據(jù)廠區(qū)原有產(chǎn)線、公輔設(shè)備清單定制輕量化兼容集成改造方案，提供前期廠區(qū)產(chǎn)線與公輔點(diǎn)位聯(lián)合勘測、跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)邏輯編程、現(xiàn)場分批組網(wǎng)調(diào)試、長期遠(yuǎn)程技術(shù)支撐一體化工程服務(wù)。機(jī)電工藝工程師、廠區(qū)能源與安全管理員、弱電系統(tǒng)集成商，存在工廠生產(chǎn)工藝與公輔系統(tǒng)一體化數(shù)字化改造相關(guān)技術(shù)疑問，可查閱本文輕量化分層改造架構(gòu)與落地應(yīng)用技術(shù)資料。

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