1、收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）。通讯作者：齐元胜第 卷 第 期.北 京 印 刷 学 院 学 报 年 月 软包装印刷车间质量管控系统的仿真设计朱聪颖，齐元胜，张永立，王 康，郭俊忠，马克西姆（北京印刷学院 智能制造实验室，北京）摘 要：通过分析软包装印刷企业印刷车间的质量管控问题，提出了基于边缘计算的车间泛感知网络技术，并设计了面向软包装印刷车间的质量管控系统。首先，提出车间质量管控系统的功能架构，设置了车间实时数据采集、处理、分析和生产质量闭环管控等目标；其次，搭建了软包装印刷车间泛感知网络，详述了混合感知技术、无线感知技术和边缘计算流程；再次，以复杂扰动数据为对象，建立了生产质
2、量评估体系和生产质量反馈模型。最后，仿真了软包装印刷车间，部署了混合采集系统。通过实际应用分析，本文设计的质量管控系统可为传统软包装印刷车间生产运行提供完备的生产数据，实现质量管控，为行业智能化转型提供一定参考。关键词：印刷；感知网络；智能制造；管控中图分类号：文献标识码：文章编号：（）中国现阶段的制造业蓬勃发展，在新一轮革新技术的推动下，智能化、信息技术与制造业深度融合，推进了制造业的转型升级，智能制造成为当今制造业的主导趋势。当前，国内外许多行业对车间管控模式进行了探索与改进，包括模具车间、邮轮薄板分段车间、机翼装配车间、航天制造车间等。等人通过建立车间生产多目标控制模型，控制生产效率，并
3、设计了生产任务协同分配策略。黄少华等人以物联网为基础，总结了离散车间的制造物联应用模式，并对其核心技术进行了研究探讨。屈挺等人基于联动运作思想，对不确定环境中大型协同生产系统，提出了三态分级引导、多段联动控制的运行控制框架，以实现全局的最优运行方案。莫超雄等人基于云计算的三阶管控机制，设计开发了针对非标产线集成商的微服务框架和 技术框架，提升了作业过程的信息化、精细化，降低了系统的成本。在生产管控数据方面，面对车间过程大数据体量大、数据利用率低、数据碎片化等问题，等人在汽车零部件制造车间将车间大数据与低碳生产要求结合，建立数据驱动的制造车间多级碳效率评价。王伟等人融合边缘计算与新型 提出一种数
4、据处理架构，提高了生产现场数据流处理能力与指令反馈速度。面对多源异构数据信息量大的问题，基于马尔可夫方法对车间网络关键扰动数据建立瓶颈预测模型，实现预测模型和实际生产数据的高度符合。在底层传感的数据融合能耗问题上，等人提出建立特征加工设备的超网络模型，以实现多品种、小批量生产车间的多数据类型的集中分类管理，并通过特征映射实现生产快速调度。在轻量化的嵌入式设备能耗方面，孔维刚提出了 网络结构，有效降低了网络计算量，实现了网络模型的轻量化。等人提出一种统一的指示图谱驱动的车间资源分配策略，有效提高企业制造阶段的资源分配能力。等人提出了一种基于 的感知软件开发平台，通过 接口实现异构设备及无线的信息
5、采集。面对生产管控系统通用数据模型缺乏、多通信接口管理维护难、存储数据架构性能差的问题，孙云等人通过 图实现了多通信协议的集成，并基于 架构实现了生产数据的优质存储。在操作系统的集成方面，各个系统的通信机制不统一，导致信息的碎片化，大量企业存在“信息孤岛”问题，当下环境为发挥企业的发展潜力，对 和 等操作系统的协同发展提出了新的要求。褚健等人以工业操作系统为核心，对工厂操作系统关键技术进行探索，并提出了新型智能DOI:10.19461/ki.1004-8626.2023.03.001工厂操作系统架构。金梅等人通过对 与 系统的集成，实现对航空零部件的定位与管理。等人通过对企业数据集成需求分析，
6、提出一种数据集成中间件的开发，以实现源数据和目标数据之间的关系映射。杜孟新从主数据、数据的传输和系统接口三方面研究，提出了石化企业智能工厂的 和 信息集成的框架并进行实践应用，提高了企业的智能化生产水平。为满足企业库存管理需求，提出将 系统和 系统集成的有效框架，以满足系统的集成需求。本文将设计面向软包装印刷车间的生产管控平台，结合泛感知网络搭建与车间信息边缘处理技术，实现对软包装印刷生产工艺参数采集分析的线性流程、解决软包装印刷生产行业的生产车间数据黑盒问题、解决软包装印刷车间生产物联问题，优化了车间数据传输过程，实现生产车间、感知网络、操作系统的有效融合，并实现了车间生产质量闭环控制。文章
7、结构如下：首先建立了生产管控系统的功能框架；其次提出了泛感知网络组成及其数据的采集和融合方式；再次研究了生产资源质量管理的评价依据及生产质量的闭环控制；最后给出软包装印刷车间生产管控平台的系统搭建和测试结果。系统功能框架软包装印刷行业具有生产多种类、变批量、个性化等生产特点，印刷设备有工艺类型较多、精度高、设备构造复杂等特点，但是其生产管控模式以传统模式为主，由人工管理和人工控制生产。为满足对生产车间的安全管控、客户需求的快速调度、生产设备运行的实时监测与精准预测等要求，设计合理的软包装印刷车间管控平台并深度融合 技术（大数据、边缘计算、物联网等）、感知技术和工业操作系统等技术，对推动软包装印
8、刷车间朝自动化、信息化和智能化的方向发展有着重要作用。当下软包装印刷行业普遍存在以下六个问题：物：软包装印刷企业普遍使用人工手写物料信息、人工寻物、物料系统手动录入等，导致物料堆积杂乱、原材料及成品管控效率低下，该过程降低了物料数据传输的实时性，使生产物料生命全周期链监控难。机：软包装印刷生产工艺离散，单个生产环节的设备自动化程度高，但设备信息无法与系统连接导致车间设备实时状态监控难。人：印刷企业设备生产离散化是长期存在的问题，大重量的卷材货物人工物料拣选、人工叉车运输、人工识别上料，导致大量的生产过程中的浪费，增加了工人的劳动强度同时也提高了生产的失误率。法：在当前车间使用生产操作系统使用时
9、无法合理地解决生产过程数据黑盒问题，无法解决车间数据的传输、计算处理问题，导致 系统的执行能力弱、管控效率低，也正是这两大问题，导致许多软包装印刷企业虽然在使用生产操作系统却让该系统处于名存实亡的状态。生产操作系统包括企业资源计划（，）、制造执行系统（，）和计算机辅助工艺设计（，）等。环：软包装印刷业车间生产环境数据缺失。软包装印刷业对无尘、温湿度、有较高要求，当下绿色生产要求加大了企业对生产排放和车间环境监测的要求，同时车间生产环境还应包括生产人员状态检测。测：软包装印刷生产经验化，生产设备参数孤岛问题。软包装印刷生产核心（配色、制版、印刷、排产）环节缺乏量化标准，需要生产工人具有极高的生产
10、经验，需要十年甚至二十年的生产经验，导致企业对有经验工人的依赖度高。印刷设备具有高度自动化、高精度特点，其中大量的生产数据无法得到有效利用。这两大问题大大提高了企业的生产风险。针对以上问题，本文设计了基于感知网络的软包装印刷车间质量管理系统的功能架构，如图 所示。质量管理系统通过对车间数据的采集，并结合边缘计算对底层数据进行整合处理以优化数据质量，提高数字模型的鲁棒性。边缘计算一方面结合车间生产操作系统（、），实现操作系统对数据的高效处理；另一方面将生产异常扰动数据上传质量管控，实现扰动数据的分析并反馈生产操作系统，提高车间实时质量管控能力。平台自底向上分为生产车间、感知层、边缘计算层、质量管
11、控，外层接入生产系统。（）生产车间为系统提供底层数据，也是数据反馈作用的最终目标。生产车间的感知要素包括操作人员、生产设备（印刷机、复合机、分切机、制袋机）、搬运车、生产物料（物料、成品、半成品）、车间环境等，并接第 期朱聪颖，齐元胜，张永立，等：软包装印刷车间质量管控系统的仿真设计图 车间质量管理系统功能架构图收生产系统的任务信息及工艺信息。（）感知层为车间管控平台提供数据感知的第一接口并进行控制反馈。在软包装印刷生产环境下，通过配置底层感知设备包括：生产数据流的感知设备、设备控制器、参数适配器、设备和 设备等。（）边缘计算层实现感知数据的边缘处理、提供数据模型并外接生产系统。边缘计算层的功
12、能模块包括数据预处理、数据建模、可视化界面、数据库和规则库，并为生产系统的生产工艺设计、生产排产提供信息指导。解决制造系统与车间信息采集接口复杂、制造系统计算能力缺乏问题，通过添加车间边缘计算层，以达到数据的有效利用及异常数据快速反应，并为边缘计算结果提供可视化服务。（）质量管控为生产车间、感知层、边缘计算层和生产系统提供生产质量扰动数据评估的模板、机制、标准、规范、指标等，并分析扰动数据影响因素，实现质量反馈。（）生产系统生产系统是数字化车间的上层控制管理手段。包括企业资源计划（，）、制造执行系统（，）和计算机辅助工艺设计（，）。生产管控系统通过对车间原始数据的感知与处理，可实现底层生产信息
13、实时映射，并优化导入生产系统的数据质量，减少生产系统的计算压力。通过与 的衔接实现系统的数据交互，及时反馈和改进现有生产方案，实现对完成任务工艺的历史追溯，并优化生产设计工艺。通过与 的衔接实现优化生产资源配置、生产调度管理、生产工序监测。通过与 的衔接实现车间信息管理，包括人员信息、设备信息、物料信息等。泛在感知网络.泛感知网络框架针对软包装印刷车间的数字化、信息化升级是大势所趋。当前软包装印刷行业存在设备数据黑盒和数字孤岛的问题，而大量的车间生产过程数据无法得到有效利用是制约行业转型升级的重要因素。由于缺乏数据支撑，行业生产操作系统无法得到有效应用，行业生产经验主导的生产质量管控方式无法得
14、到有效改进。本文将泛感知网络应用于印刷车间，实现多生产要素的数据统一传输、数据传输时空一致性，为实现对车间生产关键部分密集北 京 印 刷 学 院 学 报 年性采样建立重要的物理基础。泛感知网络架构如图 所示。图 软包装印刷智能感知网络架构 （）基本网关。实现与车间内各类加工设备及感知仪器的连接和协议对接，采集设备数据并转化成标准协议，然后输出给边缘服务器节点进行数据存储和管理，进一步作为 系统的数据源。基本网关靠近设备部署，不需要具备数据分析或存储能力，基本上每个设备（例如：印刷机、复合机、分切机、制袋机等）旁边都会部署一个基本网关。（）边缘计算节点。边缘计算节点除了能够进行设备数据的接入，同
15、时对具有一定并发量的数据（例如：视觉感数据、并行同步高采样数据等）进行实时处理。将获得的所有工业数据如视觉感知、设备状态信息、设备工艺参数感知信息等暂存在节点中，并通过一定的同步策略同步到边缘服务器进行长时间保存，以便进行产品溯源或扩充算法模型数据库。通常边缘计算节点都部署在靠近设备并带有一定温控调节的环境中。（）边缘服务器节点。车间内分布式部署的基本网关和边缘计算节点的数据都汇集到边缘服务器，进行全局数据管理和分析，并提供全局数据查询、配置服务和数据访问接口。根据客户定制人机交互界面如车间内实时看板，同时接受 系统的数据请求，或将数据同步到云端如 和应用 等。本文考虑到印刷车间和复合车间都具
16、有视觉感知，将其各自配备了边缘服务器节点，下文主要对混合感知即 分布式数据感知和无线感知（制造过程物料信息感知）进行详细概述。.混合感知实现软包装印刷车间生产工艺参数较多，包括温湿度、设备的震动、墨辊旋转速度和加速度、油墨黏度和流量等，其感知参数具有数据结构多、采样率不同、数据时变及体量大的特点，为了更好地对这类数据进行筛选处理，搭建分布式数据感知设备是必要的，混合感知包括 分布式数据感知和交互权限感知。分布式测试技术由测试技术、通信技术与计算机网络技术交叉发展融合而产生，应用网络技术为通信手段，实现测试测量过程控制为目的，适用于地域分散的测试技术。分布式测试系统是指通过局域网（，）或，把分布于一定地域的所有测试点、完成特定功能的测量设备、测量计算机、传感器与控制器等等连接起来，最终实现分散操作、集中管理、协同工作、信息共享、测量过程监控等功能的计算机测量网络系统。混合感知组成结构如图。部署前期对所有传感器完成动态、静态校准，通过 条理采集仪完成第 期朱聪颖，齐元胜，张永立，等：软包装印刷车间质量管控系统的仿真设计信号调理、存储、转化，最后通过千兆以太网交换机上传至边缘计算节点。（）分