卷煙廠卷包車(chē)間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建與數(shù)字孿生應(yīng)用探究

摘要：針對(duì)大中型卷煙工廠卷包車(chē)間高度自動(dòng)化、離散化的生產(chǎn)特性，設(shè)計(jì)并研究了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的云平臺(tái)與數(shù)字孿生應(yīng)用。通過(guò)全面數(shù)據(jù)采集、邊緣即采即算、云化數(shù)字孿生模型的構(gòu)建與場(chǎng)景化數(shù)據(jù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車(chē)間生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備管理的智能化管控，有效解決了生產(chǎn)過(guò)程不透明、異常處置響應(yīng)慢、資源分配不合理等問(wèn)題，顯著提升了車(chē)間的智能化水平與運(yùn)營(yíng)效率。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"卷包車(chē)間"數(shù)字孿生"邊緣計(jì)算"數(shù)據(jù)采集

Research"on"the"Construction"of"Industrial"Internet"Cloud"Platform"and"Digital"Twin"Application"in"Cigarette"Factory

LI"Pengfei"XIANG"Xuan"REN"Chao"QIAN"Xuelian"LI"Zheyu

Hongyun"Honghe"（Group）"Co.，"Ltd."Honghe"Cigarette"Factory，"Mile，"Yun’nan"Province，"652399"China

Abstract："In"view"of"the"highly"automated"and"discretized"production"characteristics"of"the"rolling"and"packaging"workshops"in"large"and"medium-sized"cigarette"factories，"a"cloud"platform"and"digital"twin"applications"based"on"the"Industrial"Internet"architecture"has"been"designed"and"researched."Through"comprehensive"data"acquisition，"edge"computing，"cloud-based"digital"twin"model"construction，"and"scenario-based"data"application，"intelligent"control"of"workshop"production"operations"and"equipment"management"have"been"achieved."This"effectively"addresses"issues"such"as"production"process"opacity，"slow"response"to"abnormalities，"and"unreasonable"resource"allocation."It"significantly"enhances"the"workshop's"intelligence"level"and"operational"efficiency.

Key"Words："Industrial"Internet;"Rolling"and"packaging"workshop;"Digital"twin;"Edge"computing;"Data"acquisition

當(dāng)前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，通過(guò)對(duì)人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，構(gòu)建全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈全面連接的新型生產(chǎn)制造和服務(wù)體系，是實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵力量。

本研究構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)體系的卷包車(chē)間數(shù)字孿生云平臺(tái)。將OT與IT融合，在底層，充分利用嵌入式平臺(tái)，以邊緣計(jì)算形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式智能平臺(tái)；在上層，通過(guò)平臺(tái)化的應(yīng)用-微服務(wù)設(shè)計(jì)，保證整個(gè)系統(tǒng)的高兼容性。通過(guò)邊-云結(jié)合，交互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。

1"卷包車(chē)間數(shù)字孿生云平臺(tái)應(yīng)用范圍

主要面向大中型卷煙加工制造工廠，應(yīng)用場(chǎng)景圍繞卷包車(chē)間展開(kāi)，生產(chǎn)場(chǎng)景具有離散化、高度自動(dòng)化、設(shè)備緊湊化的特點(diǎn)，同時(shí)也存在如下問(wèn)題。

（1）生產(chǎn)過(guò)程不透明：設(shè)備產(chǎn)生大量的過(guò)程數(shù)據(jù)，但通常都是在單機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)中，除了現(xiàn)場(chǎng)人員以外的其他人員無(wú)法及時(shí)獲取。

（2）異常狀況響應(yīng)慢：車(chē)間設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)、質(zhì)量缺陷過(guò)多等情況無(wú)法獲取并及時(shí)推送給相關(guān)人員。

（3）資源分配不合理：由于無(wú)法確定各類(lèi)問(wèn)題的嚴(yán)重程度和復(fù)雜程度，導(dǎo)致有限的資源不能被分配到合理的事情上。

通過(guò)卷包車(chē)間數(shù)字孿生云平臺(tái)建設(shè)，支撐設(shè)備的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)展示、非實(shí)時(shí)長(zhǎng)周期大數(shù)據(jù)分析等功能，為各崗位提供智能化輔助決策。

2卷包車(chē)間數(shù)字孿生云平臺(tái)總體架構(gòu)

卷包車(chē)間數(shù)字孿生云平臺(tái)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)體系（如圖1所示），分為智能感知、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知、配置5個(gè)層次，利用分布式應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)，擴(kuò)展控制對(duì)象的種類(lèi)和數(shù)量，滿(mǎn)足車(chē)間智能制造需求。

其中，智能感知層和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換層通過(guò)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備控制器數(shù)據(jù)獲取，加裝傳感器信號(hào)的獲取與即時(shí)的流式計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)化的功能，開(kāi)發(fā)云化SCADA作為核心組件；認(rèn)知層和配置層聚焦應(yīng)用場(chǎng)景，將卷煙生產(chǎn)制造技術(shù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等資源轉(zhuǎn)化為可移植、可復(fù)用的業(yè)務(wù)需求模型，通過(guò)自適應(yīng)過(guò)程，向外部系統(tǒng)發(fā)出指令。

3"卷包車(chē)間數(shù)字孿生云平臺(tái)具體構(gòu)建內(nèi)容

3.1"硬件配置

在卷包設(shè)備上部署基于PC的嵌入式工控機(jī)，作為數(shù)據(jù)采集與邊緣計(jì)算設(shè)備，邊緣計(jì)算設(shè)備通過(guò)小型工業(yè)交換機(jī)與生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)等連接，進(jìn)行全面的狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)采集，完成設(shè)備層眾多控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為信息協(xié)議，整合底層資源.

3.2"軟件實(shí)現(xiàn)

軟件部分實(shí)現(xiàn)方式按“高內(nèi)聚、低耦合”原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)集成、數(shù)據(jù)集成、流程集成、資源共享等特性。結(jié)合微服務(wù)實(shí)現(xiàn)框架，以DevOps為指導(dǎo)方向，提高系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性、重用性、可移植性等。

4"卷包車(chē)間數(shù)字孿生功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用場(chǎng)景

4.1"生產(chǎn)過(guò)程全要素駕駛艙

生產(chǎn)過(guò)程全要素駕駛艙，圍繞車(chē)間虛擬仿真，虛擬現(xiàn)實(shí)交互，設(shè)備數(shù)據(jù)綜合可視化技術(shù)進(jìn)行建設(shè)，基于3Dunity提供的數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)間的虛實(shí)融合，能夠?qū)崟r(shí)感知生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)信息、上下游匹配異常信息、設(shè)備異常信息、換牌調(diào)度信息、生產(chǎn)過(guò)程中的保障信息等。

4.2"基于指標(biāo)趨勢(shì)與事件預(yù)警的質(zhì)量跟蹤體系

工藝優(yōu)化實(shí)時(shí)監(jiān)控模型，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。確保生產(chǎn)加工過(guò)程中工藝參數(shù)符合技術(shù)要求。

成品質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析模型。對(duì)成品質(zhì)量指標(biāo)及其統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與長(zhǎng)期跟蹤，以便于評(píng)價(jià)設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定性。

異常情況預(yù)警模型。通過(guò)對(duì)物理指標(biāo)、質(zhì)量檢驗(yàn)得分等關(guān)鍵指標(biāo)完成度的長(zhǎng)期跟蹤分析，構(gòu)建異常情況預(yù)警模型。

4.3"基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的卷煙制造全流程物料管控

在生產(chǎn)制造過(guò)程中，同時(shí)存在離散與連續(xù)生產(chǎn)混合，大批量與小批量交叉混流的情況，對(duì)物料供應(yīng)量控制、供給連續(xù)性管控要求較高，系統(tǒng)通過(guò)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)物料耗用管控及預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程物料有效管理，提高定額管理水平，從而為物料采購(gòu)、庫(kù)存管理提供支持，實(shí)現(xiàn)庫(kù)存與連續(xù)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)匹配，降低成本。

4.3基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)備運(yùn)維管理體系

以設(shè)備運(yùn)行、運(yùn)維數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，形成全要素、全流程的數(shù)字化設(shè)備運(yùn)維管理體系。

4.3.1基于設(shè)備BOM的生命周期管理

根據(jù)設(shè)備BOM對(duì)各級(jí)部套、零配件等進(jìn)行物質(zhì)壽命（自然壽命）周期預(yù)警模型配置。

4.3.2電機(jī)與傳動(dòng)件狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)關(guān)鍵電機(jī)的電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選取設(shè)備傳動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，防止設(shè)備突發(fā)的異常損壞。

4.3.3設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)與設(shè)備維護(hù)決策的支持。

5結(jié)語(yǔ)

依托卷煙工業(yè)企業(yè)的高自動(dòng)化率，從底層控制起，對(duì)卷包車(chē)間現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行重構(gòu)和整合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的信息交互接口、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一的監(jiān)控和管理，保證了過(guò)程數(shù)據(jù)的全面、準(zhǔn)確。實(shí)現(xiàn)從底層電控到上層管理有機(jī)集成，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建數(shù)采網(wǎng)、生產(chǎn)管理網(wǎng)，將車(chē)間所有設(shè)備和崗位全部納入數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)全面、深度信息集成。

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