裝封箱機數(shù)字化全生命周期管控平臺架構

摘" 要：進行裝封箱機數(shù)字化全生命周期管控平臺架構設計的主要目的是對裝封箱機進行集中管理和實時監(jiān)控，通過及時洞察機組運行狀態(tài)，快速識別和處理故障隱患，以免因故障停機造成較大的經(jīng)濟損失。相對于單機管理來說，機群管理的功能更加強大，可以完成更為復雜的生產(chǎn)任務，且通過協(xié)同調度管理能夠增強各個機組設備的配合度，使設備機組的整體性能得到穩(wěn)步提升。鑒于此，可以基于故障預測和健康管理技術構建裝封箱機數(shù)字化全生命周期管控平臺架構，以期形成一個智能化管控平臺，以適應不斷變化的生產(chǎn)業(yè)務。

關鍵詞：裝封箱機；數(shù)字化；全生命周期管控；平臺構建；協(xié)同調度管理

中圖分類號：TP277""""" 文獻標志碼：A""""""""" A文章編號：2095-2945（2025）04-0131-04

Abstract： The main purpose of designing the digital full life cycle control platform architecture of the packaging and sealing machine is to centrally manage and monitor the packaging machine in real time. By timely insight into the operation status of the unit， hidden dangers of faults can be quickly identified and dealt with to avoid significant economic losses caused by downtime due to faults. Compared with single-machine management， cluster management is more powerful and can complete more complex production tasks. Through collaborative scheduling management， the cooperation degree of each unit equipment can be enhanced， so that the overall performance of the equipment unit can be steadily improved. In view of this， a digital full life cycle control platform architecture for box sealing machines can be built based on fault prediction and health management technologies， in order to form an intelligent management and control platform to adapt to the changing production business.

Keywords： box sealing machine; digitalization; full life cycle control; platform construction; collaborative scheduling management

在各種高新技術快速發(fā)展的形勢下，工業(yè)行業(yè)的數(shù)字化轉型成為必然趨勢，目前來看，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的價值已經(jīng)逐步得到業(yè)界的廣泛認可，儼然已經(jīng)成為技術升級和轉型的重要途徑。其中，組裝封箱機群的建設為數(shù)字化開發(fā)創(chuàng)造了良好的條件，裝封箱機在物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術等的共同作用下實現(xiàn)了互聯(lián)智能化發(fā)展，變?nèi)斯べ|量控制模式為全過程智能質量分析模式，很大程度上提升了對設備故障的預測水平。因此，圍繞封裝機數(shù)字化全生命周期管控平臺架構的實現(xiàn)策略展開研究具有重要意義。

1" 基于數(shù)字孿生的管控平臺

1.1" 建立虛擬仿真模型

對YP18D設備，包括分流選道機構、下滑道及輸送機、單道縱向輸送機、下滑裝置、單道橫向輸送機、堆垛裝置、煙垛緩存、煙垛移栽機、料倉、紙箱抓取機器人、條煙裝封箱和一號工程打碼等部位設備進行1∶1等比例3D化仿真建模。

1.2" 仿真模擬

采集實時底層設備的運行信號，根據(jù)采集的實時信號，仿真模擬設備、物料輸送實時狀態(tài)。

1.3" 場景漫游

場景以虛擬現(xiàn)實為基礎，對物理系統(tǒng)進行了等比例的真三維模型映射，可360°全方位無死角查看系統(tǒng)狀態(tài)，在計算機上通過鼠標和鍵盤操作即能實現(xiàn)第一人稱、第三人稱、上帝模式等漫游查看功能。

1）系統(tǒng)支持第三人稱任意切換視角，任意方向移動。

2）支持按區(qū)域配置不同固定視角，視角任意切換。

3）支持鎖定設備，跟隨視角。

1.4" 設備狀態(tài)監(jiān)控

1）根據(jù)生產(chǎn)線的工藝平面布局和物料流向，通過形象的3D設備模型模擬顯示各主機設備和連接設備的運行狀態(tài)、當前生產(chǎn)的煙牌和批號及主要工藝參數(shù)的當前值。

2）通過簡潔、直觀的設備外觀模擬反映設備電機狀態(tài)、各檢測元件狀態(tài)、各執(zhí)行器件狀態(tài)，各物料狀態(tài)、主要設備參數(shù)和工藝參數(shù)等。

1.5" 故障處理智能輔助

當系統(tǒng)發(fā)生故障時，三維場景中的對應故障設備模型會變?yōu)榧t色提醒操作人員進行處理；與此同時，系統(tǒng)也會彈出提示消息，指示有故障產(chǎn)生。從故障消息框中，操作人員可獲取到故障設備名稱、故障點名稱、故障發(fā)生時間等信息。操作人員也可以通過故障點導航功能，快速將監(jiān)控視角定位到對應的故障設備模型。進一步查看故障設備當前狀態(tài)和故障處理建議等詳細信息。故障消除后，可實現(xiàn)一鍵化確認處理，讓系統(tǒng)恢復運行。

1.6" 關鍵設備三維拆裝

1）關鍵設備拆裝管理采用三維虛擬仿真技術，在計算機上構建近乎真實的設備拆裝過程。

2）設備智能拆裝，實現(xiàn)了按預定步驟對設備進行拆分和組裝的教學和檢測功能。

3）設備部件參數(shù)管理，對設備模型部件相關參數(shù)進行與實物相一致的維護和說明。

4）整個教學過程在三維虛擬場景中進行，可對設備及部件進行全方位查看和移動。

1.7" 模型管理

豐富的系統(tǒng)模型庫，用于存儲系統(tǒng)所涉及的設備模型、物料模型及模型相關的貼圖和材質。模型管理功能實現(xiàn)了對庫中的相關資源的增、刪、改等管理功能，便于系統(tǒng)的個性化維護和后期的拓展。

2" 生命周期管理

2.1" 專用感知設備在底層關鍵部件的應用

在現(xiàn)有的裝封箱機基礎上通過配置專用感知設備信息的傳感器，可以抓取設備關鍵部件的數(shù)據(jù)。比如，利用電池參數(shù)傳感器檢測編碼器電池的電量情況，利用CPU1500通信卡采集伺服電機輸出扭矩力矩，判斷同步帶的松弛狀態(tài)，利用電流互感器采集異步電機電樞電流參數(shù)，利用壓力傳感器采集氣路壓力參數(shù)，利用溫度傳感器采集設備潤滑油溫度，利用電渦流傳感器采集機器人夾具及模盒的振動參數(shù)等。

2.2" 數(shù)據(jù)分析及評估

通過振動、溫度、壓力、電渦流等傳感器檢測關鍵傳動件、電機、潤滑油溫等參數(shù)，對設備故障、運行、狀態(tài)信號、作業(yè)任務等完成數(shù)據(jù)采集并存入數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)，分析設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并作出狀態(tài)評估，給出設備預警、維修處理等建議；并結合所存儲的歷史數(shù)據(jù)，可以按設備類型、故障類別、時間等不同類別分析統(tǒng)計。

2.3" 智能故障診斷

通過采集的專用傳感器數(shù)據(jù)，將相關參數(shù)數(shù)值以柱狀圖動態(tài)顯示，并可以區(qū)分判斷零部件的正常、預警和故障3種狀態(tài)，分別用藍、黃和紅色柱等顏色表示在圖形框圖下以文本框的形式顯示記錄；當出現(xiàn)故障時，除了以黃色或紅色標示外，以文本框的形式顯示記錄所檢測項目發(fā)生故障的器件類型和編號，并分析得出裝封箱機故障診斷報告，“監(jiān)測示警”相應位置常亮；當實時數(shù)據(jù)顯示監(jiān)測示警時，屏幕預警界面彈出，并在“監(jiān)測示警”欄中相應位置閃爍，提醒操作者發(fā)生預警信號。

儲存設備故障代碼、故障信息、制定基本的故障原因，當設備發(fā)生故障時，可以給出智能提醒以及故障處理意見。

2.4" 點檢智能輔助

本系統(tǒng)預設智能設備維護功能，按照設定指示，提示操作工人和維修工人每日、每周及每月需要對設備的保養(yǎng)維護。

3" 基于分組加工技術智能機群調度

3.1" 系統(tǒng)架構

為實現(xiàn)數(shù)字孿生管控平臺，軟件系統(tǒng)主要分為2個部分，基本結構如圖1所示。

3.2" 數(shù)字孿生前端展示系統(tǒng)

數(shù)字孿生前端展示系統(tǒng)主要用于監(jiān)聽或者主動拉取數(shù)采中心推送或存儲的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加工接口與前端系統(tǒng)中的三維模型做數(shù)據(jù)融合，包括數(shù)據(jù)的仿真模擬、狀態(tài)展示。最終將數(shù)據(jù)通過模型直觀、生動地展示在客戶面前，讓客戶可以足不出戶即可了解現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)。

3.3" 數(shù)字孿生后端服務系統(tǒng)

數(shù)字孿生后端服務系統(tǒng)主要用于定義、管理、采集對應的設備數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照約定的關系模型存儲到數(shù)據(jù)庫或推送到已連接的前端系統(tǒng)，后端服務系統(tǒng)主要包含以下4個方面。

3.3.1" 數(shù)采中心

數(shù)采中心主要負責對接底層設備的PLC、數(shù)據(jù)庫和前端系統(tǒng)。它通過PLC通信協(xié)議，按客制化配置方案讀取PLC指定存儲數(shù)據(jù)，并將其按照約定的關系模型存儲到指定的數(shù)據(jù)庫，同時將這些數(shù)據(jù)實時推送至前端，供前端系統(tǒng)進行展示。

3.3.2" 調度中心

調度中心主要負責接收上級系統(tǒng)下達的接口數(shù)據(jù)，如換牌工單、主數(shù)據(jù)等，同時負責接收前端下達設備控制命令，如換牌、換道、設備啟用、停用等命令信息。

3.3.3" 消息中心

為方便用戶第一時間接收到重要信息，數(shù)字孿生后端服務系統(tǒng)還提供了基于Http協(xié)議的消息推送服務，當設備發(fā)生故障或者用戶完成對設備的重要操作時，有權限接收消息的用戶手機、平板設備等都會收到系統(tǒng)發(fā)出的消息提醒。

3.3.4" 配置管理

配置管理系統(tǒng)是面向管理人員的信息系統(tǒng)，因為工廠可能面臨增加設備、停用設備等使用環(huán)境，同時也需要對接上級業(yè)務系統(tǒng)如ERP物料等主數(shù)據(jù)，為方便用戶管理，需要使用單獨的信息系統(tǒng)對這些客制化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理維護。

3.4" 部署方案

部署方案如圖2所示。軟件系統(tǒng)需要數(shù)字孿生后端服務系統(tǒng)應用服務器、數(shù)據(jù)庫存儲服務器及客戶機等硬件設備，其中數(shù)字孿生后端服務系統(tǒng)應用服務器用于部署調度系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)等，由于這些系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議與前后端通信，本身并無特定的邏輯處理，所以數(shù)采系統(tǒng)可以根據(jù)設備數(shù)量及系統(tǒng)使用壓力分別部署在不同的服務器上，這些服務器可以任意擴展也意味著所對應的設備也可以任意擴展。

數(shù)據(jù)庫存儲服務器用于存儲采集到的設備數(shù)據(jù)及客制化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并不會對生產(chǎn)環(huán)境造成影響，數(shù)據(jù)可靠性要求不高，所以數(shù)據(jù)庫服務器不采用雙機熱備模式，單機存儲即可。

客戶機用于部署數(shù)字孿生前端展示系統(tǒng)及服務配置管理系統(tǒng)，主要用于人機交互。

3.5" 網(wǎng)絡拓撲

網(wǎng)絡拓補如圖3所示。

4" 質量分析管理

4.1" 在線質量檢測裝置數(shù)據(jù)分析及評估

通過終端軟件，將各封箱機條外觀、箱缺條在線檢測的數(shù)據(jù)匯總，可以在終端平臺任意查看各封箱機條外觀檢測不合格、箱缺條等故障圖片以及信息，然后匯總數(shù)據(jù)，統(tǒng)計一臺包裝機條煙產(chǎn)品或者本班次全部產(chǎn)品故障率。

4.2" 質量追溯

煙箱生產(chǎn)數(shù)據(jù)綁定：從一號工程碼、生產(chǎn)時間、品牌、包裝機機臺號、每條煙質量狀況（條外觀拍照圖片）、每垛煙稱重數(shù)據(jù)和箱缺條拍照圖片進行一對一綁定。

5" 移動終端

智能平臺上利用移動終端模塊，可以實現(xiàn)維修人員及時接收到設備故障通知、點檢通知功能。

6" 結束語

實踐證明，基于該平臺系統(tǒng)能夠對裝封箱機設備進行智能化管理，且可實現(xiàn)對接口功能與性能的進一步挖掘，使得設備不再是單一的個體，能夠進行人機交互和與其他設備的交互，打造一個智能化的生產(chǎn)機組。當生產(chǎn)工藝路線發(fā)生改變時，也可通過對設備的優(yōu)化重組滿足新的生產(chǎn)加工需求。可見，其不僅生產(chǎn)性能穩(wěn)定且支持靈活動態(tài)調整，可以滿足今后更加復雜的生產(chǎn)需求，具有良好的推廣應用前景。

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