數(shù)字孿生在化纖長絲前紡絲車間的應(yīng)用探討

葉 磊，徐 慧，施耀飛，王 勇，邱 野

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120；3.新鳳鳴集團(tuán)股份有限公司，浙江 314513）

0 引言

中國的化纖產(chǎn)業(yè)在國際上位于領(lǐng)先位置，也是我國紡絲行業(yè)構(gòu)成中最重要的一部分，同時(shí)在新興產(chǎn)業(yè)中處于戰(zhàn)略性地位。上世紀(jì)九十年代以來，我國化纖產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。2009年我國化纖產(chǎn)能為2726萬噸，大于全球產(chǎn)量的三分之一；到2018年，產(chǎn)能翻了一番，達(dá)到5011萬噸。

但中國化纖產(chǎn)業(yè)仍面臨較大的挑戰(zhàn)，產(chǎn)能結(jié)構(gòu)過剩，行業(yè)盈利能力下降；行業(yè)自主創(chuàng)新能力較弱，高附加值、高技術(shù)含量產(chǎn)品比重低，不能很好適應(yīng)功能性、綠色化、差異化、個(gè)性化消費(fèi)升級需求；高性能纖維制造成本高，質(zhì)量不穩(wěn)定，難以滿足航空航天等領(lǐng)域發(fā)展需求。

工業(yè)行業(yè)發(fā)展的新方向，就是更好的適應(yīng)和滿足數(shù)字化、智能化、個(gè)性化的綠色制造模式。世界上每個(gè)國家都在提出適合自己的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略。這些戰(zhàn)略有一個(gè)共同點(diǎn)，就是使物理世界和信息世界互通互聯(lián)。但是這一戰(zhàn)略的難點(diǎn)也在于，兩個(gè)層面的信息很難高度交互和融合。為此，世界各國的學(xué)者做了大量的研究。

數(shù)字孿生是我國2019年以來智能制造的熱點(diǎn)。數(shù)字孿生在紡絲車間的應(yīng)用前景十分廣闊。通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和狀態(tài)監(jiān)控，可以及時(shí)預(yù)警可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而基于數(shù)字孿生模型進(jìn)行虛擬仿真和預(yù)測，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行效率，進(jìn)行設(shè)備健康管理和預(yù)測性維護(hù)，幫助工廠減少因?yàn)樵O(shè)備非計(jì)劃停機(jī)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)智能服務(wù)。

1 如今的前紡絲車間

1.1 前紡絲車間的現(xiàn)狀

落絲系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置為落絲機(jī)、暫存設(shè)備、卷繞設(shè)備接口、服務(wù)器、打印機(jī)和信息顯示系統(tǒng)。落絲機(jī)是全自動(dòng)落絲系統(tǒng)中的核心設(shè)備，替代人工完成落絲餅作業(yè)。單軸落絲機(jī)逐漸被市場淘汰，本文以市場占比最大的雙軸落絲機(jī)進(jìn)行討論。當(dāng)一臺(tái)卷繞機(jī)滿卷之后，落絲機(jī)根據(jù)呼叫指令自動(dòng)運(yùn)行至相應(yīng)位置完成落絲餅作業(yè)，再根據(jù)需要將絲餅自動(dòng)放置到專用的轉(zhuǎn)運(yùn)絲箱上，以供后期包裝生產(chǎn)使用。

8臺(tái)卷繞機(jī)為一組，目前我國各大企業(yè)的化纖生產(chǎn)線均為8組或12組。每臺(tái)機(jī)器同一時(shí)間最多可以卷繞12個(gè)絲餅。每更換一次絲餅的批號(hào)，機(jī)器都需要數(shù)分鐘來進(jìn)行生頭作業(yè)，之后開始成品的絲餅卷繞，不同的品種卷繞時(shí)間也不同，大多數(shù)在兩個(gè)小時(shí)到六個(gè)小時(shí)之間。為了保證下一個(gè)錠軸的順利作業(yè)，通常要求工人在3～5分鐘內(nèi)搬走12錠絲餅。

圖1 自動(dòng)化前紡絲車間

落絲機(jī)是該系統(tǒng)的核心部分，用來將絲餅從卷繞機(jī)上落卷以及協(xié)調(diào)配合輸送的自動(dòng)化設(shè)備。如今整個(gè)化纖行業(yè)落絲采用優(yōu)先呼叫原則。一條生產(chǎn)線上的卷繞機(jī)同時(shí)生產(chǎn)不同種類，不同規(guī)格的產(chǎn)品，那么他的滿卷時(shí)間和爆管時(shí)間都不相同。在多因素的情況下，現(xiàn)有的這種方式就不能夠滿足生產(chǎn)要求。

1.2 前紡絲車間目前存在的缺點(diǎn)

第一，效率低。卷繞機(jī)的滿卷信號(hào)隨機(jī)性很高，但由于PLC的局限性，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，加上隊(duì)列式的控制，邏輯簡單，使得效率很低，常常需要人工輔助；而當(dāng)人工不得不參與接絲任務(wù)時(shí)，沒有取舍邏輯，造成資源浪費(fèi)。第二，當(dāng)前的系統(tǒng)無法測算落絲機(jī)的落絲能力，僅僅用以往的產(chǎn)量來估算，偏差較大。第三，機(jī)器都是在出現(xiàn)問題之后進(jìn)行維修，大大減少了機(jī)器使用壽命。

2 數(shù)字孿生

2.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生近期得到了高度關(guān)注。2017年12月8日中國科協(xié)智能制造學(xué)術(shù)聯(lián)合體在世界智能制造大會(huì)上將數(shù)字孿生列為世界智能制造十大科技進(jìn)展之一。

數(shù)字孿生體是指物理實(shí)體在虛擬空間中全要素重建及數(shù)字化映射，是一個(gè)集成多物理、多尺度、超寫實(shí)、動(dòng)態(tài)概率仿真模型，可用來模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測、控制產(chǎn)品物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的形成過程、狀態(tài)和行為。數(shù)字孿生體在設(shè)計(jì)階段初步完成，之后模型不斷和物理空間實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而提高模型的精度，不斷趨于完整的。

2.2 數(shù)字孿生的特點(diǎn)

真實(shí)車間和虛擬車間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，相互映射。真實(shí)車間連續(xù)地將數(shù)據(jù)傳輸給虛擬車間，虛擬車間得以精確實(shí)時(shí)地記錄真實(shí)車間的每一個(gè)變化；同時(shí)，真實(shí)車間按照虛擬車間演算的每一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行生產(chǎn)，虛擬車間根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對真實(shí)車間仿真優(yōu)化、指導(dǎo)生產(chǎn)。兩者交相呼應(yīng)，互為照鏡子。

3 數(shù)字孿生在前紡絲車間的應(yīng)用展望

數(shù)字孿生在前紡絲車間的應(yīng)用有很多積極的前景。不僅要在設(shè)計(jì)和執(zhí)行之間形成緊密的閉環(huán)，更要在信息的傳遞中形成無縫的閉環(huán)。數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)時(shí)從前紡絲車間收集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)獲取到做進(jìn)一步的處理，并將有效的結(jié)果及時(shí)的反饋給前紡絲車間，更科學(xué)的幫助分配前紡絲車間的人力物力。

3.1 模型的構(gòu)建

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是整個(gè)數(shù)字孿生構(gòu)建的第一環(huán)，它是數(shù)字孿生的框架，直接影響到系統(tǒng)最終的運(yùn)行效果。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸

將以落絲機(jī)為核心器件的一整套前紡絲車間所涉及的硬件進(jìn)行建模。包括落絲機(jī)、各卷繞機(jī)、暫存設(shè)備的相對位置，全部按照真實(shí)車間大小等比例縮小。然后輸入合適的參數(shù)，包括落絲機(jī)的速度、加速度；卷繞機(jī)的等待時(shí)間、爆管時(shí)間；絲箱的存儲(chǔ)數(shù)量等等。從而真實(shí)模擬一整套生產(chǎn)流程。

總結(jié)為，在建模工具中繪出參數(shù)高度吻合真實(shí)車間的模型，從而可以在遠(yuǎn)端的電腦中形成可視化工廠。建模后也需要一些方法來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精確度，對前紡絲車間虛擬模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，目的是為了提高模型的精度，有利于后面的仿真和分析工作。

圖3 構(gòu)建數(shù)字孿生體

該框架要能描述整個(gè)前紡絲車間的結(jié)構(gòu)組成，做到落絲機(jī)和卷繞機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，它們?nèi)魏螘r(shí)間的相對位置要在孿生系統(tǒng)中顯示出來。同時(shí)，該框架要能展示出工藝加工的流程，落絲機(jī)是否在接絲，接的哪個(gè)紡位的絲餅，每個(gè)絲餅整個(gè)的流向要能清晰的顯示。這是一個(gè)系統(tǒng)各部分高度協(xié)同合作的過程。實(shí)質(zhì)是，利用數(shù)字孿生構(gòu)建出來的前紡絲車間，將絲餅的生產(chǎn)設(shè)備卷繞機(jī)，運(yùn)絲設(shè)備落絲機(jī)、暫存設(shè)備絲箱，這樣一個(gè)生產(chǎn)的全過程高度集成起來。

圖4 絲餅的流向

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的的仿真

數(shù)字孿生可以有效幫助物理信息高度融合。其中，復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和信息數(shù)據(jù)的相結(jié)合是最重要的部分，是實(shí)現(xiàn)真正智能制造的最根本途徑。數(shù)字孿生的使用就是在物理空間和虛擬空間搭了一坐“橋”，關(guān)鍵就在于確?，F(xiàn)實(shí)車間與虛擬車間的同步。孿生數(shù)據(jù)為整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)提供最根本的動(dòng)力支持。其中包括物理空間、孿生模型、和系統(tǒng)服務(wù)方面的數(shù)據(jù)，并且，數(shù)據(jù)跟隨實(shí)時(shí)狀態(tài)變化不斷更新。

物理空間的落絲任務(wù)指導(dǎo)實(shí)際落絲，同時(shí)來構(gòu)建孿生體中的任務(wù)模型；虛擬空間的數(shù)字孿生根據(jù)前紡絲車間物理結(jié)構(gòu)來構(gòu)建；前紡絲車間的歷史數(shù)據(jù)、故障記錄等，可以用來優(yōu)化數(shù)字孿生模型；從而數(shù)字孿生體能夠預(yù)估產(chǎn)量和預(yù)測故障，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

首先，數(shù)據(jù)孿生模型可以實(shí)時(shí)顯示落絲機(jī)的位置，清楚落絲機(jī)處于接絲、落絲或者空閑狀態(tài)；其次，明確接的哪個(gè)紡位的絲餅，以及即將送往哪個(gè)絲箱哪個(gè)桿號(hào)儲(chǔ)存（數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)分配）；最后，等待接絲的紡位號(hào)有哪些。

圖5 物理車間與數(shù)字孿生車間的鏡像關(guān)系模型

3.3 數(shù)字孿生模型指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)

在絲餅生產(chǎn)之前，就可以通過數(shù)字孿生模型進(jìn)行虛擬生產(chǎn)不同批號(hào)、不同規(guī)格的絲餅?？梢灶A(yù)估產(chǎn)能和效率等。同時(shí)，，預(yù)判生產(chǎn)瓶頸出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，卷繞機(jī)絲餅滿卷的時(shí)間常常會(huì)集中出現(xiàn)，這樣的做法可以加速新品種的絲餅加入生產(chǎn)線的過程。

數(shù)字孿生系統(tǒng)通過各種傳感器不斷采集前紡絲車間的生產(chǎn)線實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對絲餅生產(chǎn)流水線的可視化監(jiān)控。同時(shí)，可以通過后期的機(jī)器學(xué)習(xí)，建立起卷繞機(jī)、落絲機(jī)等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，以及絲餅檢驗(yàn)指標(biāo)的參數(shù)。這樣一來，對不符合常規(guī)參數(shù)的設(shè)備和絲餅可以進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和處理。此舉是在構(gòu)建各部分乃至整個(gè)前紡絲車間健康指標(biāo)體系。預(yù)測性維修可以降低甚至避免前紡絲車間因?yàn)榉怯?jì)劃停機(jī)帶來的損失。

實(shí)際車間的所有情況都是數(shù)字孿生系統(tǒng)中的映射，反過來，數(shù)字孿生中的虛擬車間也會(huì)指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)?？梢蕴岣呱a(chǎn)效率，測算落絲能力，提前維護(hù)設(shè)備。下面通過一個(gè)實(shí)例來說明數(shù)字孿生系統(tǒng)是如何提高前紡絲車間落絲效率的：

1）在N個(gè)卷繞機(jī)呼叫的情況下，落絲機(jī)如何最高效完成絲餅的接送任務(wù)?，F(xiàn)場情況復(fù)雜，體現(xiàn)在卷繞機(jī)呼叫很隨機(jī)、每個(gè)卷繞機(jī)可能生產(chǎn)的絲餅類別不同，從而不論是滿卷時(shí)間、爆管時(shí)間都不盡相同。如果最先呼叫的卷繞機(jī)爆管時(shí)間還很長，此時(shí)，去往該卷繞機(jī)的路徑上有新的呼叫，如果還是按照隊(duì)列原則，效率將會(huì)很低，配置大大浪費(fèi)。同時(shí)需要著重考慮每次選幾個(gè)進(jìn)行任務(wù)優(yōu)化，計(jì)算機(jī)運(yùn)行最快，效率最高。

2）特殊情況下，如何舍小逐大。當(dāng)絲餅的接送任務(wù)超過落絲機(jī)的最大處理能力，此時(shí)必須要有人工參與接絲。否則就會(huì)出現(xiàn)爆管的情況，影響現(xiàn)場的正常生產(chǎn)，增加企業(yè)成本。數(shù)字孿生系統(tǒng)需要指導(dǎo)人工和機(jī)器合作，有選擇性的讓人工協(xié)助，取走一些機(jī)位的絲。從而，最高效的完成繁重情況，最快恢復(fù)正常生產(chǎn)節(jié)奏。

3）虛擬車間可以模擬運(yùn)行一個(gè)月甚至是一年，用來測算落絲機(jī)的落絲能力。

4）當(dāng)一些機(jī)器維護(hù)的時(shí)候，因?yàn)樯婕暗揭恍┯布木S修或者更換，不可避免的會(huì)導(dǎo)致部分生產(chǎn)線甚至整條生產(chǎn)線的停止。所以，維護(hù)的時(shí)間選擇，以及維護(hù)部分的選擇尤其的重要。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，機(jī)器通過自學(xué)習(xí)，按需提醒實(shí)際車間需要維護(hù)的時(shí)間點(diǎn)，使得機(jī)器的壽命可以最大化，同時(shí)最小程度的影響生產(chǎn)。

4 數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

數(shù)字孿生車間的建模和仿真是一個(gè)復(fù)雜的過程，應(yīng)用于前紡絲車間，可以同步物理空間狀態(tài)、提升車間運(yùn)行效率、優(yōu)化維修計(jì)劃。筆者認(rèn)為最終取得的效果主要取決于以下兩個(gè)方面。

4.1 高保真度的多物理建模

數(shù)字孿生車間是真實(shí)的前紡絲車間在虛擬空間的數(shù)字化表達(dá)，高度精確的仿真模型是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其仿真效果取決于模型對物理實(shí)體的保真程度。物理車間的每個(gè)設(shè)備的每個(gè)特性，都應(yīng)該在模型中以一定的方式描述出來。

4.2 高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)交互

真實(shí)的前紡絲車間會(huì)把運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給虛擬的孿生體，數(shù)字孿生空間也要把前紡絲車間的故障診斷記錄、評估預(yù)測結(jié)果、對物理前紡絲車間的控制等信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳遞給真實(shí)車間。比如，當(dāng)虛擬車間將落絲車的最優(yōu)接絲順序得出時(shí)，必須快速的傳達(dá)給真實(shí)車間，時(shí)效性必須得到保證，任務(wù)要及時(shí)下發(fā)，當(dāng)有新的卷繞機(jī)卷繞機(jī)產(chǎn)生新的滿卷也要第一時(shí)間被考慮到任務(wù)派發(fā)計(jì)算中，否則下發(fā)的任務(wù)就不是最優(yōu)解。

5 結(jié)語

數(shù)字孿生的應(yīng)用場景十分廣闊。它不但充分揉合了現(xiàn)有的各學(xué)科知識(shí)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、建立模型等，更利用了虛擬環(huán)境的仿真來預(yù)測未知的場景，不斷地推進(jìn)各學(xué)科的進(jìn)步、探索更優(yōu)的方法、追求更創(chuàng)新的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)為智能制造時(shí)代的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式?jīng)]有形成良好的閉環(huán)，導(dǎo)致理性的設(shè)計(jì)與實(shí)際的生產(chǎn)往往脫節(jié)。本文為數(shù)字孿生在前紡絲車間的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論，希望為數(shù)字孿生在前紡絲車間的落地提供一種思路。