基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶管件加工智能車(chē)間研究

姚靖維,周 祺,張 剛

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.武昌船舶重工集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430060)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)本質(zhì)意義上的智能制造已成為各國(guó)發(fā)展制造業(yè)的首要目標(biāo)。其中,物理空間與虛擬空間之間的數(shù)據(jù)信息交流與交互是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心環(huán)節(jié)[1]。從2003 年Grieves 教授提出數(shù)字孿生的概念開(kāi)始,數(shù)字孿生逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域的重要課題。美國(guó)國(guó)防采辦大學(xué)將數(shù)字孿生定義為一種充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程。Gartner 公司也一直將數(shù)字孿生技術(shù)作為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一[2]。數(shù)字孿生技術(shù)給智能制造系統(tǒng)提供了一個(gè)平行、快捷、具有高時(shí)效性的研究映射。

船舶工業(yè)是資金密集型和勞動(dòng)密集型的傳統(tǒng)工業(yè)。隨著高技術(shù)船舶和高質(zhì)量海工裝備的發(fā)展,船廠為了適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),著手打造智能化加工車(chē)間,以提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、降低人工成本。管件加工(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“管加”)量在海洋工程裝備與船舶建造中占據(jù)很大比重,是影響產(chǎn)品質(zhì)量和建造周期的關(guān)鍵中間件之一。管加是典型的多品種、小批量、離散性制造。傳統(tǒng)管理手段及與手工作業(yè)方式很難提升加工制造效率。因此,建設(shè)智能化的管加車(chē)間對(duì)船廠的智能化升級(jí)具有重要的示范意義。

傳統(tǒng)的管加方式采用手工作業(yè)裝備或者半自動(dòng)化裝備,車(chē)間布局主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與作業(yè)習(xí)慣。在缺乏信息系統(tǒng)統(tǒng)籌調(diào)度的情況下,車(chē)間生產(chǎn)效率高度依賴(lài)管理人員從業(yè)經(jīng)驗(yàn),在作業(yè)高峰期常出現(xiàn)物料配送不及時(shí)或現(xiàn)場(chǎng)堆場(chǎng)積壓的情況。在半自動(dòng)化環(huán)境中,各類(lèi)設(shè)計(jì)軟件、管控程序之間會(huì)存在數(shù)據(jù)孤島[3],依靠人工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理的難度極大,嚴(yán)重制約管加效率的提升。圍繞管加車(chē)間產(chǎn)線的智能化改造,把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到車(chē)間建設(shè)中,可以在后期生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與全局優(yōu)化。通過(guò)在數(shù)字孿生模型上對(duì)車(chē)間布局、工序節(jié)奏、工藝方法等的優(yōu)化調(diào)整,可以在不中斷生產(chǎn)、不占用額外物理資源的條件下,優(yōu)化迭代自動(dòng)車(chē)間生產(chǎn)流程整體解決方案,達(dá)到對(duì)船舶管加生產(chǎn)管理及制造效率的全面提升,實(shí)現(xiàn)船舶管加車(chē)間智能化建設(shè)的目標(biāo)。

1 面向生產(chǎn)的數(shù)字孿生開(kāi)發(fā)模式

隨著無(wú)線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與傳感器成本的降低,人工智能與大數(shù)據(jù)的融合發(fā)展使工業(yè)領(lǐng)域基于模型的設(shè)計(jì)、仿真、感知、優(yōu)化成為可能。車(chē)間產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型需要具備反映產(chǎn)品生產(chǎn)的詳細(xì)流程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的跟蹤產(chǎn)品加工、物料消耗與設(shè)備磨損情況等基本能力[4]。當(dāng)前,數(shù)字孿生應(yīng)用仍處在起步階段,開(kāi)發(fā)具備感知、優(yōu)化、控制完整能力且覆蓋企業(yè)全流程的數(shù)字孿生模型,其技術(shù)成本對(duì)于傳統(tǒng)企業(yè)來(lái)說(shuō)仍然較高。因此,可以從特定產(chǎn)品或某一中間件的生產(chǎn)制造出發(fā),完成數(shù)字孿生體的開(kāi)發(fā)與虛實(shí)映射的管理能力閉環(huán)建設(shè),而后再將成熟經(jīng)驗(yàn)逐步向企業(yè)的上下游工序推廣。

1.1 數(shù)字孿生的技術(shù)要素

完整的數(shù)字孿生車(chē)間解決方案由物理車(chē)間、虛擬車(chē)間、車(chē)間服務(wù)系統(tǒng)、車(chē)間孿生數(shù)據(jù)四部分組成[5]。針對(duì)物理空間的大范圍、全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)[6]。只有打通物理車(chē)間與數(shù)字車(chē)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道,才能在虛擬診斷的同時(shí),結(jié)合控制組件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行的管理,形成一個(gè)具備虛實(shí)交互能力、覆蓋產(chǎn)品生產(chǎn)全流程的數(shù)字孿生技術(shù)閉環(huán)[7]。在真實(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)構(gòu)建反映物理實(shí)體的機(jī)理模型與輔助控制的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,并結(jié)合人工智能與優(yōu)化算法對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、車(chē)間布局等進(jìn)行迭代,可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控與效率最優(yōu)化配置。

1.2 數(shù)字孿生在管加車(chē)間的應(yīng)用

對(duì)于船舶管加領(lǐng)域的數(shù)字孿生車(chē)間,由于船舶建造零部件、舾裝件數(shù)量多、關(guān)系復(fù)雜,生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì)難度極大。管件制造需要依賴(lài)工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝安排,在面對(duì)突發(fā)狀況時(shí),難以高效、迅速地平衡人力與設(shè)備資源,生產(chǎn)效率很難提升[8]。在數(shù)字孿生車(chē)間搭建后,可以進(jìn)一步對(duì)工藝安排進(jìn)行數(shù)字化歸檔、分類(lèi)并提供參考對(duì)照,從而在生產(chǎn)出現(xiàn)已被歸檔的突發(fā)問(wèn)題時(shí)迅速提供應(yīng)變方案。

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在車(chē)間建設(shè)之初,即可建立覆蓋產(chǎn)線所有類(lèi)型工藝和設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并輔以虛擬車(chē)間形式對(duì)管件制造不同工藝流程進(jìn)行設(shè)備模型的模擬運(yùn)行。與此同時(shí),面向不同工藝類(lèi)型管件的生產(chǎn)流程及車(chē)間產(chǎn)能需求,對(duì)管件制造各產(chǎn)線、各工序的設(shè)備能力匹配、人力資源配置、物流類(lèi)型及走向、生產(chǎn)節(jié)拍、信息追蹤等進(jìn)行全流程虛擬驗(yàn)證。

傳統(tǒng)模式下,單個(gè)操作者常專(zhuān)注于某一工序,無(wú)法從全局視角關(guān)注各個(gè)工序和生產(chǎn)要素的協(xié)作狀態(tài)。數(shù)字管加車(chē)間的建設(shè),能夠打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的信息流,在生產(chǎn)組織過(guò)程中以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車(chē)間對(duì)整個(gè)計(jì)劃與設(shè)備、人力資源等因素的匹配關(guān)系進(jìn)行模擬演算,通過(guò)獨(dú)立視角對(duì)不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的產(chǎn)能瓶頸進(jìn)行分析,為生產(chǎn)管理者提供最直接的數(shù)據(jù)參考。同時(shí),生產(chǎn)過(guò)程中采集生產(chǎn)線上各工位設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為真實(shí)狀態(tài)對(duì)照,可為后續(xù)的分析優(yōu)化提供相應(yīng)依據(jù)。

同時(shí),數(shù)字化管加車(chē)間對(duì)于全生命周期的管件制造生產(chǎn)管理有巨大的提升潛力。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管件加工數(shù)據(jù)、電子圖紙以及全流程物流追蹤系統(tǒng)的應(yīng)用,極大降低圖紙文檔傳遞成本。把管件制造相關(guān)信息提取存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中并根據(jù)相應(yīng)規(guī)則一一編碼,便于生產(chǎn)者按需提取相應(yīng)管件加工信息;在加速生產(chǎn)的同時(shí)建立便于管控的反饋渠道,使管理者能夠?qū)崟r(shí)把控生產(chǎn)的進(jìn)度。通過(guò)對(duì)不同原材料物資代碼的匹配,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有物資統(tǒng)一管理;對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化排產(chǎn),可避免缺料原因?qū)е碌默F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)停滯,并可以向零庫(kù)存生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化迭代。數(shù)字化車(chē)間通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)車(chē)間的1∶1 建模,把實(shí)時(shí)的生產(chǎn)、設(shè)備狀況反映到模型中,可以高效地輔助技術(shù)人員了解車(chē)間生產(chǎn)的狀態(tài);通過(guò)與視頻監(jiān)控設(shè)備的結(jié)合,可完成高效的、對(duì)整體生產(chǎn)狀態(tài)的調(diào)控。

2 船舶管加車(chē)間數(shù)字孿生架構(gòu)的搭建

船舶管加車(chē)間數(shù)字孿生架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶管加車(chē)間數(shù)字孿生架構(gòu)圖Fig.1 Digital twin framework of ship pipe manufacturing workshop

管加車(chē)間的數(shù)字孿生架構(gòu)包括物理層、感知控制層、數(shù)字孿生模型層和應(yīng)用層。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、產(chǎn)線、原材料(或半成品)、制造環(huán)境等數(shù)據(jù)的感知、采集、分析處理、優(yōu)化,建立與數(shù)字孿生模型層的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物流信息、設(shè)備信息以及各類(lèi)模型的映射關(guān)系,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,實(shí)現(xiàn)車(chē)間布局及優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化、車(chē)間物流配送與決策、質(zhì)量分析與決策。在設(shè)計(jì)之初,智能產(chǎn)線的數(shù)據(jù)流向始終圍繞工藝數(shù)字化、自動(dòng)排產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)控與追溯、輔助決策展開(kāi)。

2.1 工藝數(shù)字化

在充分考慮數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,通過(guò)工藝仿真和生產(chǎn)模型,構(gòu)建面向管件生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝數(shù)字化孿生。首先,依托設(shè)計(jì)軟件(如SPD、CATIA、TRIBON、CADDS5 等)構(gòu)建生產(chǎn)線數(shù)字模型。通過(guò)數(shù)字或相應(yīng)特征代碼,對(duì)孿生體中出現(xiàn)的特征要素進(jìn)行編碼。管加的主要特征包括材質(zhì)、附件的類(lèi)型以及規(guī)格、數(shù)量、加工形式、彎管信息、表面處理等一系列管件工藝信息。各類(lèi)代碼在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中具有唯一性、可識(shí)別性及完整性。其次,設(shè)計(jì)輸出的圖紙、信息數(shù)據(jù)應(yīng)完整,具備可充分反映管加全生命流程的所有信息。該類(lèi)信息可為數(shù)字類(lèi)型或相應(yīng)加工特征碼。最后,應(yīng)配備對(duì)應(yīng)的、從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的數(shù)字化接口軟件,銜接設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)。其應(yīng)具備充分解讀設(shè)計(jì)輸出相關(guān)信息,以及根據(jù)生產(chǎn)所需轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)(或半自動(dòng))加工設(shè)備可識(shí)別信息的能力。

2.2 生產(chǎn)計(jì)劃管理智能化

構(gòu)建由生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的管系智能化生產(chǎn)管理。管加數(shù)據(jù)、車(chē)間數(shù)字模型、必要的設(shè)備加工能力信息、管件工藝流程等,按照規(guī)定作業(yè)原則進(jìn)行采集。采集后的生產(chǎn)流程可以在數(shù)字孿生體中,結(jié)合節(jié)拍規(guī)劃與流程優(yōu)化,通過(guò)模擬生產(chǎn)予以驗(yàn)證,迭代優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。

產(chǎn)品生命周期管理(product lifecycle management,PLM)系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)原則,對(duì)來(lái)自企業(yè)資源計(jì)劃(enterprise resource planning,ERP)的需求進(jìn)行解構(gòu),將其解析為面向各生產(chǎn)系統(tǒng)可執(zhí)行的需求數(shù)據(jù),并對(duì)原數(shù)據(jù)中部分不規(guī)則特征碼進(jìn)行重新賦值,以完成工藝特征匹配。車(chē)間執(zhí)行制造系統(tǒng)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)資源占用情況(如計(jì)劃需求、物料庫(kù)存、設(shè)備狀態(tài)、人力資源配置等)開(kāi)展自動(dòng)運(yùn)算,完成計(jì)劃提供,并根據(jù)計(jì)劃內(nèi)容自動(dòng)完成原材料套料、附件自動(dòng)配托及零件生產(chǎn)工藝流向指定等一系列操作,從而確保車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)各工序生產(chǎn)流暢。

2.3 全生命周期質(zhì)量監(jiān)控與回溯

在數(shù)字化管加車(chē)間,原材料采購(gòu)入庫(kù)前,會(huì)對(duì)其相應(yīng)材質(zhì)、外形尺寸、數(shù)量作入庫(kù)前復(fù)驗(yàn),并對(duì)復(fù)驗(yàn)合格物資進(jìn)行貼碼標(biāo)示;同時(shí),在管理系統(tǒng)內(nèi)建立相應(yīng)電子臺(tái)賬,賦予其內(nèi)部管理的唯一身份。生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)后,所有車(chē)間執(zhí)行層將根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果接收到自己的工作計(jì)劃。計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程中,所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程控制均可在管控系統(tǒng)內(nèi)據(jù)實(shí)記錄,便于產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量管控及問(wèn)題溯源。生產(chǎn)過(guò)程中,系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃自動(dòng)對(duì)相應(yīng)管件所需物料進(jìn)行套料、配對(duì),并生成新的管理身份標(biāo)識(shí);同時(shí),與所使用原材料的標(biāo)示碼進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),自動(dòng)設(shè)備(或作業(yè)人員)按照作業(yè)計(jì)劃將系統(tǒng)生成的物理?xiàng)l碼與產(chǎn)品進(jìn)行綁定,并根據(jù)作業(yè)流程,通過(guò)自動(dòng)(或人工)掃描記錄每個(gè)工序的作業(yè)工位(或作業(yè)人員信息)、加工日期等信息。同時(shí),對(duì)系統(tǒng)設(shè)置的停止檢查點(diǎn),采用自動(dòng)或人工輔助的檢測(cè)方式逐一檢驗(yàn),并記錄相應(yīng)質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果;對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)論標(biāo)記,用于問(wèn)題產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程追溯及質(zhì)量原因分析。此外,根據(jù)分析結(jié)果為后期同類(lèi)型問(wèn)題提供解決方案。未來(lái),還可以通過(guò)大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)完成產(chǎn)品出廠后的使用、損毀情況記錄,并由此對(duì)內(nèi)場(chǎng)制作過(guò)程進(jìn)行不斷優(yōu)化,從而進(jìn)一步提高管件的生產(chǎn)質(zhì)量。

2.4 信息統(tǒng)計(jì)與決策輔助

對(duì)于企業(yè)而言,數(shù)字孿生技術(shù)的商業(yè)價(jià)值是幫助其決策是否搭建數(shù)字孿生車(chē)間的關(guān)鍵。在探析數(shù)字孿生的商業(yè)價(jià)值時(shí),企業(yè)須重點(diǎn)考慮戰(zhàn)略績(jī)效與市場(chǎng)動(dòng)態(tài)相關(guān)問(wèn)題,包括持續(xù)提升產(chǎn)品績(jī)效、加快設(shè)計(jì)周期、發(fā)掘新的潛在收入來(lái)源以及優(yōu)化保修成本管理[9]。基于企業(yè)服務(wù)總線打造綜合管控平臺(tái),從車(chē)間作業(yè)控制系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)、綜合管控平臺(tái)等系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)字化車(chē)間制造大數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝、生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、人員、物料和資源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化匯集,為大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析技術(shù),對(duì)產(chǎn)品各個(gè)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),為產(chǎn)品的全生命周期數(shù)據(jù)分析及質(zhì)量追溯提供可靠的數(shù)據(jù)保障;更可以采用微服務(wù)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量、人員、物料和資源的實(shí)時(shí)可視化管控,以及智能分析、快速開(kāi)發(fā)[10]。

另一方面,在基礎(chǔ)的車(chē)間管理中,數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)大量數(shù)據(jù)采集設(shè)備與低延時(shí)通信技術(shù),建立了鏈接物理現(xiàn)場(chǎng)與孿生系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng),可以使工藝師在實(shí)現(xiàn)管加車(chē)間的生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)量化管理的同時(shí),對(duì)車(chē)間的運(yùn)營(yíng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 船舶管加車(chē)間數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

武昌船舶重工有限責(zé)任公司搭建了采用數(shù)字孿生技術(shù)的柔性直管加工全自動(dòng)智能生產(chǎn)線。武船直管加工車(chē)間數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)建立了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的數(shù)字孿生模型與數(shù)據(jù)分類(lèi)機(jī)制,打通了西門(mén)子PLM 與武船企業(yè)信息空間工程(enterprise information space engineering,EISE)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道,從企業(yè)計(jì)劃管理拓展到車(chē)間、產(chǎn)線和工位級(jí)作業(yè)的精度管理。

圖2 武船直管加工車(chē)間數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Digital twin architecture of straight pipe manufacturing workshop

升級(jí)的EISE 系統(tǒng)與產(chǎn)線控制系統(tǒng)(beltline control system,BCS)的數(shù)據(jù)直接交互,指揮產(chǎn)線立體倉(cāng)庫(kù)、下料打磨單元、貼標(biāo)單元、刻碼單元、全自動(dòng)組對(duì)焊接機(jī)器人單元、物流系統(tǒng)等智能設(shè)備,完成從原材料到成品管件全過(guò)程生產(chǎn)的無(wú)人化、高柔性化、數(shù)字化控制。在車(chē)間,通過(guò)BCS 系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備信號(hào)進(jìn)行采集,并與EISE 系統(tǒng)、PLM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互,可實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)線模型與物理產(chǎn)線的同步運(yùn)作。現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在1∶1 虛擬現(xiàn)實(shí)綜合管控平臺(tái)的自動(dòng)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)視頻與產(chǎn)線模型的實(shí)時(shí)切換,并由此輔助管理者了解設(shè)備加工的瓶頸、制定生產(chǎn)優(yōu)化策略。

該車(chē)間在完成智能化直管加工生產(chǎn)線建設(shè)的同時(shí),還結(jié)合建設(shè)成果對(duì)車(chē)間其他生產(chǎn)線進(jìn)行了相應(yīng)改造,打通了整個(gè)車(chē)間的物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、電子圖紙直達(dá)工位、物流實(shí)時(shí)追蹤、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享等整個(gè)車(chē)間數(shù)字化生產(chǎn)的第一階段建設(shè),攻克了管件加工的大部分控制難題。該車(chē)間已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)物料在線實(shí)時(shí)管理、制造計(jì)劃自動(dòng)運(yùn)算下發(fā)、各工序工位作業(yè)完成情況實(shí)時(shí)記錄、質(zhì)檢結(jié)論數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理及實(shí)時(shí)共享等一系列功能。自投入運(yùn)行以來(lái),車(chē)間生產(chǎn)管理流暢,整體運(yùn)行效果理想,較車(chē)間改造前實(shí)現(xiàn)了約35%綜合產(chǎn)能的提升,22%的典型產(chǎn)品成本下降,33.3%的產(chǎn)品制造周期壓縮,并降低了11.5%的單位產(chǎn)值能耗,綜合效率提升顯著。

4 結(jié)論

本文圍繞數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用,以船舶管件加工為實(shí)例,建立了虛實(shí)結(jié)合的武船智能化管加車(chē)間模型、綜合管控平臺(tái),對(duì)車(chē)間智能化應(yīng)用進(jìn)行了探索研究。研究表明,通過(guò)建設(shè)生產(chǎn)車(chē)間數(shù)字孿生體并搭建相應(yīng)管理系統(tǒng),可以在不中斷生產(chǎn)的同時(shí),在虛擬空間對(duì)生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)展優(yōu)化。

全自動(dòng)管件加工生產(chǎn)線仍然具有較大提升空間。

首先,本研究對(duì)象僅實(shí)現(xiàn)直管型管件的生產(chǎn),無(wú)法做到產(chǎn)品類(lèi)型全覆蓋,未來(lái)的發(fā)展還需進(jìn)一步借鑒先進(jìn)行業(yè)(如航空工業(yè)和石油化工行業(yè))的數(shù)字化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[11-12],并與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以诠芗圃旃に嚒?zhuān)業(yè)設(shè)備研發(fā)、人機(jī)互動(dòng)等方面作進(jìn)一步的研究,逐步解決管件加工全流程制約的難題。

其次,銜接設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理的專(zhuān)業(yè)軟件(PLM、EISE),其系統(tǒng)內(nèi)部流程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理流程的匹配度還未達(dá)到較高水準(zhǔn)。這也反向制約了管系智能制造的研究進(jìn)展。但隨著大環(huán)境的不斷變化,越來(lái)越多既懂管件加工生產(chǎn)管理又懂軟件系統(tǒng)研發(fā)的專(zhuān)業(yè)工程師的出現(xiàn),必將慢慢打破這一現(xiàn)狀,為后續(xù)管件加工設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化開(kāi)創(chuàng)更佳的局面。

武船管加車(chē)間在建設(shè)智能化的柔性直管生產(chǎn)線過(guò)程中,打通PLM 系統(tǒng)、EISE 系統(tǒng)、BCS 系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、綜合管控平臺(tái)等數(shù)據(jù)通道,構(gòu)建虛實(shí)映射的數(shù)字孿生系統(tǒng),并通過(guò)對(duì)數(shù)字模型的分析與迭代,實(shí)現(xiàn)了指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)線工藝優(yōu)化,為未來(lái)車(chē)間的全面升級(jí)積累了重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。