薄板中心数字孪生系统技术方案设计

李祖发,林君

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

数字孪生是实现物理信息深度融合的重要抓手,复杂的产品设计与制造信息物理融合是其中最重要的一环,为最终的智能制造提供有效的落地方式。目前,数字孪生技术的研究和应用主要集中在车间作业和产品运营维护两个环节[1]。薄板中心是专为大型邮轮薄板分段进行平面分段全流程、专业化生产而量身打造的独立单体项目,配置了多条先进的生产线,如预处理线、部件线、T-Beam线、型钢线、板架线、分段线等。该项目是我国船舶制造中首个实现激光焊接、机器人焊接等国际先进技术的工程化应用的车间,也是我国造船业首条薄板加工生产线,技术先进、智能高端。通过数字孪生技术为薄板中心赋能,将薄板中心产线的实际生产状况采用数字孪生生产线的模型、数据、图形等进行动态展示,实现对薄板中心产线运行状态和生产信息的动态监控,是薄板中心未来研究智能制造的重点。

1 系统构成

薄板中心数字孪生系统主要由4个系统构成。

DTS={PS,VS,IS,DS}

式中:DTS为薄板中心数字孪生系统;PS为薄板中心物理产线系统;VS为薄板中心虚拟产线系统;IS为生产管理信息系统;DS为孪生数据系统。

1.1 薄板中心物理产线系统

薄板中心物理产线系统是薄板中心具有实际生产能力的真实产线,其中主要包括薄板中心中的物理生产设备、物料等实体生产要素,主要是负责完成物理世界中薄板中心的生产任务。薄板中心物理产线系统由预处理线、板材切割线、型材切割线、片段生产线、分段生产线以及部件制作线组成。产线中的大部分设备具备生产过程数据的感知和传输能力,通过传感器、OPC-UA协议、Modbus协议等采集设备制造执行过程中的静态数据与动态生产数据,将由边缘计算机清洗过后的有用数据通过工业互联网上传至孪生数据系统,供其他业务系统调用与分析,从而使各个生产要素之间能够实现互联互通,为建立薄板中心数字化孪生系统奠定坚实基础。

1.2 薄板中心虚拟产线系统

薄板中心虚拟产线系统是对物理产线的全面映射,其中包含对物理产线的静态映射以及物理产线生产过程中的动态映射。静态映射基于系统模型库,完成薄板中心物理车间各生产要素的模型配置,保障虚拟产线与物理产线之间物理几何属性基本一致,实现物理产线的可视化。动态映射则是将通过设备物联采集到的各项生产运行数据赋予到虚拟产线系统中的各项生产要素模型中,结合生产要素模型中的流程参数、工艺参数等,共同驱动物理产线的生产事件在虚拟产线系统中的映射。

1.3 生产管理信息系统

生产管理信息系统是薄板中心各项管理系统、数据采集系统的集合,包含但不限于设备物联系统,制造执行系统(MES),公司信息化平台TIME系统的工时管理模块等。它主要面向薄板中心的生产制造流程提供计划编排、计划优化、工单下发、工时管理等服务,同时其还需将采集到的各项多源异构的生产运行数据进行数据清洗、数据分析、数据存储等操作,最终将数据归集于数据孪生系统中。在产线实际生产运行过程中,生产管理信息系统作为纽带,将物理产线系统与虚拟产线系统串联在一起,实现生产运行过程的同步。

1.4 孪生数据系统

孪生数据系统是数字孪生系统的数据大脑,提供集成共享的数据平台,系统内囊括物理产线系统的实时生产运行数据、虚拟产线系统的各生产要素模型数据、生产管理信息系统的计划排程数据和生产计划优化数据等,为物理产线系统、虚拟产线系统、生产管理信息系统提供三者之间两两交互的驱动服务,突破各系统间数据孤岛,达到孪生数据互联互通的最终要求[2]。

2 系统设计

薄板中心数字孪生系统通过传感器、PLC等从物理产线系统的设备中感知数据、获取数据,工业大数据经过网关和边缘计算机进行数据清洗和边缘计算,将符合产线管理需求的数据存储至系统数据库中。而由3D引擎构建的虚拟产线系统融合孪生数据平台的各项生产运行数据、各项生产要素模型数据、各项生产管理数据等,于数据层面形成闭环,最终通过分析与预测实现智造控制与决策,保障决策的实时持续优化。系统设计架构见图1。

图1 系统设计架构

整个孪生实体囊括4个实体层级:数据采集与控制实体、核心实体、用户实体、跨域实体。其中数据采集与控制实体主要采用数据感知、数据边缘计算等手段,采集薄板中心各项设备物理层面的上行数据,执行下行的设备控制指令;核心实体以通用配套技术为依托,通过采用自定义目标库搭建结构分层仿真模型,实现模型与数据的构建与集成,是生成数字孪体、扩大应用的主要载体;用户实体以用户需求为导向,主要集中于视觉技术与虚拟现实技术两方面,开发符合用户实际需求和审美的虚拟产线系统和各项针对生产运营的可视化看板,承担人机交互的职能;跨域实体负责数据于不同系统之间的流动,保护各个层级之间的数据安全,保障数字孪生系统不受外部病毒侵害,提高系统的自诊断能力。

3 系统功能

基于薄板中心数字孪生所需的主要业务进行规划建设,系统的主要功能包含但不限于以下功能。

3.1 模拟设计

薄板中心数字孪生系统具备3D编辑器内核,能够对设备模型进行机理运行、生产流程等进行设计与编辑,其支持对设备多种物理属性进行模拟,涉及到的物理属性包含弹性体、流体、刚体等,同时也支持对各种物理场进行模拟,包含力场、风场、磁场等。薄板中心数字孪生系统的模拟设计功能将生产线上各个生产基本要素以及产线环境进行模拟,为管理者提供高质量的薄板中心三维空间展示。通过产线模拟设计,管理者可以真切感受到产线的设备布置效果,对产线的整体布局、设备之间的干涉、产品的工艺流向认知更为清晰[3]。同时也可以对后续各车间的建造改造工作提供模型指导,为未来车间数字化规划布局给与技术层面的保障。

3.2 模拟验证

薄板中心数字孪生系统通过云化部署,于网页端进行低代码可视化脚本在线编辑,使用自定义目标库创建结构层次化仿真模型,构建车间虚拟制造模拟环境。以采集到的产线设备生产运行数据驱动数字孪生系统中的生产进程变化,对薄板中心的资源利用率、产能和效率、物流和工序链进行模拟验证,验证薄板中心各产线的指标参数。

3.3 测试分析优化

薄板中心数字孪生系统通过使用试验管理器,预定义车间生产资源、订单目录、工位计划、控制规则,结合采集的各项设备生产运行数据,对生产线上各设备工作负荷、设备故障、空闲与维修时间等参数进行动态分析,从而评估不同的生产控制策略,根据预定产量对生产控制策略进行仿真优化,平衡产品生产过程,缓解生产瓶颈,实现薄板中心主生产线与从生产线的优化同步。

3.4 数据连接

数据连接是打通物理产线系统与虚拟产线系统的链路,也是数字孪生系统本身的重要功能之一。[4]薄板中心数字孪生系统,可以与Modbus-RTU、Modbus-TCP、OPC UA等不同种类的工业通讯协议形成连接,覆盖车间内支持工业通讯的生产设备,实现与设备快速连接响应。同时,数字孪生系统可为生产制造执行系统、仓储物流系统、公司信息化平台TIME系统等提供API数据接口,打通数据孤岛,实现数据的平台化共享。此外,数字孪生系统还可提供AR、VR接口,能够进一步提升用户的拟真体验感。

3.5 数据运营可视化

数据运营可视化是数据潜在价值的体现,充分挖掘薄板中心各项生产运行数据,对其进行深度分析,以可视化的手段辅助管理者进行薄板中心的生产运营决策。可视化的内容包含系统中的虚拟产线以及各类分析报表,虚拟产线呈现数字孪生工厂的三维场景以及产线设备的实时生产状态,各项分析报表通过调用集成开放的孪生数据平台的数据生成。报表有以下展示功能:生产计划执行一览、各产线在制零部件统计、设备运行状态统计信息、在制品质量统计等。

4 应用场景

4.1 设备故障预测与健康管理

基于数字孪生技术驱动的设备故障预测和健康管理服务是数字孪生技术典型的应用场景之一,其通过物理产线系统中的物理设备以及虚拟产线系统中的虚拟设备的静态映射与动态映射形成设备运行状态管理模型,能够针对设备具体故障进行迅速响应精准定位故障原因,并提供设备故障维护和健康管理的合理化建议。物理产线系统中的物理设备与由孪生数据驱动的虚拟产线系统中的虚拟设备同步映射、实时交互,通过诸如深度学习、机器学习的新一代算法生成设备状态评价、设备故障预测、设备维保策略等方案,以数据算法支持设备机理模型的搭建,旨在通过设备机理模型指导设备生产运行数据的采集与分析,最终形成完整的规则模型用以辅助设备建模[5]。设备故障预测与健康管理流程见图2。

图2 设备故障预测与健康管理流程

某大型复杂产品制造企业在云环境下配置的设备故障预测与健康管理平台见图3,该平台基于数字孪生技术,能够让生产运营方实现对车间各项设备的运行参数实时在线监控、历史故障追溯、实时视频监控、故障预测等功能[6]。

图3 云服务设备故障预测与健康管理平台

某大型复杂产品的制造服务管理系统组成见图4,其由产品服务管理子系统以及产品状态监测与故障预测诊断子系统构成,其中产品状态检测与故障预测诊断子系统通过远程实时采集产品在制过程中的各项运行数据,进行产品远程状态监控,实现产品的远程故障诊断[7]。

图4 服务BOM管理及产品远程监控与故障诊断子系统部分页面

4.2 生产计划排产调度

车间生产的排产调度一直是车间生产管理的关键和难点,目前各种柔性作业生产计划排产调度模式并没有考虑到设备的实时生产状态以及其他的干扰因素,缺乏实际数据生产的支持,无法实现物理空间和虚拟空间的深度融合。基于数字孪生技术,搭建云边协同数据处理框架,见图5,可以实现对设备运行状态、备品备件剩余使用寿命和设备健康管理的预测评估,能够提高生产计划排产调度的精准度和抗扰动性。同时其支持于虚拟产线系统中验证调度策略,保障排产调度工作的有效性。

图5 云边协同数据处理框架

某大型复杂产品基于数字孪生技术的排产系统,通过甘特图的形式展现产线上各工位的排产情况,支持生产计划的正推式和倒推式排程,可实现产品在车间生产过程中的动态调度。

5 结论

薄板中心数字孪生系统技术方案以对薄板中心物理产线系统、虚拟产线系统、生产管理信息系统和孪生数据系统为整体框架,通过传感器、PLC等渠道手机物理产线系统的设备中感知、收集数据,大数据库经过网关和边缘计算机进行数据清洗和边缘计算,将符合产线管理需求的数据存储至系统数据库中,拟为薄板中心产线运行状态和生产信息的动态监控提供了稳定的数据底座。通过将产线设备实时生产运行数据、生产要素模型数据、生产管理数据等进行集成应用和展示,为生产运营策略提供在线评估和辅助决策。今后考虑针对数字孪生系统中涉及的各项数据持续进行深入挖掘和分析研究,以期创造更为丰富的数据价值,使薄板车间生产运营更可靠、更高效、更智能。