薄板中心數字孿生系統技術方案設計

李祖發,林君

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

數字孿生是實現物理信息深度融合的重要抓手,復雜的產品設計與制造信息物理融合是其中最重要的一環,為最終的智能制造提供有效的落地方式。目前,數字孿生技術的研究和應用主要集中在車間作業和產品運營維護兩個環節[1]。薄板中心是專為大型郵輪薄板分段進行平面分段全流程、專業化生產而量身打造的獨立單體項目,配置了多條先進的生產線,如預處理線、部件線、T-Beam線、型鋼線、板架線、分段線等。該項目是我國船舶制造中首個實現激光焊接、機器人焊接等國際先進技術的工程化應用的車間,也是我國造船業首條薄板加工生產線,技術先進、智能高端。通過數字孿生技術為薄板中心賦能,將薄板中心產線的實際生產狀況采用數字孿生生產線的模型、數據、圖形等進行動態展示,實現對薄板中心產線運行狀態和生產信息的動態監控,是薄板中心未來研究智能制造的重點。

1 系統構成

薄板中心數字孿生系統主要由4個系統構成。

DTS={PS,VS,IS,DS}

式中:DTS為薄板中心數字孿生系統;PS為薄板中心物理產線系統;VS為薄板中心虛擬產線系統;IS為生產管理信息系統;DS為孿生數據系統。

1.1 薄板中心物理產線系統

薄板中心物理產線系統是薄板中心具有實際生產能力的真實產線,其中主要包括薄板中心中的物理生產設備、物料等實體生產要素,主要是負責完成物理世界中薄板中心的生產任務。薄板中心物理產線系統由預處理線、板材切割線、型材切割線、片段生產線、分段生產線以及部件制作線組成。產線中的大部分設備具備生產過程數據的感知和傳輸能力,通過傳感器、OPC-UA協議、Modbus協議等采集設備制造執行過程中的靜態數據與動態生產數據,將由邊緣計算機清洗過后的有用數據通過工業互聯網上傳至孿生數據系統,供其他業務系統調用與分析,從而使各個生產要素之間能夠實現互聯互通,為建立薄板中心數字化孿生系統奠定堅實基礎。

1.2 薄板中心虛擬產線系統

薄板中心虛擬產線系統是對物理產線的全面映射,其中包含對物理產線的靜態映射以及物理產線生產過程中的動態映射。靜態映射基于系統模型庫,完成薄板中心物理車間各生產要素的模型配置,保障虛擬產線與物理產線之間物理幾何屬性基本一致,實現物理產線的可視化。動態映射則是將通過設備物聯采集到的各項生產運行數據賦予到虛擬產線系統中的各項生產要素模型中,結合生產要素模型中的流程參數、工藝參數等,共同驅動物理產線的生產事件在虛擬產線系統中的映射。

1.3 生產管理信息系統

生產管理信息系統是薄板中心各項管理系統、數據采集系統的集合,包含但不限于設備物聯系統,制造執行系統(MES),公司信息化平臺TIME系統的工時管理模塊等。它主要面向薄板中心的生產制造流程提供計劃編排、計劃優化、工單下發、工時管理等服務,同時其還需將采集到的各項多源異構的生產運行數據進行數據清洗、數據分析、數據存儲等操作,最終將數據歸集于數據孿生系統中。在產線實際生產運行過程中,生產管理信息系統作為紐帶,將物理產線系統與虛擬產線系統串聯在一起,實現生產運行過程的同步。

1.4 孿生數據系統

孿生數據系統是數字孿生系統的數據大腦,提供集成共享的數據平臺,系統內囊括物理產線系統的實時生產運行數據、虛擬產線系統的各生產要素模型數據、生產管理信息系統的計劃排程數據和生產計劃優化數據等,為物理產線系統、虛擬產線系統、生產管理信息系統提供三者之間兩兩交互的驅動服務,突破各系統間數據孤島,達到孿生數據互聯互通的最終要求[2]。

2 系統設計

薄板中心數字孿生系統通過傳感器、PLC等從物理產線系統的設備中感知數據、獲取數據,工業大數據經過網關和邊緣計算機進行數據清洗和邊緣計算,將符合產線管理需求的數據存儲至系統數據庫中。而由3D引擎構建的虛擬產線系統融合孿生數據平臺的各項生產運行數據、各項生產要素模型數據、各項生產管理數據等,于數據層面形成閉環,最終通過分析與預測實現智造控制與決策,保障決策的實時持續優化。系統設計架構見圖1。

圖1 系統設計架構

整個孿生實體囊括4個實體層級:數據采集與控制實體、核心實體、用戶實體、跨域實體。其中數據采集與控制實體主要采用數據感知、數據邊緣計算等手段,采集薄板中心各項設備物理層面的上行數據,執行下行的設備控制指令;核心實體以通用配套技術為依托,通過采用自定義目標庫搭建結構分層仿真模型,實現模型與數據的構建與集成,是生成數字孿體、擴大應用的主要載體;用戶實體以用戶需求為導向,主要集中于視覺技術與虛擬現實技術兩方面,開發符合用戶實際需求和審美的虛擬產線系統和各項針對生產運營的可視化看板,承擔人機交互的職能;跨域實體負責數據于不同系統之間的流動,保護各個層級之間的數據安全,保障數字孿生系統不受外部病毒侵害,提高系統的自診斷能力。

3 系統功能

基于薄板中心數字孿生所需的主要業務進行規劃建設,系統的主要功能包含但不限于以下功能。

3.1 模擬設計

薄板中心數字孿生系統具備3D編輯器內核,能夠對設備模型進行機理運行、生產流程等進行設計與編輯,其支持對設備多種物理屬性進行模擬,涉及到的物理屬性包含彈性體、流體、剛體等,同時也支持對各種物理場進行模擬,包含力場、風場、磁場等。薄板中心數字孿生系統的模擬設計功能將生產線上各個生產基本要素以及產線環境進行模擬,為管理者提供高質量的薄板中心三維空間展示。通過產線模擬設計,管理者可以真切感受到產線的設備布置效果,對產線的整體布局、設備之間的干涉、產品的工藝流向認知更為清晰[3]。同時也可以對后續各車間的建造改造工作提供模型指導,為未來車間數字化規劃布局給與技術層面的保障。

3.2 模擬驗證

薄板中心數字孿生系統通過云化部署,于網頁端進行低代碼可視化腳本在線編輯,使用自定義目標庫創建結構層次化仿真模型,構建車間虛擬制造模擬環境。以采集到的產線設備生產運行數據驅動數字孿生系統中的生產進程變化,對薄板中心的資源利用率、產能和效率、物流和工序鏈進行模擬驗證,驗證薄板中心各產線的指標參數。

3.3 測試分析優化

薄板中心數字孿生系統通過使用試驗管理器,預定義車間生產資源、訂單目錄、工位計劃、控制規則,結合采集的各項設備生產運行數據,對生產線上各設備工作負荷、設備故障、空閑與維修時間等參數進行動態分析,從而評估不同的生產控制策略,根據預定產量對生產控制策略進行仿真優化,平衡產品生產過程,緩解生產瓶頸,實現薄板中心主生產線與從生產線的優化同步。

3.4 數據連接

數據連接是打通物理產線系統與虛擬產線系統的鏈路,也是數字孿生系統本身的重要功能之一。[4]薄板中心數字孿生系統,可以與Modbus-RTU、Modbus-TCP、OPC UA等不同種類的工業通訊協議形成連接,覆蓋車間內支持工業通訊的生產設備,實現與設備快速連接響應。同時,數字孿生系統可為生產制造執行系統、倉儲物流系統、公司信息化平臺TIME系統等提供API數據接口,打通數據孤島,實現數據的平臺化共享。此外,數字孿生系統還可提供AR、VR接口,能夠進一步提升用戶的擬真體驗感。

3.5 數據運營可視化

數據運營可視化是數據潛在價值的體現,充分挖掘薄板中心各項生產運行數據,對其進行深度分析,以可視化的手段輔助管理者進行薄板中心的生產運營決策。可視化的內容包含系統中的虛擬產線以及各類分析報表,虛擬產線呈現數字孿生工廠的三維場景以及產線設備的實時生產狀態,各項分析報表通過調用集成開放的孿生數據平臺的數據生成。報表有以下展示功能:生產計劃執行一覽、各產線在制零部件統計、設備運行狀態統計信息、在制品質量統計等。

4 應用場景

4.1 設備故障預測與健康管理

基于數字孿生技術驅動的設備故障預測和健康管理服務是數字孿生技術典型的應用場景之一,其通過物理產線系統中的物理設備以及虛擬產線系統中的虛擬設備的靜態映射與動態映射形成設備運行狀態管理模型,能夠針對設備具體故障進行迅速響應精準定位故障原因,并提供設備故障維護和健康管理的合理化建議。物理產線系統中的物理設備與由孿生數據驅動的虛擬產線系統中的虛擬設備同步映射、實時交互,通過諸如深度學習、機器學習的新一代算法生成設備狀態評價、設備故障預測、設備維保策略等方案,以數據算法支持設備機理模型的搭建,旨在通過設備機理模型指導設備生產運行數據的采集與分析,最終形成完整的規則模型用以輔助設備建模[5]。設備故障預測與健康管理流程見圖2。

圖2 設備故障預測與健康管理流程

某大型復雜產品制造企業在云環境下配置的設備故障預測與健康管理平臺見圖3,該平臺基于數字孿生技術,能夠讓生產運營方實現對車間各項設備的運行參數實時在線監控、歷史故障追溯、實時視頻監控、故障預測等功能[6]。

圖3 云服務設備故障預測與健康管理平臺

某大型復雜產品的制造服務管理系統組成見圖4,其由產品服務管理子系統以及產品狀態監測與故障預測診斷子系統構成,其中產品狀態檢測與故障預測診斷子系統通過遠程實時采集產品在制過程中的各項運行數據,進行產品遠程狀態監控,實現產品的遠程故障診斷[7]。

圖4 服務BOM管理及產品遠程監控與故障診斷子系統部分頁面

4.2 生產計劃排產調度

車間生產的排產調度一直是車間生產管理的關鍵和難點,目前各種柔性作業生產計劃排產調度模式并沒有考慮到設備的實時生產狀態以及其他的干擾因素,缺乏實際數據生產的支持,無法實現物理空間和虛擬空間的深度融合。基于數字孿生技術,搭建云邊協同數據處理框架,見圖5,可以實現對設備運行狀態、備品備件剩余使用壽命和設備健康管理的預測評估,能夠提高生產計劃排產調度的精準度和抗擾動性。同時其支持于虛擬產線系統中驗證調度策略,保障排產調度工作的有效性。

圖5 云邊協同數據處理框架

某大型復雜產品基于數字孿生技術的排產系統,通過甘特圖的形式展現產線上各工位的排產情況,支持生產計劃的正推式和倒推式排程,可實現產品在車間生產過程中的動態調度。

5 結論

薄板中心數字孿生系統技術方案以對薄板中心物理產線系統、虛擬產線系統、生產管理信息系統和孿生數據系統為整體框架,通過傳感器、PLC等渠道手機物理產線系統的設備中感知、收集數據,大數據庫經過網關和邊緣計算機進行數據清洗和邊緣計算,將符合產線管理需求的數據存儲至系統數據庫中,擬為薄板中心產線運行狀態和生產信息的動態監控提供了穩定的數據底座。通過將產線設備實時生產運行數據、生產要素模型數據、生產管理數據等進行集成應用和展示,為生產運營策略提供在線評估和輔助決策。今后考慮針對數字孿生系統中涉及的各項數據持續進行深入挖掘和分析研究,以期創造更為豐富的數據價值,使薄板車間生產運營更可靠、更高效、更智能。