摘要：針對制造工廠生產工藝與廠區暖通、照明、能耗管控割裂、數據不互通、改造成本高的行業痛點，本文提出分層輕量化數字化改造架構，解析產線工序與BA、能耗監測、智能照明聯動邏輯，給出多行業落地實施路徑，為中小工廠數字化轉型提供技術參考。

關鍵詞：智慧工廠數字化改造，生產工藝聯動，BA樓宇自控，分項能耗監測，工業智能照明，多協議邊緣網關，廠區公輔集成

0 引言

當前離散制造、精密加工、食品醫藥、裝備制造企業數字化建設普遍存在二元割裂問題：工廠將資金重點投入產線PLC、數控設備、生產工序管控系統，廠區配套暖通空調、車間照明、水電冷熱能耗、壓縮空氣罐體監測仍采用人工值守、獨立單機管控模式。生產工藝數據與廠區公輔設備數據分屬兩套獨立體系，無統一數據交互通道，無法根據工序啟停、工藝環境要求自動調節車間公用設備，既造成生產環境波動影響良品率，又持續產生空載能耗浪費。

現有工控領域文獻多單獨論述產線MES、PLC自動化改造，或單一講解園區樓宇自控節能方案，缺少將生產工藝流程與廠區全套公輔智能系統融合的完整落地技術論述。本文立足于中小企業輕量化改造需求，搭建“產線工藝層-邊緣協議轉換層-公輔自控層-綜合集成平臺”四層改造架構，拆解工序與BA、能耗、照明聯動核心邏輯，對比全拆改與利舊改造兩種實施模式優劣，覆蓋多類型制造廠區應用場景，形成通用工程改造技術方案。

1 制造廠區數字化二元割裂四大核心痛點

1.1 生產、公輔兩套系統數據孤島，無聯動機制

產線開工、換班、停機信號僅留存于生產PLC內部，無法下發至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、空調負荷只能依靠固定時段程序運行，無法跟隨工序實時調整，精密制程易出現溫濕度超標，普通車間長期存在設備空載耗電。

1.2 多類異構設備協議繁雜，無統一轉換載體

產線PLC采用Profinet、Modbus-RTU，DDC樓宇設備采用BACnet，水電計量儀表使用DL/T645，照明控制器私有協議繁多，無標準化邊緣網關做統一解析，工程師需維護多套調試軟件，跨系統聯動編程難度大、落地周期長。

1.3 全盤更換設備改造成本高，停產損失難以承受

傳統數字化改造方案要求替換全部產線外設、配電箱、風機水泵控制器，中型工廠改造周期可達30天以上，生產線停機直接造成訂單交付延誤，大量中小制造企業受預算制約暫緩數字化升級。

1.4 生產能耗無法溯源，工藝優化缺少數據支撐

能耗監測僅統計廠區總用電量，無法綁定單條產線、單道工序、單臺生產設備能耗數值，管理人員無法區分生產耗能與車間空調、照明無效耗能，難以精準優化生產排班、降低單位產品能耗。

2 工藝-公輔一體化四層輕量化數字化改造架構

整套改造架構遵循“原有設備利舊、邊緣統一解析、分層獨立控制、平臺集中展示”設計思路，四層架構互不干擾，可分階段分步改造，無需一次性全廠停工施工。

2.1 底層現場感知執行層

分為兩大采集單元：一是生產工藝采集單元，對接產線PLC、數控設備、工序啟停傳感器，采集工單狀態、設備運行時長、工藝溫濕度閾值；二是廠區公輔采集單元，包含DDC暖通控制器、智能水電冷熱計量儀表、毫米波人體感應照明模塊、空壓機罐體壓力溫度傳感終端。全部存量設備無需拆除，通過RS485、工業以太網并聯接入網關。

2.2 多協議邊緣網關融合層（架構核心）

專用工業級多協議邊緣網關作為產線與公輔系統的數據橋梁，兼容Profinet、Modbus、BACnet、DL/T645、M-Bus全品類工業與儀表協議；本地緩存15~30天生產、能耗、設備運行原始數據，斷網期間本地執行聯動邏輯，網絡恢復后批量同步至上層集成平臺；內置輕量化邊緣計算腳本，可本地判定工序啟停、能耗超限、罐體超壓并下發對應調控指令。

2.3 分層本地自主控制層

由生產PLC、DDC樓宇控制器、照明控制模塊、罐體安全預警單元構成分布式自治節點，外網、云端斷開后仍可獨立完成工序配套設備聯動：產線開工自動啟動空調新風、工位照明；工序停機延時關停公用機電，保障生產與節能管控不中斷。

2.4 IBMS綜合集成可視化平臺層

B/S架構統一管控后臺，同步展示生產工序進度、設備運行狀態、車間溫濕度曲線、分項能耗報表、照明運行記錄、壓力容器安全告警；支持自定義跨系統聯動策略，開放OPC UA標準對接接口，可同步對接上層MES、ERP生產管理系統，實現集團多廠區生產與公輔數據統一匯總，自動生成節能、安全生產兩類標準化審計臺賬。

3 生產工藝流程與廠區公輔系統四類核心聯動技術

3.1 工序啟停聯動暖通BA樓宇自控系統

網關抓取產線開工、換班、停機信號，自動下發至DDC控制器：生產時段恒溫恒濕機組滿負荷運行，維持工藝規定溫濕度、壓差；午休、夜班停工時段下調空調風量、關停多余新風機組；精密噴涂、電子潔凈車間可根據不同工序配方自動切換溫濕度控制曲線，減少產品不良率。

3.2 生產區域人員感知聯動智能照明系統

車間毫米波人體感應器、產線工位光電傳感器采集人員在場信號，聯動照明控制模塊：工位有人保持標準作業照度，人員離場10分鐘自動調暗至安全值守亮度；整條產線全天停機后批量關閉車間主照明，僅保留通道應急燈光，大幅削減車間照明空載能耗。同時消防報警信號可同步切斷全部普通照明回路，強制開啟應急照明，符合廠房消防規范。

3.3 工藝設備負荷聯動分項能耗監測系統

網關將每臺生產設備啟停、運行負荷數據推送至能耗監測平臺，實現“工序-設備-能耗”一一綁定溯源，自動核算單條產線、單道工序水電冷熱消耗，精準區分生產有效能耗與車間空調、照明無效能耗；當車間綜合能耗持續超標，網關同步下發指令至BA系統下調暖通、照明功率，形成“生產-能耗-調控”閉環節能。

3.4 生產異常聯動壓力容器罐體安全預警系統

當產線空壓機、壓縮空氣配套設備過載、停機異常時，邊緣網關同步調取空壓罐壓力、溫度數據，若同步出現超壓、高溫工況，系統自動聯動BA開啟機房強制排風、觸發遠程聲光告警，同步在IBMS平臺留存完整異常臺賬，實現生產故障與壓力容器安全一體化處置，降低廠區安全管理風險。

4 兩種廠區數字化改造模式工程對比

4.1 傳統全盤拆改模式短板

需要更換全部老舊DDC、計量儀表、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，停產周期30~45天，生產訂單交付風險高；一次性設備、施工投入巨大，中小工廠資金壓力顯著；多系統同步調試周期長，聯動邏輯上線慢。

4.2 本文輕量化利舊一體化改造優勢

存量產線PLC、原有暖通水泵、配電箱、燈具、儲氣罐傳感全部保留，僅新增多協議邊緣網關與少量補充傳感終端；可分車間、分產線分批施工，單車間改造僅需3~5天，不影響全廠整體生產；設備投入、施工成本降低50%以上；網關內置預制聯動腳本，現場僅需簡單配置即可完成產線與公輔系統聯動調試，落地效率大幅提升。

5 多行業制造廠區適配改造場景

1）精密電子加工廠房：潔凈車間工藝溫濕度聯動BA自控，工位照明人體感應管控，產線設備能耗分項溯源；

2）裝備機械制造廠區：空壓機罐體安全預警、車間產線啟停聯動空調與工礦照明，壓縮空氣能耗單獨計量；

3）食品醫藥生產車間：潔凈工序恒溫恒濕自動調控，庫房照明分時管控，生產工序能耗滿足藥監、節能雙重審計；

4）化工原料加工廠區：壓力容器全域監測、冷熱站BA聯動化工制程，車間能耗分生產/公用區域拆分統計；

5）多樓棟產業園區配套工廠：多車間IBMS集團統一管理，分廠區生產工藝、公輔能耗數據遠程匯總查看。

6 結語

針對制造工廠生產工藝流程與廠區暖通、照明、能耗、壓力容器公輔系統二元割裂、數據孤島、改造成本高的行業痛點，本文構建四層輕量化一體化數字化改造架構，依托多協議邊緣網關實現產線PLC與BA樓宇自控、分項能耗監測、工業智能照明、罐體安全預警跨系統數據互通，拆解工序與公輔設備四類核心聯動技術，對比全盤更換與存量利舊兩種改造路徑優劣，為各類制造企業低成本、不停產數字化轉型提供標準化工程技術方案。

具備全套DDC控制器、多協議邊緣網關、能耗計量終端、工業照明模塊、罐體安全傳感、工藝數據采集軟硬件自研能力的技術企業，可依據廠區原有產線、公輔設備清單定制輕量化兼容集成改造方案，提供前期廠區產線與公輔點位聯合勘測、跨系統聯動邏輯編程、現場分批組網調試、長期遠程技術支撐一體化工程服務。機電工藝工程師、廠區能源與安全管理員、弱電系統集成商，存在工廠生產工藝與公輔系統一體化數字化改造相關技術疑問，可查閱本文輕量化分層改造架構與落地應用技術資料。

參考文獻

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[4] TSG 21-2016 固定式壓力容器安全技術監察規程