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基于边缘计算的洗衣机智能工厂数据治理解决方案

1 目标和概述

美的集团是一家集消费电器、暖通空调、机器人与自动化系统、智能供应链、芯片产业的科技集团。随着信息技术的不断进步，其洗衣机制造产业链面临如下问题：一是底层设备联机，获取注塑机的各类工艺参数及相关运行信息，需对工艺卡进行快速存档沉淀，产生标准工艺卡，以实现减少调机时间、快速转产的目标， 为美的工业互联网平台Midea M.IoT赋能数据源；二是需要以联机数据为基础，实现对品质检验作业的标准化、制程的防呆防错、品质数据的收集与分析、品质的正反向进行追溯，引导品质管理；三是质检后的不良品持续在产线流转，需要在特定位置搬出，使员工劳动强度大。手动操作排除，时间和效率无法保证，信息不透明，无法有效监督与评价工作。

针对以上问题，无锡专心智制科技有限公司（以下简称专心智制）为美的集团提供了基于边缘计算的洗衣机智能工厂数据治理解决方案，利用边缘计算技术构建更精准、实时、高效的数据采集体系，建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的超级SCADA，使智能洗 衣机制造工厂有效收集设备、产线和生产现场成千上万种不同类型的数据，为制造企业带来更灵活、更经济、更可靠的数据存储和数据运行环境基础，依托人工智能强化制造企业的数据洞察能力，实现智能化的管理和控制。基于边缘计算的数据治理，可增强数据在现场的快

速灵活运用，通过数据在边缘侧的存储、分析、计算， 有效降低数据的传输时延和数据量级，降低设备能耗， 提高SCADA的现场执行能力，增强人—机—系统互 动，增加设备联机合作，提高工作人员的管理能力和决策能力。引导家电行业标准化、流程化、数据化、自动化和智能化，为家电行业的智能制造现代化、信息化和智能化的推广发挥示范作用。

2 解决方案介绍

2.1 方案介绍

本解决方案通过在设备和平台间增加DCU现场监控仪，实现设备数据的实时通讯和上传，增加SCADA 对设备的组态组网能力，对数据实现存储解析、指令上传下发。

（1）实时分析

边缘层采集产线运行时间、物料到达时间和设备运行各项参数，协同扫描枪的扫码打标，实现生产节拍计算和报警规则响应；对数据进行分时过滤，只将重要数据上传到平台，减少对网络带宽的压力。

（2）数据存储                            

DCU现场监控仪具备一定的数据存储能力，对来自设备层的实时状态数据、报警、故障等信息做定时存储。必要的数据过滤后上传到平台层，节省大量的数据传输成本，同时也用于设备发生故障后的原因分析。

（3）连接与协议转换

DCU现场监控仪通过协议转换，实现IT与OT的融 合，完成设备层与信息系统之间的数据交互。

（4）实时监控                            

DCU现场监控仪具备12路带指示灯的按键，供现场工作人员对设备状态及时查看与操作。实时操作和分析的结果可以在现场实时展示。

（5）反馈控制                            

DCU现场监控仪在采集到生产现场数据后，能够根据平台指令，或者预置的规则对设备的运行进行自动反馈控制。由此在边缘层形成从数据采集，到分析，再到控制的闭环。在边缘侧进行的闭环反馈控制能够充分保证实时性。

2.2 系统架构

系统架构如图1所示，分为五层，即设备层、边缘层、网络层，平台层和展示层。

图1 系统架构图

（1） 设备层：现场设备（主要是注塑机）、线体（传送带）、人工工位的操作数据、扫码枪等设备接入。

（2） 边缘层：通过设备监控仪DCU，向下连接设备，向上连接SCADA和工业互联网平台，提供统一结 构的数据，进行数据计算和本地分析，提供人机互动和SCADA的各种核心应用，基于IoT数据实现AI和边缘数据应用。

（3） 网络层：随着技术的不断进步，SCADA开始与其它系统广泛集成，比如边缘计算和MES，贯穿设备层到数据平台，通过边缘计算的赋能，能够快速对设备进行自动控制，全局进行集成化管理、模块式开发、可视化操作、智能化诊断及控制。

（4）平台层：通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系，建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业新生

态。

（5）展示层：通过远程电脑和车间展示大屏展示相关应用，使车间生产做到可视化管理。

其中，在边缘层，采用专心智制的边缘网关产品IoT-DCU，如图2所示，使SCADA和边缘的协同以及与平台实现多源异构的现场物联网数据采集和设备控制。

图2 IoT-DCU

本方案中，通过边缘计算的应用，可解决设备物联的四个主要问题：

（1）多协议多接口适配控制问题。通过不同硬件采集设备的数据，在边缘层统一数据格式，实现对工业现场PLC设备、无通讯能力直采设备、人工操作三部分的数据采集，保证生产线上数据的互联互通；

（2）通过边缘网关整合设备运行状态、工艺参数、计件、控制、工单工艺等信息，形成连续的场景业务数据，大幅度压缩数据链路和平台的数据预处理压力，降低平台侧系统更新迭代的难度并缩短开发周期。同时，可通过多维数据运算结果或云端平台的指令，反向控制产线转向、启动、停止等动作，并使用声光进行报警，降低人工操作难度；

（3）数据流量成本高的问题。按需按内容向平台提供数据，数据链路无需传输无用数据；

（4）物联数据上传到平台层后，使用美的集团自身开发的智造MES进行生产日常管理：对生产前相关工作准备，生产过程各项任务安排与执行检查，生产后事件回顾及知识库管理，日常管理系统补全，实现数字化工厂。

2.3 方案功能

该解决方案作为工厂级应用方案，可以管控一条产线，也可以扩展部署至整个厂区。通过加装具备边缘计算能力的物联网网关，实现设备快速联机：基础生产数

据准确采集、能源数据精准采集，数据在边缘侧进行解析计算，元数据和计算结果统一按照OPC UA协议格式上传至SCADA、MES系统，在现场实时响应并显示系统调度指令，优化人—机—系统的互动，同时给3D图形化显示和数字孪生提供数据基础。

3 代表性及推广价值

（1）在生产管理方面，设备联机率提升至82%， 生产节拍从原来的15s提升至13s，效率提升13%。不良品处理响应速度提升30%以上。设备信息化使相关工艺质量、过程、管理都能够进行可视化、数字化，有效减少产线操作人员、缩短生产节拍，提高生产效率、增加柔性化生产能力、减少维修及监管人数。

（2）在经济效益方面，节约人工操作成本、提高自动化生产指标、实现增产、增效和增收。

美的集团的洗衣机通过工业互联网平台拉通各层级信息，实现产品研发、设计、制造、销售、服务全流程的数字化和互联互通，使线边物流收发货效率提升20%、账实一致性达100%、成品物流直发到车准时 率提升20%、成品装车效率提升13%、减少单据150万 张、物流效率提升11%。同时，通过设备连机实现数据实时采集，通过模型算法实现故障诊断、预测性维护， 年节省运作费用超过800万元 。

图3 工厂级应用方案