數(shù)字孿生系統(tǒng)在輪胎成型生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉信忠，王希光，閆國(guó)強(qiáng)，王 東

（1.中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018；2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143；3.北京中啟化標(biāo)測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100143）

當(dāng)前，在中美貿(mào)易摩擦和新冠肺炎疫情的雙重影響下，國(guó)內(nèi)輪胎企業(yè)的生存更加艱難，承受著出口貿(mào)易額、復(fù)工率等大幅下降、生產(chǎn)成本大幅上升等壓力[1]。為應(yīng)對(duì)不利局面，輪胎企業(yè)應(yīng)改變傳統(tǒng)的管理方式，及時(shí)精準(zhǔn)地掌握設(shè)備狀況和生產(chǎn)狀況，達(dá)到增效降本的目的。

通過在輪胎成型車間應(yīng)用數(shù)字孿生（Digital Twin）系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行統(tǒng)一收集和分析處理，最終實(shí)現(xiàn)了高效管理，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 智能化工業(yè)生產(chǎn)管理項(xiàng)目

1.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器以及移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和資源消耗，最終將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。從應(yīng)用形式上，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、嵌入式（軟件）、安全性及與信息互通互聯(lián)性等特點(diǎn)。

1.2 數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生系統(tǒng)是利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[2]。

1.3 設(shè)備綜合效率（OEE）

一般每臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備都有自己的理論產(chǎn)能，要實(shí)現(xiàn)這一理論產(chǎn)能必須保證沒有任何干擾和質(zhì)量損耗。OEE表示實(shí)際生產(chǎn)能力相對(duì)于理論產(chǎn)能的比率，它是一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量工具[3]。OEE由可用率、表現(xiàn)性以及質(zhì)量指數(shù)3個(gè)關(guān)鍵要素組成。

2 輪胎成型車間數(shù)字孿生系統(tǒng)

輪胎成型車間數(shù)字孿生系統(tǒng)主要解決成型機(jī)的運(yùn)行狀況、生產(chǎn)狀況以及設(shè)備故障維修3個(gè)方面的問題，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 成型車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2.1 SS700智能遠(yuǎn)程模塊

SS700智能遠(yuǎn)程模塊能夠解決如下問題。

（1）實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)主流可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的協(xié)議，快速接入各種設(shè)備。

（2）內(nèi)置OPC UA服務(wù)，能夠使企業(yè)建立設(shè)備模型。

（3）提供遠(yuǎn)程調(diào)試支持，自動(dòng)化工程師可以遠(yuǎn)程診斷設(shè)備問題，支持USB、串口、以太網(wǎng)接口的PLC的遠(yuǎn)程調(diào)試和程序上下載。

（4）提供串口復(fù)制支持，解決老舊設(shè)備僅有1個(gè)串口，并被HMI占用的問題。

2.2 設(shè)備生產(chǎn)狀況

通過設(shè)備運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和重要參數(shù)展示功能，管理人員可以實(shí)時(shí)了解成型機(jī)的運(yùn)行狀況和生產(chǎn)狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以立即采取措施[4]。

2.2.1 設(shè)備運(yùn)行狀況

在成型車間安置監(jiān)控大屏，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的當(dāng)前狀況，通過不同的顏色區(qū)分，管理人員實(shí)時(shí)掌控車間整體狀況，如圖2所示。

圖2 成型車間設(shè)備監(jiān)控大屏示意

2.2.2 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控

實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控可以顯示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和成型反包膠囊的使用次數(shù)，可以在成型反包膠囊臨近使用壽命時(shí)迅速安排保養(yǎng)人員更換膠囊，避免產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)預(yù)防功能，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控頁(yè)面示意

2.2.3 重要參數(shù)展示

重要參數(shù)展示是車間看板功能，通過不同的顏色標(biāo)識(shí)不同的狀態(tài)，成型機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一旦超過閾值，將通過聲音和顏色提醒生產(chǎn)工人。1個(gè)屏幕顯示不下時(shí)可以設(shè)定自動(dòng)滾屏的速率，如圖4所示。

圖4 重要參數(shù)展示頁(yè)面示意

2.3 生產(chǎn)狀況

通過生產(chǎn)狀況顯示可以關(guān)注到當(dāng)前班次、不同型號(hào)的產(chǎn)量信息、合格率狀況以及每個(gè)工人的產(chǎn)品完成情況。輪胎產(chǎn)品通過條碼、掃碼槍等技術(shù)手段，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況，讓管理人員、計(jì)劃編排人員隨時(shí)了解計(jì)劃的完成狀況，便于計(jì)劃的調(diào)整。

2.3.1 實(shí)時(shí)產(chǎn)量

通過機(jī)臺(tái)、工人、型號(hào)3個(gè)維度統(tǒng)計(jì)當(dāng)前班次的產(chǎn)量和合格率，管理員可以掌控當(dāng)前班次的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況，如圖5所示。

圖5 當(dāng)前班次的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況頁(yè)面示意

2.3.2 歷史產(chǎn)量

可以選擇具體的時(shí)間查看歷史總產(chǎn)量、各型號(hào)產(chǎn)量、每天產(chǎn)量曲線/條形圖以及合格率曲線等，在歷史產(chǎn)量頁(yè)面中，可以對(duì)各班次生產(chǎn)情況、不同時(shí)間段產(chǎn)量趨勢(shì)等情況通過“配置對(duì)比”進(jìn)行比較分析，如圖6所示。

圖6 歷史產(chǎn)量頁(yè)面示意

2.4 設(shè)備故障維修

系統(tǒng)檢修監(jiān)控頁(yè)面主要是對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行檢修時(shí)的各種情況進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)統(tǒng)計(jì)各種故障的維修時(shí)間和維修解決方案。將所有信息進(jìn)行存檔，為以后適配最佳檢修人員提供分析依據(jù)。

2.4.1 檢修實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面

在計(jì)算機(jī)大屏中顯示正處于故障的機(jī)臺(tái)，通過不同的顏色標(biāo)識(shí)當(dāng)前故障中的狀態(tài)。一旦有新的報(bào)警，通過語(yǔ)音合成技術(shù)，直接讓計(jì)算機(jī)發(fā)出語(yǔ)音通知或系統(tǒng)自動(dòng)通過微信、短信或IP語(yǔ)音電話通知相關(guān)檢修人員進(jìn)行檢修，同時(shí)電腦系統(tǒng)上方也有檢修通知提示，提醒保養(yǎng)工。

監(jiān)控內(nèi)容包括機(jī)臺(tái)報(bào)修和接單工號(hào)、故障類型、報(bào)修時(shí)間、檢修報(bào)到時(shí)間、檢修實(shí)時(shí)消耗時(shí)間等，同時(shí)機(jī)臺(tái)如果與系統(tǒng)處于連接斷開的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)也有“連接斷開”的顯示，便于對(duì)異常連接機(jī)臺(tái)進(jìn)行巡檢和檢修，如圖7所示。

圖7 檢修實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面示意

2.4.2 檢修記錄統(tǒng)計(jì)

對(duì)各類故障所需的檢修時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以選擇不同時(shí)間段和不同機(jī)臺(tái)進(jìn)行查看，表現(xiàn)模式可以選擇圖表或表格。

想了解具體機(jī)臺(tái)維修記錄和維修解決方案時(shí)，點(diǎn)擊“檢修詳情”即可進(jìn)行查看，如圖8所示。

圖8 檢修記錄統(tǒng)計(jì)頁(yè)面示意

2.5 管理提升

通過建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，管理人員分析影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量的原因時(shí)，系統(tǒng)通過日/周報(bào)表和OEE工具，可為管理人員提供直觀清晰的報(bào)告，有助于提高管理水平。

2.5.1 日/周報(bào)表

通過日/周報(bào)表功能，管理人員可以得出影響產(chǎn)能的各種因素以及TOP10的機(jī)臺(tái)，再通過更細(xì)微的數(shù)據(jù)找出是工人的問題還是設(shè)備問題造成對(duì)產(chǎn)能的影響，如圖9和10所示。

圖9 日?qǐng)?bào)表頁(yè)面示意

圖10 周報(bào)表頁(yè)面示意

2.5.2 OEE統(tǒng)計(jì)

通過OEE統(tǒng)計(jì)可以查詢和分析每天每個(gè)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)不同型號(hào)的產(chǎn)品時(shí)，設(shè)備的綜合效率狀況，找出問題機(jī)臺(tái)進(jìn)行逐步改善，最終提升整廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，如圖11所示。

圖11 OEE統(tǒng)計(jì)頁(yè)面示意

2.6 設(shè)備維修保養(yǎng)

2.6.1 維修計(jì)劃管理

企業(yè)根據(jù)自身設(shè)備運(yùn)行狀況添加維修任務(wù)，維修任務(wù)等級(jí)分為一般、重要、緊急3種，可以根據(jù)不同設(shè)備分配不同的維修員，對(duì)維修的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及維修過程進(jìn)行記錄。

2.6.2 保養(yǎng)計(jì)劃管理

企業(yè)根據(jù)自身設(shè)備運(yùn)行周期添加保養(yǎng)任務(wù)，完善的保養(yǎng)計(jì)劃可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命。保養(yǎng)計(jì)劃詳情頁(yè)面可以根據(jù)設(shè)備的各個(gè)部件檢修使用狀態(tài)進(jìn)行指定性保養(yǎng)，針對(duì)設(shè)備的使用情況，可以判斷出TOP10易耗損的設(shè)備零部件并加以改善。

2.6.3 維修記錄查詢

設(shè)備檢修記錄可以更好地追溯設(shè)備的維修詳情，使設(shè)備保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以追溯到設(shè)備維修開始以及完成時(shí)間。

2.6.4 保養(yǎng)記錄查詢

設(shè)備保養(yǎng)記錄查詢，可以起到追溯設(shè)備使用周期的作用，使得設(shè)備各個(gè)部件都可以在良好的情況下運(yùn)行并且提高設(shè)備的使用率。

2.7 設(shè)備備件管理

設(shè)備備件管理可以查看備件的使用周期和使用次數(shù)，并且可以進(jìn)行手動(dòng)更換，保證企業(yè)的生產(chǎn)狀態(tài)良好。

2.7.1 備件型號(hào)管理

備件型號(hào)管理是統(tǒng)一管理設(shè)備的各個(gè)零部件，細(xì)分到以零部件為單位。

2.7.2 備件記錄管理

通過備品備件的使用記錄可以查看設(shè)備在投產(chǎn)過程中發(fā)生的損耗，記錄設(shè)備零部件的使用量或更換次數(shù)。

2.8 設(shè)備展板

根據(jù)生產(chǎn)線或車間的不同，企業(yè)可以根據(jù)自身的需求定制展板。

企業(yè)可以把TOP5的故障率、TOP5備品備件更換次數(shù)、TOP5維修保養(yǎng)次數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)在設(shè)備展板上進(jìn)行展示[5]，如圖12所示。

圖12 設(shè)備展板頁(yè)面示意

3 結(jié)語(yǔ)

利用硬件SS700智能遠(yuǎn)程模塊可以較方便地解決工業(yè)控制PLC、工業(yè)智能儀表與工控電腦之間的通訊問題，降低了設(shè)備工程師面臨的技術(shù)難度，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一對(duì)多方式的設(shè)備診斷和維護(hù)服務(wù)。在輪胎成型車間應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)可以真實(shí)地反饋OEE以及影響OEE的過程數(shù)據(jù)，為提高OEE提供數(shù)據(jù)支持；在設(shè)備管理方面，設(shè)備管理人員可以清晰地知道影響OEE的問題點(diǎn)在哪里，做到有的放矢；在設(shè)備維修方面，技術(shù)人員可以更加快速精準(zhǔn)地找到故障點(diǎn)，提高設(shè)備維修效率，最終可以非常有效地提高設(shè)備產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)高效管理，提高企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。