數字孿生系統在輪胎成型生產中的應用

劉信忠，王希光，閆國強，王 東

（1.中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018；2.北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143；3.北京中啟化標測控技術有限公司，北京 100143）

當前，在中美貿易摩擦和新冠肺炎疫情的雙重影響下，國內輪胎企業的生存更加艱難，承受著出口貿易額、復工率等大幅下降、生產成本大幅上升等壓力[1]。為應對不利局面，輪胎企業應改變傳統的管理方式，及時精準地掌握設備狀況和生產狀況，達到增效降本的目的。

通過在輪胎成型車間應用數字孿生（Digital Twin）系統，對相關數據和信息進行統一收集和分析處理，最終實現了高效管理，提高了企業經濟效益[2]。

1 智能化工業生產管理項目

1.1 工業物聯網

工業物聯網是將具有感知、監控能力的各類采集、控制傳感器或控制器以及移動通信、智能分析等技術不斷融入到工業生產過程中的各個環節，從而大幅提高制造效率，改善產品質量，降低生產成本和資源消耗，最終將傳統工業提升到智能化的新階段。從應用形式上，工業物聯網的應用具有實時性、自動化、嵌入式（軟件）、安全性及與信息互通互聯性等特點。

1.2 數字孿生系統

數字孿生系統是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[2]。

1.3 設備綜合效率（OEE）

一般每臺生產設備都有自己的理論產能，要實現這一理論產能必須保證沒有任何干擾和質量損耗。OEE表示實際生產能力相對于理論產能的比率，它是一個獨立的測量工具[3]。OEE由可用率、表現性以及質量指數3個關鍵要素組成。

2 輪胎成型車間數字孿生系統

輪胎成型車間數字孿生系統主要解決成型機的運行狀況、生產狀況以及設備故障維修3個方面的問題，其整體架構如圖1所示。

圖1 成型車間數字孿生系統的整體架構

2.1 SS700智能遠程模塊

SS700智能遠程模塊能夠解決如下問題。

（1）實現市場主流可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的協議，快速接入各種設備。

（2）內置OPC UA服務，能夠使企業建立設備模型。

（3）提供遠程調試支持，自動化工程師可以遠程診斷設備問題，支持USB、串口、以太網接口的PLC的遠程調試和程序上下載。

（4）提供串口復制支持，解決老舊設備僅有1個串口，并被HMI占用的問題。

2.2 設備生產狀況

通過設備運行狀況、實時狀態監控和重要參數展示功能，管理人員可以實時了解成型機的運行狀況和生產狀況，一旦發現問題可以立即采取措施[4]。

2.2.1 設備運行狀況

在成型車間安置監控大屏，實時顯示設備的當前狀況，通過不同的顏色區分，管理人員實時掌控車間整體狀況，如圖2所示。

圖2 成型車間設備監控大屏示意

2.2.2 實時狀態監控

實時狀態監控可以顯示設備當前狀態和成型反包膠囊的使用次數，可以在成型反包膠囊臨近使用壽命時迅速安排保養人員更換膠囊，避免產品出現質量問題，實現預防功能，如圖3所示。

圖3 實時狀態監控頁面示意

2.2.3 重要參數展示

重要參數展示是車間看板功能，通過不同的顏色標識不同的狀態，成型機監控數據一旦超過閾值，將通過聲音和顏色提醒生產工人。1個屏幕顯示不下時可以設定自動滾屏的速率，如圖4所示。

圖4 重要參數展示頁面示意

2.3 生產狀況

通過生產狀況顯示可以關注到當前班次、不同型號的產量信息、合格率狀況以及每個工人的產品完成情況。輪胎產品通過條碼、掃碼槍等技術手段，實時采集現場的生產狀況，讓管理人員、計劃編排人員隨時了解計劃的完成狀況，便于計劃的調整。

2.3.1 實時產量

通過機臺、工人、型號3個維度統計當前班次的產量和合格率，管理員可以掌控當前班次的實時生產狀況，如圖5所示。

圖5 當前班次的實時生產狀況頁面示意

2.3.2 歷史產量

可以選擇具體的時間查看歷史總產量、各型號產量、每天產量曲線/條形圖以及合格率曲線等，在歷史產量頁面中，可以對各班次生產情況、不同時間段產量趨勢等情況通過“配置對比”進行比較分析，如圖6所示。

圖6 歷史產量頁面示意

2.4 設備故障維修

系統檢修監控頁面主要是對機臺進行檢修時的各種情況進行監控，同時統計各種故障的維修時間和維修解決方案。將所有信息進行存檔，為以后適配最佳檢修人員提供分析依據。

2.4.1 檢修實時監控頁面

在計算機大屏中顯示正處于故障的機臺，通過不同的顏色標識當前故障中的狀態。一旦有新的報警，通過語音合成技術，直接讓計算機發出語音通知或系統自動通過微信、短信或IP語音電話通知相關檢修人員進行檢修，同時電腦系統上方也有檢修通知提示，提醒保養工。

監控內容包括機臺報修和接單工號、故障類型、報修時間、檢修報到時間、檢修實時消耗時間等，同時機臺如果與系統處于連接斷開的狀態時，系統也有“連接斷開”的顯示，便于對異常連接機臺進行巡檢和檢修，如圖7所示。

圖7 檢修實時監控頁面示意

2.4.2 檢修記錄統計

對各類故障所需的檢修時間進行統計，可以選擇不同時間段和不同機臺進行查看，表現模式可以選擇圖表或表格。

想了解具體機臺維修記錄和維修解決方案時，點擊“檢修詳情”即可進行查看，如圖8所示。

圖8 檢修記錄統計頁面示意

2.5 管理提升

通過建立數字孿生系統，管理人員分析影響生產效率和質量的原因時，系統通過日/周報表和OEE工具，可為管理人員提供直觀清晰的報告，有助于提高管理水平。

2.5.1 日/周報表

通過日/周報表功能，管理人員可以得出影響產能的各種因素以及TOP10的機臺，再通過更細微的數據找出是工人的問題還是設備問題造成對產能的影響，如圖9和10所示。

圖9 日報表頁面示意

圖10 周報表頁面示意

2.5.2 OEE統計

通過OEE統計可以查詢和分析每天每個機臺生產不同型號的產品時，設備的綜合效率狀況，找出問題機臺進行逐步改善，最終提升整廠的生產效率和產品品質，如圖11所示。

圖11 OEE統計頁面示意

2.6 設備維修保養

2.6.1 維修計劃管理

企業根據自身設備運行狀況添加維修任務，維修任務等級分為一般、重要、緊急3種，可以根據不同設備分配不同的維修員，對維修的開始時間、結束時間以及維修過程進行記錄。

2.6.2 保養計劃管理

企業根據自身設備運行周期添加保養任務，完善的保養計劃可以延長設備壽命。保養計劃詳情頁面可以根據設備的各個部件檢修使用狀態進行指定性保養，針對設備的使用情況，可以判斷出TOP10易耗損的設備零部件并加以改善。

2.6.3 維修記錄查詢

設備檢修記錄可以更好地追溯設備的維修詳情，使設備保持良好的運行狀態，并且可以追溯到設備維修開始以及完成時間。

2.6.4 保養記錄查詢

設備保養記錄查詢，可以起到追溯設備使用周期的作用，使得設備各個部件都可以在良好的情況下運行并且提高設備的使用率。

2.7 設備備件管理

設備備件管理可以查看備件的使用周期和使用次數，并且可以進行手動更換，保證企業的生產狀態良好。

2.7.1 備件型號管理

備件型號管理是統一管理設備的各個零部件，細分到以零部件為單位。

2.7.2 備件記錄管理

通過備品備件的使用記錄可以查看設備在投產過程中發生的損耗，記錄設備零部件的使用量或更換次數。

2.8 設備展板

根據生產線或車間的不同，企業可以根據自身的需求定制展板。

企業可以把TOP5的故障率、TOP5備品備件更換次數、TOP5維修保養次數等關鍵數據在設備展板上進行展示[5]，如圖12所示。

圖12 設備展板頁面示意

3 結語

利用硬件SS700智能遠程模塊可以較方便地解決工業控制PLC、工業智能儀表與工控電腦之間的通訊問題，降低了設備工程師面臨的技術難度，并且可以通過網絡進行一對多方式的設備診斷和維護服務。在輪胎成型車間應用數字孿生系統可以真實地反饋OEE以及影響OEE的過程數據，為提高OEE提供數據支持；在設備管理方面，設備管理人員可以清晰地知道影響OEE的問題點在哪里，做到有的放矢；在設備維修方面，技術人員可以更加快速精準地找到故障點，提高設備維修效率，最終可以非常有效地提高設備產能，實現高效管理，提高企業生產效率和經濟效益。