【产品介绍】数字孪生智能工厂

 

 

01 引言

 

随着5G、大数据、人工智能等信息技术与智能制造行业的融合和落地应用，美、德、中、日等国相继提出了国家级层面的智能制造发展战略，有代表性的如“美国工业互联网”、“德国工业4.0”、“中国制造2025”。虽然各国先进制造技术发展战略提出的背景不同，但其一个关键共性目的是实现智能车间的物理世界和信息世界的关联、互通和智能化水平，数字孪生发挥着连接智能车间的物理世界和信息世界之间的桥梁作用，从物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据、连接五个维度应用于工业领域，成为国内外产学研各界关注的一个热点。尽管数字孪生智能车间尚处于发展初期，但前途无疑是光明的。

 

02 数字孪生智能车间的体系架构

 

针对实际车间管理人员受限于合理及定制化的技术和工具的及时支撑，被迫采用传统管理方式，管理效率低；企业管理层缺乏全面、全量、统一的决策支撑技术和工具，大部分解决方案不成熟、难落地，精准决策难等问题，设计了基于数字孪生智能车间的体系架构。

 

图1 基于数字孪生的智能车间体系架构

 

如图1所示，基于数字孪生的智能车间是由物理车间、虚拟车间、车间服务、车间孪生数据等几个部分组成。

 

03 数字孪生车间的技术应用

 

数字孪生车间是集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的车间仿真过程，在某企业里主要应用以下三种核心技术。

1）三维建模仿真技术：

（1）集成物理建模工具，实现基于三维扫描建模工具的自动化几何建模，实现数字孪生模型构建效率。

（2）集成虚拟现实和可视化技术提供全新人机交互模式下的车间虚实反馈，图2所示。

 

图2 塔力科技数字孪生车间

 

2）数据传感交互技术：

（1）应用基于Iot物联网芯片的传感控制技术。

（2）提供基于数字线程技术的智能传感、多传感器融合、分布式控制和便于技术等服务。

3）数据治理技术：

（1）基于传统业务数据集成技术和产品数据集成技术结合数字孪生管理壳技术提供数据治理服务。

（2）提供基于数据孪生基础管理环境下的标识解析、数据管理、模型管理等应用。

 

04 基于数字孪生的智能车间管控平台

 

基于智能车间管控平台应用建设，提出了实时汇数据、智能找问题、精准做决策的生产管控设计理念。

 

图3 生产管控设计理念

 

其理念如图3所示，首先，通过设备状态、工厂级别设备集群数字孪生模型等将数据实时汇聚起来，实现虚实交汇反馈；然后聚焦车间问题，明晰解决机制，发现问题→分析原因→快速决策。然后，基于历史数据、产品状态信息与数字孪生模型等，利用人工智能算法完成查找问题方案，实现数据融合分析；进而发掘车间潜能，实现优化迭代，找到优化方向→逐步提升效果。最后，利用加工设备、大数据与数字孪生结合决策支撑模型，对管控平台精准决策，并对决策迭代持续优化。

 

05 管控平台功能特点

 

1)实时汇数据

实时汇数据在管控平台主要分为数据的采集和展示，如图4所示。

 

图4 实时汇数据

 

采集：产线设备数据、模型数据、生产进度数据、质量数据、物流数据、NC程序等通过自动化采集、条码扫码采集、终端输入采集等方式实时传输到数据中心。

展示：指标数据和相关信息节点数据实时汇总通过处理分析进行可视化展示，实现包括看板、视频、三维仿真等方式的车间状况实时监控。

2)智能找问题

智能找问题在管控平台主要分为显性问题发现和隐性问题挖掘。显性问题发现可通过生产过程清晰的状态感知，包括：车间生产过程中的设备工况、生产节拍、过程实况、物料信息、人员操作、能耗变化、产品质量和安全环境等状态的实时感知。隐性问题挖掘基于三维仿真模拟，主要基于数字孪生的智能车间通过应用大数据及生产系统模型，建立的多级指标连接响应机制可以及时模拟生产情况，借助虚实对照，实现流程差异反馈和历史环节追溯。如图5所示。

 

图5 智能找问题

 

实时在线异常报警

车间生产过程中设备、系统、资源等Error及Warning级异常警报，使用红色及橙色醒目标识在三维场景中闪烁，并伴有语音提醒。点击异常位置的标识，弹出异常信息卡片展示异常描述，并有一键查询关联信息功能，为用户提供客观的异常相关信息，快速定位可能造成异常的原因。可应用于加工设备实时数据和产线状态监控，以及业务管理监控。

 

图6 实时在线异常报警

 

3)精准做决策

目的：精准做决策，保障数据信息的全面性、时效性、对称性、可视化。

思路：智能管控平台大屏可视化的本质是将数据信息呈现从“简单再现原始数据”变成“支持决策性、模型化再现数据集关系”。

做法：基于客户业务模型和产品价值开展协调整合工作，实现用户业务场景实时整屏显示，支持屏内用户业务需求与逻辑集中呈现，支撑服务于业务、决策的信息关联展示。

 

图7、8数据支撑决策

 

结语

为顺应国家智能制造和工业互联网发展趋势，本文以塔力科技以企业数字孪生智能车间管控平台为背景，实践了基于数字孪生智能车间的体系架构和管控平台应用建设，从实时汇数据、智能找问题、精准做决策三个方面实现数字孪生的多个场景。随着塔力科技将物联网、人工智能、大数据等更多新技术与数字孪生结合应用，将会更加提高数字孪生在智能车间的管控和应用水平。