薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

李祖發(fā),林君

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)物理信息深度融合的重要抓手,復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造信息物理融合是其中最重要的一環(huán),為最終的智能制造提供有效的落地方式。目前,數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在車間作業(yè)和產(chǎn)品運(yùn)營維護(hù)兩個(gè)環(huán)節(jié)[1]。薄板中心是專為大型郵輪薄板分段進(jìn)行平面分段全流程、專業(yè)化生產(chǎn)而量身打造的獨(dú)立單體項(xiàng)目,配置了多條先進(jìn)的生產(chǎn)線,如預(yù)處理線、部件線、T-Beam線、型鋼線、板架線、分段線等。該項(xiàng)目是我國船舶制造中首個(gè)實(shí)現(xiàn)激光焊接、機(jī)器人焊接等國際先進(jìn)技術(shù)的工程化應(yīng)用的車間,也是我國造船業(yè)首條薄板加工生產(chǎn)線,技術(shù)先進(jìn)、智能高端。通過數(shù)字孿生技術(shù)為薄板中心賦能,將薄板中心產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)狀況采用數(shù)字孿生生產(chǎn)線的模型、數(shù)據(jù)、圖形等進(jìn)行動態(tài)展示,實(shí)現(xiàn)對薄板中心產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)信息的動態(tài)監(jiān)控,是薄板中心未來研究智能制造的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)主要由4個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。

DTS={PS,VS,IS,DS}

式中:DTS為薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng);PS為薄板中心物理產(chǎn)線系統(tǒng);VS為薄板中心虛擬產(chǎn)線系統(tǒng);IS為生產(chǎn)管理信息系統(tǒng);DS為孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

1.1 薄板中心物理產(chǎn)線系統(tǒng)

薄板中心物理產(chǎn)線系統(tǒng)是薄板中心具有實(shí)際生產(chǎn)能力的真實(shí)產(chǎn)線,其中主要包括薄板中心中的物理生產(chǎn)設(shè)備、物料等實(shí)體生產(chǎn)要素,主要是負(fù)責(zé)完成物理世界中薄板中心的生產(chǎn)任務(wù)。薄板中心物理產(chǎn)線系統(tǒng)由預(yù)處理線、板材切割線、型材切割線、片段生產(chǎn)線、分段生產(chǎn)線以及部件制作線組成。產(chǎn)線中的大部分設(shè)備具備生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的感知和傳輸能力,通過傳感器、OPC-UA協(xié)議、Modbus協(xié)議等采集設(shè)備制造執(zhí)行過程中的靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù),將由邊緣計(jì)算機(jī)清洗過后的有用數(shù)據(jù)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上傳至孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng),供其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用與分析,從而使各個(gè)生產(chǎn)要素之間能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通,為建立薄板中心數(shù)字化孿生系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 薄板中心虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)

薄板中心虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)是對物理產(chǎn)線的全面映射,其中包含對物理產(chǎn)線的靜態(tài)映射以及物理產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的動態(tài)映射。靜態(tài)映射基于系統(tǒng)模型庫,完成薄板中心物理車間各生產(chǎn)要素的模型配置,保障虛擬產(chǎn)線與物理產(chǎn)線之間物理幾何屬性基本一致,實(shí)現(xiàn)物理產(chǎn)線的可視化。動態(tài)映射則是將通過設(shè)備物聯(lián)采集到的各項(xiàng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)賦予到虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)中的各項(xiàng)生產(chǎn)要素模型中,結(jié)合生產(chǎn)要素模型中的流程參數(shù)、工藝參數(shù)等,共同驅(qū)動物理產(chǎn)線的生產(chǎn)事件在虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)中的映射。

1.3 生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)

生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)是薄板中心各項(xiàng)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集合,包含但不限于設(shè)備物聯(lián)系統(tǒng),制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES),公司信息化平臺TIME系統(tǒng)的工時(shí)管理模塊等。它主要面向薄板中心的生產(chǎn)制造流程提供計(jì)劃編排、計(jì)劃優(yōu)化、工單下發(fā)、工時(shí)管理等服務(wù),同時(shí)其還需將采集到的各項(xiàng)多源異構(gòu)的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲等操作,最終將數(shù)據(jù)歸集于數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)中。在產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中,生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)作為紐帶,將物理產(chǎn)線系統(tǒng)與虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)串聯(lián)在一起,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行過程的同步。

1.4 孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)

孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大腦,提供集成共享的數(shù)據(jù)平臺,系統(tǒng)內(nèi)囊括物理產(chǎn)線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)的各生產(chǎn)要素模型數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的計(jì)劃排程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化數(shù)據(jù)等,為物理產(chǎn)線系統(tǒng)、虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)提供三者之間兩兩交互的驅(qū)動服務(wù),突破各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)孤島,達(dá)到孿生數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的最終要求[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)通過傳感器、PLC等從物理產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)備中感知數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù),工業(yè)大數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)和邊緣計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和邊緣計(jì)算,將符合產(chǎn)線管理需求的數(shù)據(jù)存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。而由3D引擎構(gòu)建的虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)融合孿生數(shù)據(jù)平臺的各項(xiàng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、各項(xiàng)生產(chǎn)要素模型數(shù)據(jù)、各項(xiàng)生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等,于數(shù)據(jù)層面形成閉環(huán),最終通過分析與預(yù)測實(shí)現(xiàn)智造控制與決策,保障決策的實(shí)時(shí)持續(xù)優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

整個(gè)孿生實(shí)體囊括4個(gè)實(shí)體層級:數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)體、核心實(shí)體、用戶實(shí)體、跨域?qū)嶓w。其中數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)體主要采用數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算等手段,采集薄板中心各項(xiàng)設(shè)備物理層面的上行數(shù)據(jù),執(zhí)行下行的設(shè)備控制指令;核心實(shí)體以通用配套技術(shù)為依托,通過采用自定義目標(biāo)庫搭建結(jié)構(gòu)分層仿真模型,實(shí)現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的構(gòu)建與集成,是生成數(shù)字孿體、擴(kuò)大應(yīng)用的主要載體;用戶實(shí)體以用戶需求為導(dǎo)向,主要集中于視覺技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)兩方面,開發(fā)符合用戶實(shí)際需求和審美的虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)和各項(xiàng)針對生產(chǎn)運(yùn)營的可視化看板,承擔(dān)人機(jī)交互的職能;跨域?qū)嶓w負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)于不同系統(tǒng)之間的流動,保護(hù)各個(gè)層級之間的數(shù)據(jù)安全,保障數(shù)字孿生系統(tǒng)不受外部病毒侵害,提高系統(tǒng)的自診斷能力。

3 系統(tǒng)功能

基于薄板中心數(shù)字孿生所需的主要業(yè)務(wù)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè),系統(tǒng)的主要功能包含但不限于以下功能。

3.1 模擬設(shè)計(jì)

薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)具備3D編輯器內(nèi)核,能夠?qū)υO(shè)備模型進(jìn)行機(jī)理運(yùn)行、生產(chǎn)流程等進(jìn)行設(shè)計(jì)與編輯,其支持對設(shè)備多種物理屬性進(jìn)行模擬,涉及到的物理屬性包含彈性體、流體、剛體等,同時(shí)也支持對各種物理場進(jìn)行模擬,包含力場、風(fēng)場、磁場等。薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)功能將生產(chǎn)線上各個(gè)生產(chǎn)基本要素以及產(chǎn)線環(huán)境進(jìn)行模擬,為管理者提供高質(zhì)量的薄板中心三維空間展示。通過產(chǎn)線模擬設(shè)計(jì),管理者可以真切感受到產(chǎn)線的設(shè)備布置效果,對產(chǎn)線的整體布局、設(shè)備之間的干涉、產(chǎn)品的工藝流向認(rèn)知更為清晰[3]。同時(shí)也可以對后續(xù)各車間的建造改造工作提供模型指導(dǎo),為未來車間數(shù)字化規(guī)劃布局給與技術(shù)層面的保障。

3.2 模擬驗(yàn)證

薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)通過云化部署,于網(wǎng)頁端進(jìn)行低代碼可視化腳本在線編輯,使用自定義目標(biāo)庫創(chuàng)建結(jié)構(gòu)層次化仿真模型,構(gòu)建車間虛擬制造模擬環(huán)境。以采集到的產(chǎn)線設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生系統(tǒng)中的生產(chǎn)進(jìn)程變化,對薄板中心的資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和工序鏈進(jìn)行模擬驗(yàn)證,驗(yàn)證薄板中心各產(chǎn)線的指標(biāo)參數(shù)。

3.3 測試分析優(yōu)化

薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)通過使用試驗(yàn)管理器,預(yù)定義車間生產(chǎn)資源、訂單目錄、工位計(jì)劃、控制規(guī)則,結(jié)合采集的各項(xiàng)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù),對生產(chǎn)線上各設(shè)備工作負(fù)荷、設(shè)備故障、空閑與維修時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)分析,從而評估不同的生產(chǎn)控制策略,根據(jù)預(yù)定產(chǎn)量對生產(chǎn)控制策略進(jìn)行仿真優(yōu)化,平衡產(chǎn)品生產(chǎn)過程,緩解生產(chǎn)瓶頸,實(shí)現(xiàn)薄板中心主生產(chǎn)線與從生產(chǎn)線的優(yōu)化同步。

3.4 數(shù)據(jù)連接

數(shù)據(jù)連接是打通物理產(chǎn)線系統(tǒng)與虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)的鏈路,也是數(shù)字孿生系統(tǒng)本身的重要功能之一。[4]薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng),可以與Modbus-RTU、Modbus-TCP、OPC UA等不同種類的工業(yè)通訊協(xié)議形成連接,覆蓋車間內(nèi)支持工業(yè)通訊的生產(chǎn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)與設(shè)備快速連接響應(yīng)。同時(shí),數(shù)字孿生系統(tǒng)可為生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、倉儲物流系統(tǒng)、公司信息化平臺TIME系統(tǒng)等提供API數(shù)據(jù)接口,打通數(shù)據(jù)孤島,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的平臺化共享。此外,數(shù)字孿生系統(tǒng)還可提供AR、VR接口,能夠進(jìn)一步提升用戶的擬真體驗(yàn)感。

3.5 數(shù)據(jù)運(yùn)營可視化

數(shù)據(jù)運(yùn)營可視化是數(shù)據(jù)潛在價(jià)值的體現(xiàn),充分挖掘薄板中心各項(xiàng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù),對其進(jìn)行深度分析,以可視化的手段輔助管理者進(jìn)行薄板中心的生產(chǎn)運(yùn)營決策?？梢暬膬?nèi)容包含系統(tǒng)中的虛擬產(chǎn)線以及各類分析報(bào)表,虛擬產(chǎn)線呈現(xiàn)數(shù)字孿生工廠的三維場景以及產(chǎn)線設(shè)備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài),各項(xiàng)分析報(bào)表通過調(diào)用集成開放的孿生數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)生成。報(bào)表有以下展示功能:生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行一覽、各產(chǎn)線在制零部件統(tǒng)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息、在制品質(zhì)量統(tǒng)計(jì)等。

4 應(yīng)用場景

4.1 設(shè)備故障預(yù)測與健康管理

基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的設(shè)備故障預(yù)測和健康管理服務(wù)是數(shù)字孿生技術(shù)典型的應(yīng)用場景之一,其通過物理產(chǎn)線系統(tǒng)中的物理設(shè)備以及虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)中的虛擬設(shè)備的靜態(tài)映射與動態(tài)映射形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理模型,能夠針對設(shè)備具體故障進(jìn)行迅速響應(yīng)精準(zhǔn)定位故障原因,并提供設(shè)備故障維護(hù)和健康管理的合理化建議。物理產(chǎn)線系統(tǒng)中的物理設(shè)備與由孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)中的虛擬設(shè)備同步映射、實(shí)時(shí)交互,通過諸如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)的新一代算法生成設(shè)備狀態(tài)評價(jià)、設(shè)備故障預(yù)測、設(shè)備維保策略等方案,以數(shù)據(jù)算法支持設(shè)備機(jī)理模型的搭建,旨在通過設(shè)備機(jī)理模型指導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與分析,最終形成完整的規(guī)則模型用以輔助設(shè)備建模[5]。設(shè)備故障預(yù)測與健康管理流程見圖2。

圖2 設(shè)備故障預(yù)測與健康管理流程

某大型復(fù)雜產(chǎn)品制造企業(yè)在云環(huán)境下配置的設(shè)備故障預(yù)測與健康管理平臺見圖3,該平臺基于數(shù)字孿生技術(shù),能夠讓生產(chǎn)運(yùn)營方實(shí)現(xiàn)對車間各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、歷史故障追溯、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、故障預(yù)測等功能[6]。

圖3 云服務(wù)設(shè)備故障預(yù)測與健康管理平臺

某大型復(fù)雜產(chǎn)品的制造服務(wù)管理系統(tǒng)組成見圖4,其由產(chǎn)品服務(wù)管理子系統(tǒng)以及產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)測診斷子系統(tǒng)構(gòu)成,其中產(chǎn)品狀態(tài)檢測與故障預(yù)測診斷子系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集產(chǎn)品在制過程中的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù),進(jìn)行產(chǎn)品遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程故障診斷[7]。

圖4 服務(wù)BOM管理及產(chǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷子系統(tǒng)部分頁面

4.2 生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)調(diào)度

車間生產(chǎn)的排產(chǎn)調(diào)度一直是車間生產(chǎn)管理的關(guān)鍵和難點(diǎn),目前各種柔性作業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)調(diào)度模式并沒有考慮到設(shè)備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)以及其他的干擾因素,缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)生產(chǎn)的支持,無法實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的深度融合?；跀?shù)字孿生技術(shù),搭建云邊協(xié)同數(shù)據(jù)處理框架,見圖5,可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、備品備件剩余使用壽命和設(shè)備健康管理的預(yù)測評估,能夠提高生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)調(diào)度的精準(zhǔn)度和抗擾動性。同時(shí)其支持于虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)中驗(yàn)證調(diào)度策略,保障排產(chǎn)調(diào)度工作的有效性。

圖5 云邊協(xié)同數(shù)據(jù)處理框架

某大型復(fù)雜產(chǎn)品基于數(shù)字孿生技術(shù)的排產(chǎn)系統(tǒng),通過甘特圖的形式展現(xiàn)產(chǎn)線上各工位的排產(chǎn)情況,支持生產(chǎn)計(jì)劃的正推式和倒推式排程,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在車間生產(chǎn)過程中的動態(tài)調(diào)度。

5 結(jié)論

薄板中心數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)方案以對薄板中心物理產(chǎn)線系統(tǒng)、虛擬產(chǎn)線系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)和孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)為整體框架,通過傳感器、PLC等渠道手機(jī)物理產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)備中感知、收集數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)庫經(jīng)過網(wǎng)關(guān)和邊緣計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和邊緣計(jì)算,將符合產(chǎn)線管理需求的數(shù)據(jù)存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,擬為薄板中心產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)信息的動態(tài)監(jiān)控提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)底座。通過將產(chǎn)線設(shè)備實(shí)時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)要素模型數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成應(yīng)用和展示,為生產(chǎn)運(yùn)營策略提供在線評估和輔助決策。今后考慮針對數(shù)字孿生系統(tǒng)中涉及的各項(xiàng)數(shù)據(jù)持續(xù)進(jìn)行深入挖掘和分析研究,以期創(chuàng)造更為豐富的數(shù)據(jù)價(jià)值,使薄板車間生產(chǎn)運(yùn)營更可靠、更高效、更智能。