基于數字孿生的數字化車間升級方案及實現

龐建軍

（超同步股份有限公司，北京 101500）

隨著物聯網、大數據、移動互聯和人工智能等新一代信息技術的飛速發展，人們生活與生產方式均發生了深刻變革。為了進一步發揮新一代信息技術的革命性作用，助力傳統制造業轉型升級，世界各個制造業大國均提出了國家層面的發展戰略。其中，德國提出工業4.0、美國提出工業互聯網、日本提出特色工業4.0，均提出符合自身情況的制造業發展戰略。中國于2015 年相繼提出“中國制造2025”、“互聯網+”等多項國家戰略和行動綱領[1]，以加快新一代信息技術與制造業深度融合，提升智能制造水平，促進產業轉型升級、實現制造業由大變強的歷史跨越。

超同步股份有限公司基于國家戰略方向，結合企業自身發展需要及“2017 年智能制造綜合標準化與新模式應用項目”要求，以最新前沿技術理論為指導，成功探索出數字化轉型升級之路，在行業中具有較強的示范作用。本文根據數字化車間升級的理論與實踐，具體闡述基于數字孿生運行模式的數字化車間的升級方案與具體實現。

1 技術理論成果概述

1.1 數字孿生車間運行模式

世界各個制造大國提出的制造業國家戰略雖然側重點與背景不盡相同，但其共同目標之一是實現制造業現實世界與信息世界的全面互聯與智能融合[2]。在此背景下，數字孿生及數字孿生車間的概念應運而生。

數字孿生的思想最早由美國密歇根大學Grieves教授于2003 年在產品全生命周期管理課程中提出，最初命名為“信息鏡像模型”（information mirroring model），而后逐漸演變為“數字孿生”（digital twin）的術語。在此之后，西門子從產品的角度，應用數字孿生這一理念實現了從產品設計到制造執行的產品全生命周期數字化[3]；Aniruddha Gaikwad等研究人員利用數字孿生技術，融合熱模擬、溫度傳感、過程故障監測與分析等，提高3D 打印水平[4]。

日本中央學院大學Tan Y F 等研究人員提出包含物聯網、數字仿真等技術的數字孿生構建框架和方案并驗證所提出框架和方案有效[5]。北京航空航天大學陶飛教授等研究人員則從車間組成的角度，提出了數字孿生車間（digital twin workshop，DTW）的概念，指出數字孿生車間主要由物理車間（physical workshop）、虛擬車間（cyber workshop）、車間服務系統（workshop service system）以及車間孿生數據（workshop twin data）等構成，并從生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等方面具體闡述了數字孿生車間的運行機制，總結了數字孿生車間的特點及關鍵技術。而后，陶飛教授等研究人員又針對數字孿生車間的信息物理融合理論與技術作了進一步深入研究，具體闡述了數字孿生車間的系統架構、信息物理融合詳細分支以及關鍵支撐技術等[1,6]。

以上一系列技術理論均為企業實際建設數字孿生車間提供了理論指導和實踐參考。

1.2 數字化車間構建理論

自工業革命以來，科學技術的進步不斷推動生產制造方式及管理思想的不斷發展，加工制造業大致經歷了單機器生產、流水線規模化生產和信息化輔助生產等階段，目前處于信息化與工業化相互融合的發展階段。在新一代信息技術的推動之下，數字化車間的概念及建設理念被更加廣泛、更加深入地應用于現代制造業，加工制造水平得到大幅提升。

數字化車間是基于生產設備、檢測設備等生產相關的硬件設施，以節支降本、提質增效和快速響應市場為目的，通過數字化、網絡化、智能化等手段，在計算機虛擬環境中，對“人-機-物-環境”等生產資源與生產過程進行設計、管理、仿真、優化以及可視化等工作，對產品設計、工藝流程、生產組織和過程控制等環節進行精細、精準、敏捷、高效地管理。它改變了傳統的規劃設計理念，將設計規劃從經驗和手工方式，轉化為計算機輔助數字仿真與優化的精確可靠的規劃設計，以達成節支降本、提質增效和協同高效的管理目的。

針對數字化車間的相關理論，清華大學的邵珠峰副教授等研究人員闡述了數字化車間信息模型的概念以及建模方法、流程與標準[7]。河北工業大學的李世杰教授、北京機械工業自動化研究所的張建超高級工程師主要在數字化車間的構建策略與建設思路作了深入的研究，在數字化車間設計、構建以及注意問題等方面，提出了重要的研究成果，為企業數字化車間實際建設提供了理論指導[8-9]。

2 數字化車間升級方案及實現

隨著我國裝備制造業的不斷發展，宏觀市場對于產品性能、運行效率、市場響應和節能減排等方面均提出了更高要求。同時，“中國制造2025”等國家宏觀戰略對制造業轉型升級指明了方向。為此，超同步股份有限公司結合國家戰略要求及自身發展要求，以數字孿生車間運行模式、數字化車間構建等技術理論與實踐經驗為指導，對智能裝備核心功能部件生產車間進行基于數字孿生運行模式的數字化升級。

智能裝備核心功能部件生產車間，位于北京市密云經濟開發區超同步智能裝備產業園內，總占地面積18 000 m2，主要生產智能伺服系統、核心功能部件、高端智能裝備等產品，是超同步核心產品生產車間之一。數字化車間的升級成功將對超同步進一步發展和行業影響力提升具有重要作用。

2.1 數字化車間總體設計方案

數字化車間整體升級方案為：以大數據信息交互平臺為核心，建立8 大協同、高效運行的數字化管理模塊，實現5 類核心工業裝備與信息化深度融合，施行4 大產品線規模化、柔性化的智能制造新模式。整體架構如圖1 所示。

圖1 數字化車間架構圖

其中，8 大數字化管理模塊包括：生產執行管理系統MES、訂單管理系統OMS、倉儲管理系統WMS、供應鏈管理SCM、人力資源系統HRS、企業資源計劃ERP、設備管理系統EMS和產品全生命周期管理PLM；5 類核心工業裝備包括：高端裝備與機器人、數字采集與控制、在線檢測與裝配、智能倉儲與物流和工業軟件與信息終端；4 大產品線包括：智能裝備產品線、功能部件產品線、伺服電機產品線和伺服驅動產品線。

2.2 數字化車間整體布局

數字化車間以可滿足大規模、柔性化以及個性化生產的智能柔性數字化生產線為主體，具體包括中小零件生產加工單元、精密零件加工單元、直驅功能部件裝配及測試單元、大型零件與復合零件加工單元、智能伺服電機與智能機床裝配單元等，平面布局如圖2 所示。

圖2 數字化車間平面布局圖

生產線由五軸加工中心、車銑復合加工中心、六關節機器人、桁架機器人等智能裝備組成，具備互聯互通、數據共享、即時分析與處理等擴展性能。

2.3 設備集成與互聯互通

2.3.1 車間網絡集成架構

數字化車間基于“互聯網+智能制造”的理念，建立覆蓋整個車間所有業務單位和各類終端的大數據網絡架構，使用無線WIFI、工業總線、數據交換服務器、手機移動終端APP 以及工業以太網等技術，使高端數控機床、復合加工中心和工業機器人等設備實現互聯互通，為數據共享、即時信息交換及分析處理打下堅實基礎。圖3 為網絡架構圖。

圖3 網絡架構圖

2.3.2 各類設備與軟件系統互聯互通方案

超同步將自主研發開放式多媒體工業網絡系統（OMIN），作為數字化車間生產設備與軟件系統互聯互通的橋梁。OMIN 在設備層實現定制化的數控系統、現場總線IO、PLC和機器人等設備控制功能，并將這些功能映射到針對車間生產活動所必要的流程中，然后通過以太網或者WIFI，基于HTTP 通訊協議，將各種控制信息流傳遞給相關模塊各個功能單元，最終實現設備與軟件系統的互聯互通。

生產設備執行層的設備，通過Powerlink 或Ethercat總線和USB 總線連接到生產設備控制層設備。

生產設備控制層設備，通過有線和無線網，遵循OPC UA 通信標準協議與生產運行管理協議抽象層接口，讓數據采集、信息模型化以及車間基層與企業管理層面之間的通訊更加安全、可靠。圖4 為生產設備互聯互通方案示意圖。

圖4 設備互聯互通示意圖

2.4 大數據信息交互平臺

數字化車間基于“互聯網+智能制造”的理念，建立覆蓋整個數字化車間各業務環節大數據信息交互平臺，所有信息交換和傳輸都可以通過有線網絡、無線WIFI、藍牙和手機移動終端APP 進行內部和外部的信息交互及處理。企業管理和生產運行的每個環節均可通過內部局域網、互聯網在大數據交互平臺上進行數據共享、信息交換與即時處理。

大數據信息交互系統包含了多個協同運行的功能模塊（圖5 為管理系統登錄界面），即生產執行管理系統MES、訂單管理系統OMS、倉儲管理系統WMS、供應鏈管理SCM、人力資源系統HRS、企業資源計劃ERP、設備管理系統EMS和產品全生命周期管理PLM 等。以大數據信息交互平臺為核心，通過各功能模塊之間的分工協同運行，實現了“互聯網+智能制造”的生產經營模式。

圖5 大數據信息交互平臺管理軟件登錄界面

2.5 數字孿生管理系統

數字孿生管理系統是由訂單排產仿真、生產執行過程精準調度、產品全生命周期管理、設備數字孿生管理和動態目標-績效管理等功能有機組成。

2.5.1 訂單排產仿真

訂單排產仿真是以智能訂單管理系統（OMS）為依托，為用戶提供一站式定制服務。通過與用戶溝通，了解用戶對產品的性能、外觀、安裝和防護等要求，并在大數據庫中建立不同客戶的需求數據，然后進行綜合分析和仿真，制定出最合理的解決方案。經綜合分析與仿真，系統可生成正式任務指令，通過與倉儲管理系統的信息交互，確定該任務所需原料及半成品的庫存狀態，自動分解為出庫、采購、裝配和測試等細分指令，實施統一生產組織調度，完成智能排產。

2.5.2 生產執行過程精準調度

生產執行過程精準調度是以生產執行管理系統（MES）為依托，可制訂、執行生產作業計劃，精確生產指揮調度，處理生產過程中突發問題，執行生產過程工藝標準，控制產品的質量，掌握設備運行情況，管理原料、材料、成品的庫存，從而達到優化資源配置、降低生產成本、縮短生產周期的目標。

2.5.3 產品全生命周期管理

產品全生命周期管理是以產品為中心的戰略性業務管理模式，通過對最終產品一物一碼（二維碼）的管理方式，支持產品信息在全企業和產品全生命周期內的創建、管理、分發和使用，集成了流程和信息等眾多要素。產品全生命周期管理如圖6 所示。

圖6 產品全生命周期管理示意圖

2.5.4 設備數字孿生管理

設備數字孿生管理主要針對生產設備及物料運輸設備建立數字模型，并實現設備實時運行過程再虛擬空間的投影。該系統能夠實時準確跟蹤設備情況，建立清晰、動態的設備數據庫，及時掌握設備的損益狀態，實現設備管理信息化，為企業有效配置資產、設備和其他資源提供決策依據。圖7 為盤類零件自動化生產線管理界面，圖8 為AGV 無線調度管理系統界面。

圖7 盤類零件自動化生產線管理界面

圖8 AGV 無線調度管理系統界面

2.5.5 動態目標-績效管理

動態目標-績效管理是一套有機整合的流程和系統，基于車間現場管理，專注于建立、收集、處理和監控人員工作任務和績效考核數據。

2.6 產品研發設計與關鍵工藝仿真

2.6.1 產品研發設計的三維模型仿真

超同步采用融結構、流體、電場、磁場和聲場等設計、分析于一體的大型模擬仿真軟件，對客戶要求的產品在設計后對其進行模擬分析，包括結構靜力分析、幾何模型分析等，體現了智能制造過程的科學性、嚴謹性，為加工制造提供了科學的理論支持。

2.6.2 關鍵制造工藝的可視化仿真模擬

加工仿真軟件的應用實現了個性化定制設計產品的工藝仿真功能，利用計算機輔助系統對生產過程、材料選用、加工工藝、刀具配置以及工裝選取等環節進行分析、模擬仿真。從而大大提高工藝設計的效率和精準度。例如圖9～13。

圖9 BT40 電主軸實物圖與剖切模型仿真圖

圖10 BT40 電主軸臨界轉速仿真與剛度仿真

圖11 電機電磁與熱負荷仿真

圖12 伺服刀塔刀盤加工仿真——粗銑與精銑

圖13 伺服刀塔刀盤加工仿真——鉆攻端面螺紋孔

綜上所述，超同步股份有限公司智能裝備核心功能部件生產車間通過配置各類智能裝備、采用互聯互通方案、建立大數據信息平臺與協同管理系統、應用產品設計與關鍵工藝仿真技術等方式，完成了物理設備的數字模型建立以及物理空間與數字空間的映射與驅動，實現了集“數字化、協同化、智能化、柔性化和綠色化”于一體的數字化升級。

3 升級后效果評估及分析

3.1 提高車間運行效率

智能裝備核心功能部件生產車間數字化升級之后，生產效率大幅提高，運營成本大幅降低，產品平均設計周期大幅縮短，產品不良率大幅降低，單位產值能耗大幅降低，具體對比數據如表1 所示。

表1 數字化車間升級前后運行效率對比

3.2 提升生產能力

隨著車間運營效率的提高，生產能力也隨之提升，具體如表2 所示。

表2 數字化車間升級前后產能對比

3.3 帶動產業鏈上下游發展

智能裝備核心功能部件生產車間數字化升級之后，電主軸、AC軸以及BC軸等核心功能部件產品性能得到大幅提升，部分指標已達國際先進水平，并廣泛應用于沈陽機床M8 系列、寶雞機床五軸加工中心等高端機床，推動了我國智能裝備行業的整體發展與進步。

3.4 升級方案應用至類似制造場景

超同步數字化車間升級方案，全部采用國產智能裝備，擁有核心自主知識產權，可快速復制到相近行業中應用。目前已應用至北京長征天民高科技有限公司油氣彈簧數控加工上料系統。

4 結語

超同步以數字孿生車間運行模式與數字化車間構建等理論與實踐經驗為指導，結合企業戰略方向與發展需求，綜合運用大數據、工業互聯、數字仿真等新一代信息技術，完成以數字運行、協同管理、智能制造、柔性生產以及綠色節能為特色的數字化升級，大幅提升運行效率與生產能力，為制造業數字化升級起到示范作用和參考意義。