數(shù)字孿生技術(shù)在自動化生產(chǎn)線設(shè)計中的應(yīng)用

［摘 要］隨著工業(yè)4.0 的興起，數(shù)字孿生技術(shù)為制造業(yè)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型提供了重要的驅(qū)動力。數(shù)字孿生主要通過高級仿真和建模技術(shù)建立物理實體的虛擬副本，利用實時數(shù)據(jù)同步進(jìn)行模擬、預(yù)測和優(yōu)化物理實體的性能。在自動化生產(chǎn)線建設(shè)中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以顯著提高生產(chǎn)效率、減少故障率和降低維護(hù)成本，加速產(chǎn)品從設(shè)計到市場的整個周期。文章分析了自動化生產(chǎn)線設(shè)計中的挑戰(zhàn)，介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在自動化生產(chǎn)線設(shè)計中的具體應(yīng)用，提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能化數(shù)字中心方案。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字孿生技術(shù)；自動化生產(chǎn)線；設(shè)計

［中圖分類號］TP391.41 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0123–03

1 自動化生產(chǎn)線設(shè)計中的挑戰(zhàn)

1.1 當(dāng)前自動化生產(chǎn)線設(shè)計中存在的問題

（1）設(shè)備兼容性問題。對自動化生產(chǎn)線來說，很多設(shè)備來自不同制造商，在通信與協(xié)同工作能力上表現(xiàn)出較大差異，從而增加了自動化生產(chǎn)線設(shè)計難度。

（2）當(dāng)前技術(shù)更新?lián)Q代速度很快，自動化生產(chǎn)線設(shè)計需要具備較強的靈活性與可擴展性，才能滿足新技術(shù)應(yīng)用要求。但是如何在保證生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，快速調(diào)整與升級自動化生產(chǎn)線，是當(dāng)前設(shè)計中需要面對的主要挑戰(zhàn)。

（3）自動化生產(chǎn)線的維護(hù)和故障排除。自動化生產(chǎn)線若發(fā)生故障問題，將造成整個生產(chǎn)過程出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，如何設(shè)計出既高效又易于維護(hù)的生產(chǎn)線，是設(shè)計師們需要重點解決的問題。

1.2 自動化生產(chǎn)線設(shè)計復(fù)雜性和系統(tǒng)集成難題

自動化生產(chǎn)線設(shè)計并非只是將各種設(shè)備進(jìn)行簡單組合，還包括多個系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)工作，這樣會導(dǎo)致自動化生產(chǎn)線設(shè)計變得非常復(fù)雜。一方面，自動化生產(chǎn)線上的各環(huán)節(jié)需要做到精確協(xié)調(diào)工作，只要出現(xiàn)較小的誤差，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，并引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。另一方面，生產(chǎn)線上各個系統(tǒng)之間存在大量的數(shù)據(jù)交換，如何確保這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無誤，以及如何處理這些數(shù)據(jù)，是設(shè)計中需要面對的難題。這需設(shè)計師具備深厚的專業(yè)知識，也要掌握豐富的實踐經(jīng)驗。

1.3 自動化生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)處理和反饋需求

在自動化生產(chǎn)線運行過程中，會出現(xiàn)大量的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要涉及自動化生產(chǎn)線運行狀態(tài)各種信息，能夠監(jiān)控生產(chǎn)線運行狀況，預(yù)測并防止出現(xiàn)問題。但是如何處理這些大量的實時數(shù)據(jù)，如何將其中有用的信息提取出來，以及如何根據(jù)這些信息對生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整，是設(shè)計師們在設(shè)計自動化生產(chǎn)線時需要考慮的問題。對此設(shè)計師需要具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠設(shè)計出高效的反饋機制，可以對自動化生產(chǎn)線進(jìn)行及時調(diào)整。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在自動化生產(chǎn)線設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1 生產(chǎn)線設(shè)計與仿真

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以創(chuàng)建一個自動化生產(chǎn)線的虛擬副本，即“數(shù)字孿生”，這樣工程師可以在沒有實際建造物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對整個生產(chǎn)線采取詳盡的分析與測試的方法。在自動化生產(chǎn)線設(shè)計的初期階段，工程師要應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)建立精確的生產(chǎn)線虛擬模型，該模型既涉及生產(chǎn)線的物理布局，也涵蓋了生產(chǎn)過程中的全部關(guān)鍵參數(shù)，包括機器工作速度、物料流動路徑、工序時間安排等。利用該虛擬模型，工程師能夠在計算機上對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬，觀察自動化生產(chǎn)線在各種條件下的表現(xiàn)情況。數(shù)字孿生技術(shù)具有極高的靈活性與可調(diào)整性，工程師能夠?qū)崟r對模型中各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如改變機器的速度、更換原材料的供應(yīng)方式、調(diào)整產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等[1]。

通過以上調(diào)整，能夠立即在虛擬環(huán)境中展示出效果，工程師能夠快速評估不同設(shè)計方案的性能。這種快速迭代的過程能夠讓設(shè)計周期縮短，提升設(shè)計效率。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，還可對自動化生產(chǎn)線進(jìn)行風(fēng)險評估與管理。從實際生產(chǎn)來看，任何小的錯誤或故障都會造成生產(chǎn)線的停工，并帶來較大的經(jīng)濟損失。在虛擬環(huán)境中對潛在故障情況進(jìn)行模擬，工程師能夠提前發(fā)現(xiàn)并解決這些問題，有效降低實際生產(chǎn)中的風(fēng)險。數(shù)字孿生技術(shù)還能夠與現(xiàn)有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，如MES、ERP 等，能夠讓數(shù)據(jù)達(dá)到實時同步的要求。對虛擬模型來說，能夠結(jié)合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，提升模型準(zhǔn)確性與實用性。在深入分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)的過程中，工程師能夠進(jìn)一步對生產(chǎn)線設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

數(shù)字孿生產(chǎn)線的設(shè)計方案如圖1 所示。

（1）雙向數(shù)據(jù)驅(qū)動。建立雙向數(shù)據(jù)驅(qū)動模型后，能夠讓虛擬產(chǎn)線與真實產(chǎn)線之間進(jìn)行無縫聯(lián)動。真實工業(yè)產(chǎn)線通過實時數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生產(chǎn)線的即時調(diào)整，反之亦然，數(shù)字孿生產(chǎn)線能夠利用指令數(shù)據(jù)對真實工業(yè)產(chǎn)線各項操作進(jìn)行驅(qū)動，如開關(guān)機、暫停等，讓產(chǎn)線控制達(dá)到靈活、精確等要求[2]。

（2）數(shù)據(jù)資源的深度挖掘。數(shù)字孿生系統(tǒng)既能夠?qū)⒏鞣N重要數(shù)據(jù)自動記錄下來，如良品率、開工時間及平均質(zhì)檢時間等，也能夠?qū)⒁曈X效果直觀展示出來，有效節(jié)省大量人工記錄時間，讓未來產(chǎn)線優(yōu)化與決策獲得足夠的數(shù)據(jù)支撐。從實際生產(chǎn)應(yīng)用效果來看，虛擬產(chǎn)線與真實產(chǎn)線進(jìn)行實時互動，能夠讓數(shù)字孿生產(chǎn)線達(dá)到穩(wěn)定性要求。

2.2 生產(chǎn)過程監(jiān)控與優(yōu)化

構(gòu)建虛擬的生產(chǎn)線模型，可以對自動化生產(chǎn)線進(jìn)行實時監(jiān)控，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)形成的各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)收集起來。從實際操作情況來看，數(shù)字孿生技術(shù)借助傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其他智能系統(tǒng)，能夠?qū)ξ锢砩a(chǎn)線上所有參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括設(shè)備運行狀態(tài)、生產(chǎn)速度、產(chǎn)品質(zhì)量、溫度及壓力等。對各項數(shù)據(jù)來說，可以向數(shù)字孿生模型進(jìn)行實時傳輸，這樣制造商能夠在高度逼真的數(shù)字環(huán)境下對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行觀察與分析。在深入分析掌握的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，制造商能夠即時識別出生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的任何問題或瓶頸。若數(shù)字孿生模型顯示某個特定環(huán)節(jié)生產(chǎn)速度低于預(yù)期，工程師能夠及時對相關(guān)物理設(shè)備進(jìn)行檢查，確定是否存在故障或配置不當(dāng)?shù)痊F(xiàn)象。若質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示某一批次產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，制造商能夠迅速追溯并找出問題根源，如原材料問題、操作失誤或機器需要校準(zhǔn)等[3]。

建立系統(tǒng)預(yù)警模型，循環(huán)采集生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，能夠?qū)ψ詣踊a(chǎn)線運行狀態(tài)進(jìn)行在線預(yù)警。車間建設(shè)內(nèi)容框架如圖2 所示，正常運行需要機床、自動導(dǎo)引運輸車、機器人、數(shù)字化立庫、柔性管控系統(tǒng)等提供實時數(shù)據(jù)，從而對生產(chǎn)線、數(shù)字化立庫等硬件進(jìn)行合理布署，并開展基于孿生的可視化、過程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及預(yù)警等工作。

2.3 設(shè)備維護(hù)與預(yù)測性維護(hù)

（1）通過數(shù)字孿生技術(shù)實時收集設(shè)備各種運行數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、振動等關(guān)鍵參數(shù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的異常情況，對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)測。在設(shè)備出現(xiàn)故障之前采取有效措施，提高維修效果，防止因設(shè)備故障引起生產(chǎn)中斷的問題，讓自動化生產(chǎn)線運行更加穩(wěn)定。

（2）數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用有利于優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)周期。在對歷史維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中，能夠找出設(shè)備的磨損規(guī)律和故障發(fā)生的概率，制訂更加科學(xué)的維護(hù)計劃。通過這種方式，能夠降低設(shè)備維護(hù)成本，延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備整體效率。

（3）數(shù)字孿生技術(shù)也有利于人們理解設(shè)備的工作原理和性能限制。對設(shè)備模型進(jìn)行仿真和分析，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在問題和改進(jìn)空間，從而為設(shè)備的升級和優(yōu)化提供有力支持。

2.4 能源管理與優(yōu)化

能源管理與優(yōu)化是工業(yè)生產(chǎn)過程中需要重視的內(nèi)容，主要包括如何有效使用能源，減少浪費和降低成本，也為環(huán)境保護(hù)創(chuàng)造條件。在此過程中，數(shù)字孿生技術(shù)是實現(xiàn)這個目標(biāo)的有力工具，數(shù)字孿生技術(shù)是一種先進(jìn)的模擬技術(shù)，能夠通過創(chuàng)建物理實體的虛擬副本，實現(xiàn)對實體的實時監(jiān)控和分析。在自動化生產(chǎn)線中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，也能對能源消耗進(jìn)行實時監(jiān)測，為能源管理創(chuàng)造條件。通過對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，企業(yè)能夠及時發(fā)現(xiàn)能源浪費的環(huán)節(jié)，從而采取相應(yīng)的節(jié)能措施。在自動化生產(chǎn)線建設(shè)過程中，若某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)能源消耗較高，則容易出現(xiàn)能源浪費的問題。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，企業(yè)能夠迅速發(fā)現(xiàn)這個問題，并對其進(jìn)行深入分析，找出問題的根源，然后提出相應(yīng)的解決方案。具體來說，需要改進(jìn)設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)流程，或者改變能源使用策略等。

2.5 生產(chǎn)線改造與升級

對生產(chǎn)線進(jìn)行改造與升級，有利于制造企業(yè)提升競爭力、提高效率，從而有效適應(yīng)市場需求變化。在自動化生產(chǎn)線的改造與升級中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠幫助企業(yè)實現(xiàn)以下目標(biāo)：①快速集成新設(shè)備。建立新設(shè)備的虛擬模型，并將其與現(xiàn)有生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進(jìn)行集成，確保不影響實際生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，能夠在新設(shè)備布局、安裝與調(diào)試等方面完成模擬。這樣能夠讓新設(shè)備集成時間縮短，降低集成過程中出現(xiàn)的風(fēng)險。②聯(lián)合仿真評估。在新舊設(shè)備虛擬環(huán)境下進(jìn)行聯(lián)合仿真，能夠預(yù)測新設(shè)備加入后生產(chǎn)線的整體性能與生產(chǎn)效率。在仿真過程中，能夠?qū)撛谄款i與沖突揭示出來，有利于企業(yè)在實際操作前進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化。③影響分析與優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)π略O(shè)備生產(chǎn)線各個部分影響進(jìn)行模擬，如物料流動、能耗、產(chǎn)品質(zhì)量等方面。在分析上述因素的過程中，企業(yè)能夠識別最佳設(shè)備配置與生產(chǎn)流程，提升生產(chǎn)效率與成本效益。④風(fēng)險管理。在生產(chǎn)線改造與升級過程中，難免出現(xiàn)各種風(fēng)險。在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，提前進(jìn)行模擬與測試，能夠在不影響實際生產(chǎn)情況下發(fā)現(xiàn)與解決問題，達(dá)到降低風(fēng)險的目的。⑤持續(xù)改進(jìn)。數(shù)字孿生模型能夠?qū)ιa(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集，通過數(shù)據(jù)分析與機器學(xué)習(xí)算法，對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。這種持續(xù)改進(jìn)機制，能夠讓生產(chǎn)線適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)要求與市場條件。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能化數(shù)字中心方案

3.1 智能化數(shù)字中心概述

智能化數(shù)字中心，是一個集監(jiān)控、分析、決策和指揮調(diào)度于一體的三維可視化智能實時協(xié)作平臺，實行24 h 運行，實時傳輸和采集生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)信息，從而強化各生產(chǎn)車間統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，持續(xù)發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢。同時，將自動化、信息化、管理化技術(shù)融合為一體，實現(xiàn)對全廠各工序的集中生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，讓傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝與信息化建設(shè)相結(jié)合，以模塊化、數(shù)字化、自動化和智能化為手段，以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息安全技術(shù)、智能應(yīng)用為依托，搭建一套生產(chǎn)管控一體化系統(tǒng)平臺，最終打造少人值守、經(jīng)濟運行、高效管理、本質(zhì)安全、環(huán)境友好的炭素全流程綠色智能工廠。

3.2 智能化數(shù)字中心的功能

3.2.1 智能生產(chǎn)

通過建立覆蓋全流程生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，對生產(chǎn)計劃、調(diào)度排產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)設(shè)備等整個生產(chǎn)過程進(jìn)行主動、動態(tài)、實時和閉環(huán)管理，統(tǒng)管整個生產(chǎn)流程并實現(xiàn)逆向追溯，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、均一、優(yōu)質(zhì)，為生產(chǎn)管理提供決策支持。同時利用底層PLC 和DCS系統(tǒng)，實時采集15 000 多個點位的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等運行數(shù)據(jù)，即時感知設(shè)備運行狀態(tài)，有效實現(xiàn)在線感知、實時優(yōu)化、超限報警，切實提升裝備安全運行效率。

3.2.2 智能安全

利用三維數(shù)字技術(shù)對生產(chǎn)廠區(qū)和關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行立體建模，通過“一張圖”，實時感知各生產(chǎn)企業(yè)重大危險源、設(shè)備、監(jiān)控、消防、人員、環(huán)保、能源、車輛、物質(zhì)等超限超區(qū)域異常信號，聲光報警，聯(lián)動響應(yīng)，第一時間發(fā)現(xiàn)、處置異常風(fēng)險，為企業(yè)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。中心建成后，將實現(xiàn)生產(chǎn)全流程“八合一”集控，即分布在煅燒、成型、焙燒、發(fā)電等4 個車間的x 個操作室的崗位人員全部遷入新建的智能數(shù)字中心管控大廳，完成全廠各工藝流程的集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作；實現(xiàn)“智慧”高效管控，集控中心管控大廳設(shè)置調(diào)度、安全、生產(chǎn)、環(huán)保、設(shè)備、技術(shù)、能源、質(zhì)量等功能區(qū)，匯聚生產(chǎn)組織、安全環(huán)保、系統(tǒng)運維、質(zhì)量分析、人員管理、能源消耗等管理模塊，大幅推進(jìn)現(xiàn)場作業(yè)少人化和無人化，高效提升生產(chǎn)組織效率和廠務(wù)管理能力。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)在自動化生產(chǎn)線設(shè)計中的應(yīng)用，能夠有效提高生產(chǎn)效率、降低成本及增強決策支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，數(shù)字孿生將在未來成為自動化生產(chǎn)線設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。為了進(jìn)一步發(fā)揮數(shù)字孿生的潛力，還需要解決數(shù)據(jù)集成、安全性和標(biāo)準(zhǔn)化等挑戰(zhàn)，要重點關(guān)注這些挑戰(zhàn)的解決方案，以及如何更好地將數(shù)字孿生技術(shù)與現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)融合，以實現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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