基于數字孿生技術的船舶管件加工智能車間研究

姚靖維,周 祺,張 剛

(1.華中科技大學機械科學與工程學院,湖北 武漢 430074;2.武昌船舶重工集團有限公司,湖北 武漢 430060)

0 引言

隨著現代信息技術的高速發展,實現本質意義上的智能制造已成為各國發展制造業的首要目標。其中,物理空間與虛擬空間之間的數據信息交流與交互是實現智能制造的核心環節[1]。從2003 年Grieves 教授提出數字孿生的概念開始,數字孿生逐漸成為工業領域的重要課題。美國國防采辦大學將數字孿生定義為一種充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。Gartner 公司也一直將數字孿生技術作為十大戰略科技發展趨勢之一[2]。數字孿生技術給智能制造系統提供了一個平行、快捷、具有高時效性的研究映射。

船舶工業是資金密集型和勞動密集型的傳統工業。隨著高技術船舶和高質量海工裝備的發展,船廠為了適應激烈的市場競爭,著手打造智能化加工車間,以提高產品質量穩定性、降低人工成本。管件加工(以下簡稱“管加”)量在海洋工程裝備與船舶建造中占據很大比重,是影響產品質量和建造周期的關鍵中間件之一。管加是典型的多品種、小批量、離散性制造。傳統管理手段及與手工作業方式很難提升加工制造效率。因此,建設智能化的管加車間對船廠的智能化升級具有重要的示范意義。

傳統的管加方式采用手工作業裝備或者半自動化裝備,車間布局主要根據經驗與作業習慣。在缺乏信息系統統籌調度的情況下,車間生產效率高度依賴管理人員從業經驗,在作業高峰期常出現物料配送不及時或現場堆場積壓的情況。在半自動化環境中,各類設計軟件、管控程序之間會存在數據孤島[3],依靠人工現場進行管理的難度極大,嚴重制約管加效率的提升。圍繞管加車間產線的智能化改造,把數字孿生技術應用到車間建設中,可以在后期生產調試過程中,實現對工藝流程的實時數據采集與全局優化。通過在數字孿生模型上對車間布局、工序節奏、工藝方法等的優化調整,可以在不中斷生產、不占用額外物理資源的條件下,優化迭代自動車間生產流程整體解決方案,達到對船舶管加生產管理及制造效率的全面提升,實現船舶管加車間智能化建設的目標。

1 面向生產的數字孿生開發模式

隨著無線通信技術、物聯網技術的成熟與傳感器成本的降低,人工智能與大數據的融合發展使工業領域基于模型的設計、仿真、感知、優化成為可能。車間產線的數字孿生模型需要具備反映產品生產的詳細流程、實時動態的跟蹤產品加工、物料消耗與設備磨損情況等基本能力[4]。當前,數字孿生應用仍處在起步階段,開發具備感知、優化、控制完整能力且覆蓋企業全流程的數字孿生模型,其技術成本對于傳統企業來說仍然較高。因此,可以從特定產品或某一中間件的生產制造出發,完成數字孿生體的開發與虛實映射的管理能力閉環建設,而后再將成熟經驗逐步向企業的上下游工序推廣。

1.1 數字孿生的技術要素

完整的數字孿生車間解決方案由物理車間、虛擬車間、車間服務系統、車間孿生數據四部分組成[5]。針對物理空間的大范圍、全方位數據監測是實現數字孿生的基礎[6]。只有打通物理車間與數字車間的實時數據通道,才能在虛擬診斷的同時,結合控制組件對現場執行的管理,形成一個具備虛實交互能力、覆蓋產品生產全流程的數字孿生技術閉環[7]。在真實生產數據的基礎上,通過構建反映物理實體的機理模型與輔助控制的數據驅動模型,并結合人工智能與優化算法對設計、生產、車間布局等進行迭代,可實現生產管控與效率最優化配置。

1.2 數字孿生在管加車間的應用

對于船舶管加領域的數字孿生車間,由于船舶建造零部件、舾裝件數量多、關系復雜,生產線的工藝設計難度極大。管件制造需要依賴工程師的個人經驗進行工藝安排,在面對突發狀況時,難以高效、迅速地平衡人力與設備資源,生產效率很難提升[8]。在數字孿生車間搭建后,可以進一步對工藝安排進行數字化歸檔、分類并提供參考對照,從而在生產出現已被歸檔的突發問題時迅速提供應變方案。

數字孿生技術應用在車間建設之初,即可建立覆蓋產線所有類型工藝和設備的基礎數據,并輔以虛擬車間形式對管件制造不同工藝流程進行設備模型的模擬運行。與此同時,面向不同工藝類型管件的生產流程及車間產能需求,對管件制造各產線、各工序的設備能力匹配、人力資源配置、物流類型及走向、生產節拍、信息追蹤等進行全流程虛擬驗證。

傳統模式下,單個操作者常專注于某一工序,無法從全局視角關注各個工序和生產要素的協作狀態。數字管加車間的建設,能夠打通設計、生產的信息流,在生產組織過程中以數據驅動虛擬車間對整個計劃與設備、人力資源等因素的匹配關系進行模擬演算,通過獨立視角對不同產品、不同參數、不同外部條件下的產能瓶頸進行分析,為生產管理者提供最直接的數據參考。同時,生產過程中采集生產線上各工位設備實時運行數據作為真實狀態對照,可為后續的分析優化提供相應依據。

同時,數字化管加車間對于全生命周期的管件制造生產管理有巨大的提升潛力。通過物聯網技術,可以實現對管件加工數據、電子圖紙以及全流程物流追蹤系統的應用,極大降低圖紙文檔傳遞成本。把管件制造相關信息提取存儲于數據庫中并根據相應規則一一編碼,便于生產者按需提取相應管件加工信息;在加速生產的同時建立便于管控的反饋渠道,使管理者能夠實時把控生產的進度。通過對不同原材料物資代碼的匹配,可實現系統內所有物資統一管理;對生產任務進行優化排產,可避免缺料原因導致的現場生產停滯,并可以向零庫存生產進行優化迭代。數字化車間通過對現實車間的1∶1 建模,把實時的生產、設備狀況反映到模型中,可以高效地輔助技術人員了解車間生產的狀態;通過與視頻監控設備的結合,可完成高效的、對整體生產狀態的調控。

2 船舶管加車間數字孿生架構的搭建

船舶管加車間數字孿生架構如圖1 所示。

圖1 船舶管加車間數字孿生架構圖Fig.1 Digital twin framework of ship pipe manufacturing workshop

管加車間的數字孿生架構包括物理層、感知控制層、數字孿生模型層和應用層。通過對生產現場的設備、產線、原材料(或半成品)、制造環境等數據的感知、采集、分析處理、優化,建立與數字孿生模型層的設計數據、工藝數據、物流信息、設備信息以及各類模型的映射關系,對數據進行系統分析,實現車間布局及優化、工藝設計與優化、生產調度與優化、車間物流配送與決策、質量分析與決策。在設計之初,智能產線的數據流向始終圍繞工藝數字化、自動排產、質量監控與追溯、輔助決策展開。

2.1 工藝數字化

在充分考慮數據流的設計基礎上,通過工藝仿真和生產模型,構建面向管件生產現場的工藝數字化孿生。首先,依托設計軟件(如SPD、CATIA、TRIBON、CADDS5 等)構建生產線數字模型。通過數字或相應特征代碼,對孿生體中出現的特征要素進行編碼。管加的主要特征包括材質、附件的類型以及規格、數量、加工形式、彎管信息、表面處理等一系列管件工藝信息。各類代碼在設計數據庫中具有唯一性、可識別性及完整性。其次,設計輸出的圖紙、信息數據應完整,具備可充分反映管加全生命流程的所有信息。該類信息可為數字類型或相應加工特征碼。最后,應配備對應的、從設計到生產的數字化接口軟件,銜接設計與生產的中間環節。其應具備充分解讀設計輸出相關信息,以及根據生產所需轉換為生產現場自動(或半自動)加工設備可識別信息的能力。

2.2 生產計劃管理智能化

構建由生產數據驅動的管系智能化生產管理。管加數據、車間數字模型、必要的設備加工能力信息、管件工藝流程等,按照規定作業原則進行采集。采集后的生產流程可以在數字孿生體中,結合節拍規劃與流程優化,通過模擬生產予以驗證,迭代優化生產過程。

產品生命周期管理(product lifecycle management,PLM)系統按照預設原則,對來自企業資源計劃(enterprise resource planning,ERP)的需求進行解構,將其解析為面向各生產系統可執行的需求數據,并對原數據中部分不規則特征碼進行重新賦值,以完成工藝特征匹配。車間執行制造系統會根據系統內資源占用情況(如計劃需求、物料庫存、設備狀態、人力資源配置等)開展自動運算,完成計劃提供,并根據計劃內容自動完成原材料套料、附件自動配托及零件生產工藝流向指定等一系列操作,從而確保車間現場各工序生產流暢。

2.3 全生命周期質量監控與回溯

在數字化管加車間,原材料采購入庫前,會對其相應材質、外形尺寸、數量作入庫前復驗,并對復驗合格物資進行貼碼標示;同時,在管理系統內建立相應電子臺賬,賦予其內部管理的唯一身份。生產計劃下發后,所有車間執行層將根據系統運算結果接收到自己的工作計劃。計劃執行過程中,所有的生產環節過程控制均可在管控系統內據實記錄,便于產品全生命周期質量管控及問題溯源。生產過程中,系統根據計劃自動對相應管件所需物料進行套料、配對,并生成新的管理身份標識;同時,與所使用原材料的標示碼進行關聯,形成相應的數據鏈。

在生產現場,自動設備(或作業人員)按照作業計劃將系統生成的物理條碼與產品進行綁定,并根據作業流程,通過自動(或人工)掃描記錄每個工序的作業工位(或作業人員信息)、加工日期等信息。同時,對系統設置的停止檢查點,采用自動或人工輔助的檢測方式逐一檢驗,并記錄相應質量檢驗結果;對不合格產品進行結論標記,用于問題產品的生產過程追溯及質量原因分析。此外,根據分析結果為后期同類型問題提供解決方案。未來,還可以通過大數據關聯完成產品出廠后的使用、損毀情況記錄,并由此對內場制作過程進行不斷優化,從而進一步提高管件的生產質量。

2.4 信息統計與決策輔助

對于企業而言,數字孿生技術的商業價值是幫助其決策是否搭建數字孿生車間的關鍵。在探析數字孿生的商業價值時,企業須重點考慮戰略績效與市場動態相關問題,包括持續提升產品績效、加快設計周期、發掘新的潛在收入來源以及優化保修成本管理[9]。基于企業服務總線打造綜合管控平臺,從車間作業控制系統、產品數據管理系統、工藝管理系統、綜合管控平臺等系統中提取數據,構建數字化車間制造大數據中心,實現對工藝、生產、設備、質量、人員、物料和資源數據標準化匯集,為大數據分析與應用提供統一數據源。利用大數據關聯分析技術,對產品各個階段的數據進行關聯,形成一個動態的過程關聯網絡,為產品的全生命周期數據分析及質量追溯提供可靠的數據保障;更可以采用微服務架構,實現基于工業互聯網的工藝、生產、質量、人員、物料和資源的實時可視化管控,以及智能分析、快速開發[10]。

另一方面,在基礎的車間管理中,數字孿生系統通過大量數據采集設備與低延時通信技術,建立了鏈接物理現場與孿生系統的神經系統,可以使工藝師在實現管加車間的生產狀況實時量化管理的同時,對車間的運營進行適當調整。

3 船舶管加車間數字孿生技術的實現

武昌船舶重工有限責任公司搭建了采用數字孿生技術的柔性直管加工全自動智能生產線。武船直管加工車間數字孿生系統結構如圖2 所示。該產線數字孿生系統建立了從設計到生產的數字孿生模型與數據分類機制,打通了西門子PLM 與武船企業信息空間工程(enterprise information space engineering,EISE)系統的數據通道,從企業計劃管理拓展到車間、產線和工位級作業的精度管理。

圖2 武船直管加工車間數字孿生系統結構圖Fig.2 Digital twin architecture of straight pipe manufacturing workshop

升級的EISE 系統與產線控制系統(beltline control system,BCS)的數據直接交互,指揮產線立體倉庫、下料打磨單元、貼標單元、刻碼單元、全自動組對焊接機器人單元、物流系統等智能設備,完成從原材料到成品管件全過程生產的無人化、高柔性化、數字化控制。在車間,通過BCS 系統對所有設備信號進行采集,并與EISE 系統、PLM 系統的數據交互,可實現虛擬產線模型與物理產線的同步運作。現場視頻監控系統可以實現在1∶1 虛擬現實綜合管控平臺的自動生產線現場視頻與產線模型的實時切換,并由此輔助管理者了解設備加工的瓶頸、制定生產優化策略。

該車間在完成智能化直管加工生產線建設的同時,還結合建設成果對車間其他生產線進行了相應改造,打通了整個車間的物聯網,實現了設計數據、電子圖紙直達工位、物流實時追蹤、數據實時共享等整個車間數字化生產的第一階段建設,攻克了管件加工的大部分控制難題。該車間已實現生產物料在線實時管理、制造計劃自動運算下發、各工序工位作業完成情況實時記錄、質檢結論數據庫統一管理及實時共享等一系列功能。自投入運行以來,車間生產管理流暢,整體運行效果理想,較車間改造前實現了約35%綜合產能的提升,22%的典型產品成本下降,33.3%的產品制造周期壓縮,并降低了11.5%的單位產值能耗,綜合效率提升顯著。

4 結論

本文圍繞數字孿生系統應用,以船舶管件加工為實例,建立了虛實結合的武船智能化管加車間模型、綜合管控平臺,對車間智能化應用進行了探索研究。研究表明,通過建設生產車間數字孿生體并搭建相應管理系統,可以在不中斷生產的同時,在虛擬空間對生產過程開展優化。

全自動管件加工生產線仍然具有較大提升空間。

首先,本研究對象僅實現直管型管件的生產,無法做到產品類型全覆蓋,未來的發展還需進一步借鑒先進行業(如航空工業和石油化工行業)的數字化建設經驗[11-12],并與相關領域專家在管件制造工藝、專業設備研發、人機互動等方面作進一步的研究,逐步解決管件加工全流程制約的難題。

其次,銜接設計與生產管理的專業軟件(PLM、EISE),其系統內部流程設計與生產現場管理流程的匹配度還未達到較高水準。這也反向制約了管系智能制造的研究進展。但隨著大環境的不斷變化,越來越多既懂管件加工生產管理又懂軟件系統研發的專業工程師的出現,必將慢慢打破這一現狀,為后續管件加工設計生產一體化開創更佳的局面。

武船管加車間在建設智能化的柔性直管生產線過程中,打通PLM 系統、EISE 系統、BCS 系統、物聯網、綜合管控平臺等數據通道,構建虛實映射的數字孿生系統,并通過對數字模型的分析與迭代,實現了指導實際產線工藝優化,為未來車間的全面升級積累了重要的實踐經驗。