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基于数字孪生的智能车间管控

宣布时候:2021-10-29     来历:物流文视界

跟着5G、大数据、野生智能等信息手艺与智能制作行业的融会和落地操纵,美、德、中、日等国接踵提出了国度级层面的智能制作成长计谋,有代表性的如美国产业互联网德国产业4.0”中国制作2025”。固然列国进步前辈制作手艺成长计谋提出的背景差别,但其一个关头个性方针是完成智能车间的物理天下和信息天下的接洽干系、互通和智能化程度,数字孪生阐扬着毗连智能车间的物理天下和信息天下之间的桥梁感化,成为国际外产学研各界存眷的一个热门。

1 数字孪生车间的体系架构

针对实际车间办理职员受限于公道及定制化的手艺和工具的及时撑持,自愿接纳传统办理体例,办理效力低;企业办理层缺少周全、全量、同一的决议打算撑持手艺和工具,大局部处置打算不成熟、难落地,精准决议打算难等题目,设想了基于数字孪生智能车间的体系架构。


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、假造车间、车间办事、车间孪生数据等几个局部构成。物理车间是车间现有物理实体的调集,涵盖人、工场、产线、装备、传感器、边缘计较装备等;假造车间是物理车间在信息空间上的显现,涵盖直观展现管控平台、视频、三维、ERPMES等车间的运转状况;车间办事首要完胜利效办事和基于PaaS层的营业办事;功效办事包含感知节制、数据处置、模子构建、机理模子4局部,将其表现为:


此中FSFunctional Services)为功效办事;PCPerceptual Control)为感知节制;DPData Processing)为数据处置;MBModel Building)为模子构建;MMMechanism Model)为机理模子。i为第i个感知节制模块;m为感知节制模块总数;j为第j个数据处置模块;n为数据处置模块总数;k为第k个模子构建模块;o为模子构建模块总数;l为第l个机理模子模块;p为机理模子模块总数。

车间孪生数据既包含基于MPPGreenplum、专为物联网优化设想的Tdengine、处置图干系的Neo4j等多种干系型和非干系型数据库,又包含存储仿真、监控、工艺、环境等营业的及时数据和汗青数据,还包含如设想BOM、进程等出产管控数据。

2 数字孪生车间的手艺操纵

数字孪生车间是集成多学科、多物理量、多标准、多几率的车间仿真进程,在某企业里首要操纵以下三种焦点手艺。1)三维建仿照真手艺:(1)集成物理建模工具,完成基于三维扫描建模工具的主动化多少建模,完成数字孪生模子构建效力。(2)集成假造实际和可视化手艺供给全新人机交互形式下的车间真假反应,图2所示。


2 三维仿真建模手艺

2)数据传感交互手艺:(1)操纵基于华为芯片的传感节制手艺。(2)供给基于数字线程手艺的智能传感、多传感器融会、散布式节制和便于手艺等办事。见图3所示。


3 数据传感交互手艺

3)数据办理手艺:(1)基于传统营业数据集成手艺和产物数据集成手艺连系数字孪生办理壳手艺供给数据办理办事。(2)供给基于数据孪生根本办理环境下的标识剖析、数据办理、模子办理等操纵。如图4所示。


4 数据办理手艺

3 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操纵扶植,提出了及时汇数据、智能找题目、精准做决议打算的出产管控设想理念。


5 出产管控设想理念

其理念如图5所示,起首,经由进程装备状况、工场级别装备集群数字孪生模子等将数据及时会聚起来,完成真假交汇反应;而后聚焦车间题目,了了处置机制,发明题目阐发缘由疾速决议打算。而后,基于汗青数据、产物状况信息与数字孪生模子等,操纵野生智能算法完成查找题目打算,完成数据融会阐发;进而发掘车间潜能,完成优化迭代,找到优化标的目标慢慢晋升结果。最初,操纵加工装备、大数据与数字孪生连系决议打算撑持模子,对管控平台精准决议打算,并对决议打算迭代延续优化。

4 管控平台功效特色

4.1及时汇数据

及时汇数据在管控平台首要分为数据的收罗和展现,如图6所示。


6 及时汇数据

收罗:产线装备数据、模子数据、出产进度数据、品质数据、物流数据、NC法式等经由进程主动化收罗、条码扫码收罗、终端输入收罗等体例及时传输到数据中间。

展现:方针数据和相干信息节点数据及时汇总经由进程处置阐发停止可视化展现,完成包含看板、视频、三维仿真等体例的车间状况及时监控。

首要操纵在:

1)关头方针汇数据,多种别多层级会聚车间全因素/全营业/全流程物理与信息融会数据,成立以效力、品质、危险为首要维度的方针体系。

2)数据展现多端多维度可经由进程PC电脑、挪动端,检查营业看板、数字化假造仿真车间、视频监控等信息。

3)真假交互反应,三维场景联动在车间孪生数据的驱动下,完成产物全加工进程的及时监控、进程优化和长途节制。

4.2智能找题目

智能找题目在管控平台首要分为显性题目发明和隐性题目发掘。显性题目发明可经由进程出产进程清楚的状况感知,包含:车间出产进程中的装备工况、出产节奏、进程实况、物料信息、职员操纵、能耗变更、产物品质和宁静环境等状况的及时感知。隐性题目发掘基于三维仿真摹拟,首要基于数字孪生的智能车间经由进程操纵大数据及出产体系模子,成立的多级方针毗连呼应机制能够及时摹拟出产环境,借助真假对比,完成流程差别反应和汗青关键追溯。如图7所示。


7 智能找题目

智能找题目,首要操纵在以下几个方面。

1)经由进程KPI看板监控营业办理题目

1)效力看板

经由进程装备开机率、有用操纵率、资本调剂效力、职员绩效阐发、非常处置呼应效力综合展现车间出产效力题目和定单履行进度,赞助办理层睁开短时候调剂和持久优化任务,监控营业办理如图8所示。


8 效力看板

2)品质看板

聚焦工件品质题目信息,及时把控工件品质趋向数据,奠基品质优化根本,并且以名目为单元睁开托付产物品质管控任务,监控营业办理。

3)危险看板

经由进程辨认非常信息连系汗青数据阐发辨认以后名目危险,撑持定位到详细的危险预示方针,如名目品质危险、名目本钱危险、名目进度危险,监控营业办理。

2)及时在线非常报警

车间出产进程中装备、体系、资本等ErrorWarning级非常警报,操纵白色及橙色醒方针识在三维场景中闪灼,并伴有语音提示。点击非常地位的标识,弹出非常信息卡片展现非常描写,并有一键查问接洽干系信息功效,为用户供给客观的非常相干信息,疾速定位能够形成非常的缘由。可操纵于加工装备及时数据和产线状况监控,和营业办理监控。

3)真假交互发明题目

面临出产进程切确建模,并对相干布局部件停止精简优化,赞助发明题目标同时经由进程真假交互处置题目,可操纵装备/产线/车间建模、精简布局部件、归并优化场景数,监控营业办理。

4)经由进程汗青回溯数据找题目

当显现装备警报非常时,能够经由进程仿真加工汗青回溯功效摹拟曩昔一段时候内的机床运转状况,连系那时的加工数据停止展现。同时也撑持挪用机床汗青摄像回放。基于汗青回溯数据找题目标方式在车间加工数据回溯、产线运转仿真回溯、加工装备状况回溯取得了杰出的结果,监控营业办理如图9所示。


9 经由进程汗青回溯数据找题目

4.3精准做决议打算

精准做决议打算在智能车间管控平台的运转阐发和决议打算方式如图10所示。


10 基于数字孪生的智能车间运转阐发与决议打算方式体系

方针:精准做决议打算,保证数据信息的周全性、时效性、对称性、可视化。

思绪:智能管控平台大屏可视化的实质是将数据信息显现从“简略再现原始数据”变成“撑持决议打算性、模子化再现数据集干系”。

做法:基于客户营业模子和产物代价睁开调和剂合任务,完成用户营业场景及时整屏显现,撑持屏内用户营业须要与逻辑集合显现,撑持办事于营业、决议打算的信息接洽干系展现。

精准做决议打算首要操纵于经由进程信息节点数据和三维模子晋升名目管控才能。

1)经由进程信息节点数据晋升名目管控,完成定单出产进度的及时追溯;完成出产打算相干数据检查,如物料、刀具、工装须要打算等信息卡片,如图12所示。

2)经由进程三维模子晋升名目管控,完成出产进程三维模子的实在摹拟加工活动,物料的输送都与实在场景完成11复原;出产制作定单的每一个工件都可完成制作记实追溯,如图11所示。


11 经由进程信息节点数据晋升名目管控

5 一种典范操纵

上面以企业刀具关键基于数字孪生智能车间操纵为案例,睁开数字孪生手艺在智能车间管控平台的理论考证。管控平台对车间装备信息停止数据监测,优化展望装备出产和运转状况。操纵场景是聚焦多种类小批量刀具产物全性命周期,经由进程安排传感器收罗数据,对收罗到的数据停止时域阐发、频域阐发和时频域相连系阐发,并停止特点融会,而后将特点融会练习样本中的数据输入到收集辨认模子中以练习权重,神经收集每层的输入为:


式中,g表现Prelu激活函数,Wl表现神经收集的第l层度权重,基于SGD优化算法,以均方偏差(MSE)为loss丧失函数,表现监测磨损值与实在值的均方偏差,计较公式以下:


式中,n表现监测样本总值,xi表现第i个样本的实在磨损值,表现第i个样本监测的磨损值。操纵链式求导法例,计较丧失函数值,基于梯度降落法对权重矩阵等参数停止练习,权重W更新以下:


式中,Wl表现深度进修第l层度权重,η表现进修率,经由进程拔取batch批量样本练习后对权重停止更新,使展望值不时迫近实在值。经由进程尝试考证,基于深度进修的方式发掘车间加工刀具的电流、功率、扭矩和其颠末特点提取后的旌旗灯号数据,能够进步了刀具监测的精度和泛化才能,当对残剩寿命占比(RULR)做标签后,能够对以后磨损值做回归阐发,以进步刀具监测的精度。如图12所示。



12 刀具磨损监测场景操纵

6 结语

为适应国度智能制作和产业互联网成长趋向,本文因此企业数字孪生智能车间管控平台为背景,在理论中构建了基于数字孪生智能车间的体系架谈判管控平台操纵扶植,从及时汇数据、智能找题目、精准做决议打算三个方面完成数字孪生的多个场景,最初睁开了基于深度进修方式在数字孪生智能车间刀具关键的一种典范操纵案例停止阐发。跟着5G等更多新手艺的操纵,对智能车间的管控会提出更多的须要和挑衅,须要睁开加倍深切的研讨和切磋,进而进步数字孪生在智能车间的管控和操纵。

 

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