鑄造行業數字化轉型打造數字孿生工廠

王 輝，王季葉，張梅濤，任寶鋼

（濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261001）

關鍵字：數字化；鑄造行業；數據；孿生工廠

21 世紀是大數據時代，互聯網技術有了突飛猛進的發展和應用，同時產生了許多新的OT（操控技術）、IT（信息技術）、CT（通信技術）技術，這些技術能實時從現場讀取、存儲、傳輸和轉換數據及其他信息；同樣是市場競爭激烈的時代，制造企業正面臨著巨大的時間、成本、質量等壓力，生產過程中數據的分析應用的重要性更加突出。企業數字化轉型是制造業高質量發展的重要途徑，是克服以上挑戰和壓力的有效手段，也是鑄造行業發展的必然趨勢。通過數字轉型打造數字孿生工廠，用數字驅動價值創造。

1 數字孿生工廠的定義和意義

數字孿生技術是以數字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態呈現。數字孿生工廠是利用數字孿生技術將精益生產、敏捷制造、智能制造、信息技術、自動化技術、網絡通信、大數據、云計算等技術深度融合打造的數字虛擬空間。數字孿生工廠可以實現整個產品從需求、設計制造、物流、售后等所有數據信息的橫向集成，也可以實現企業內部經營決策、經營管理、生產跟蹤、人員及設備執行等數據信息的縱向集成。所有數據信息集成并互聯互通，實現生產、質量、設備運行數字化管控，搭建數字化管理系統，創建數字化經營決策系統。以信息化和數字化支持敏捷制造，降低制造成本和生產周期，提高產品核心競爭力，實現企業的可持續發展。

2 鑄造行業數字化發展的現狀

鑄造業屬于傳統產業，多數的鑄造企業存在以下問題：數字化基礎設施薄弱，包括5G 網絡、工業互聯網、數據的存儲傳輸等硬件設施和數據庫系統及數據分析管理等軟件設施，難以在短期內實現數字化轉型；裝備落后，自動化智能化水平較低，產品種類多、生產工藝和流程復雜導致數據與信息關聯協作程度不高；數字化人才欠缺，無論是轉型期的技術輸出還是轉型后的管理和維護，都需要大量的人才。總之，為了適應制造強國戰略，建設鑄造強國，鑄造行業面臨十分艱巨的數字化轉型發展任務。

3 鑄造行業打造數字孿生工廠的主要框架

數字孿生工廠構成可以分為以下五個層面：物理工廠、孿生工廠、連接層、數據層和服務層，相互之間的數據傳遞如圖1 所示。

圖1 數字孿生工廠各框架層相互之間的數據傳遞圖

下面結合鑄造行業的現狀及各框架層探討如何實現數字化轉型打造數字孿生工廠。

3.1 物理工廠層

物理工廠是打造數字孿生工廠的基礎，是所有信息數據的來源，也是整個生產過程的執行者。鑄造行業產品種類多、生產過程復雜、自動化程度低、涉及使用的原輔材料工具工裝等種類數量多樣，信息收集依賴人工錄入，存在信息真實性差和信息滯后的問題。針對存在的問題和行業現狀，為做到數字化轉型，首先要明確要收集的信息（設備運行狀態、工藝數據、物料資源等）。信息收集提出兩條思路：一是引進智能設備，可實現生產過程中數據監控和收集，具備遠程通訊功能，可實現遠程操控功能。二是對現有設備進行改造，對生產過程中數據收集方式進行改善，這是實現物理工廠層數字化轉型的重點。

改造過程要運用大量的先進工業技術，列舉幾種典型技術和實現功能僅供參考：

（1）傳感器技術，傳感器是一種檢測裝置，能檢測被測量的信息并輸出。近年來，傳感器技術有了快速的發展，極大程度的方便了設備的改造。通過加裝非接觸式流量傳感器可實現生產工藝數據的收集，如樹脂、固化劑的加入量，也可以實現設備運行數據的收集，如液壓系統流量，燃氣消耗量等；加裝傳感器還可以實現產量計數、產品測量等功能。傳感器要根據收集的信息和收集方式合理選型，傳感器的選擇使用如圖2、圖3 所示。

圖2 設備改造加裝流量傳感器

圖3 HMI 顯示傳感器檢測數據

（2）條碼技術和RFID 技術。對物料進行編碼，通過讀碼器讀取信息實現物料的出入庫信息、流轉信息、生產信息的采集。RFID 技術彌補了條碼技術的不足，更能滿足鑄造行業生產環境的需求。如對工裝芯盒進行編碼后，可以實現芯盒的信息管理，設備連接讀碼器后對芯盒進行掃描還可以直接輸出生產相關信息。

（3）視覺技術。連接現場監控攝像設備，可實現生產過程中人員信息收集和導入；設備改造加裝工業視覺系統，可實現產品的信息導入和快速建模等工作。物理工廠還需具備根據指令或檢測數據自動調節的能力，具備執行功能，需根據要實現的動作對設備加裝電磁閥、電動執行器、伺服電機等。

3.2 連接層

物理工廠層建設完成之后，要對所有收集的數據信息進一步傳遞，搭建橋梁起傳輸作用。首先設計選擇硬件連接方式，其次選用適當的傳輸協議。常用的硬件接口類型有RJ-45、DB25、DP 接口、HMI接口等，工業通訊協議有RS485、Modbus、TCP/IP、OPC、Zigbee 等。RJ45 接口配TCP/IP 協議可連接多個網關，搭建工業以太網；DB25 接口使用RS-485通訊協議可實現設備不同型號PLC 的通訊和數據傳輸，也可實現變頻器、傳感器等數據信息向PLC的傳輸；Zigbee 協議的應用可搭建具有無線傳輸功能的工業物聯網系統，實現數據的短距離實時傳輸。圖4 所示zigbee 的應用，發送模塊發送數據，接受模塊可連接上位機進行數據收集存儲，圖5 簡述兩種技術在連接層搭建中的應用。

圖4 選用具有zigbee 傳輸功能的壓力變送器

圖5 Zigbee 技術和OPC 技術在連接層搭建中的應用

3.3 數據層

數據層是整個系統的核心大腦，其包含多種不同功能的數據庫。數據庫具有數據存儲和數據管理兩大功能，可實現文本、數碼、圖像等多種類型數據的混合存儲，實現歷史信息追溯；數據管理能實現數據建模、抽取和分析，建立數據之間的關聯關系，篩選相關的信息，實現行為要素提取分析、關系分析、多維統計等功能。主流的關系數據庫有oracle、db2、sqlsereer、mysql 等，在搭建數據層時需做以下工作：（1）對收集的數據進行統一的轉換，對一些會影響整個分析統計的臟數據進行篩選和邏輯屏蔽；（2）提供生產流程和工藝路線，對收集的數據根據生產工藝建立關聯關系；（3）數據存儲和及時備份，為后續業務提供海量、高效穩定的大數據平臺支撐和決策支持。

3.4 服務層

服務層的搭建為數字化的建設提供了便利的管理方式，本層建設的主要工作是結合生產實際選擇應用系統，做好和軟件廠家的溝通。了解常用生產系統，ERP 解決生產什么的問題，MES 解決如何生產的問題，CAPP 解決產品設計的問題。多數鑄造行業有以下生產特點：離散制造、按訂單設計、批量生產、產品結構變化頻繁，建議根據需求先上PDM，再上ERP，再上MES。筆者公司使用ERP、PDM 系統。

3.5 孿生工廠層

孿生工廠層直觀顯示物理工廠層所有組成元素的信息，其包含產品模型，設備模型、仿真模型，軟件與控制系統等。孿生工廠可以實時顯示產品的生產制造過程，也可以模擬產品設計制造過程和性能，并在虛擬環境中進行調整或優化。孿生工廠建設多包含以下工作：

（1）數字建模，包括工廠所有元素三維建模，元素內部件的運動約束，接觸形式，電氣系統，軟件與控制算法等信息進行全數字化的建模。圖6 所示筆者公司對產品掃描建模。

圖6 利用掃描設備對產品進行掃描建模

（2）仿真驗證，對于工廠，其運行時的性能涉及到多物理場、多學科的綜合作用。比如，一臺發動機毛坯的生產需先對其進行工裝設計、澆注過程模擬，后進行造型、澆注、冷卻等包含物料性能模擬，機械振動仿真、電氣自動運行模擬等，整個模擬過程無異常后進入實際生產流程，在實際生產中做好各個環節的數據信息收集記錄導入孿生工廠做到生產信息監控。圖7 所示對澆注系統鐵液冷卻過程進行仿真模擬。

圖7 對澆注系統鐵液冷卻過程仿真模擬

4 結束語

本文結合鑄造行業的現狀探討了鑄造企業實現數字化轉型打造數字孿生工廠的主要框架。打造數字孿生工廠實現全工廠價值流三維虛擬仿真，可實現物理工廠到孿生工廠的數字化轉化，生產的一體化和精細化管理，資產、質量、設備、產品生命周期的可視化管理，人力資源管理；其能為企業帶來實際價值，助力企業解決戰略問題。但是，打造數字孿生工廠需要大量的時間和成本，我們要結合實際充分考慮如何部署，做到短時間內收獲最大價值。