作者簡介

徐明

中國電科太極計算機(jī)股份有限公司高級工程師，主要研究方向為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、數(shù)字經(jīng)濟(jì)等。

論文引用格式：

徐明. “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的數(shù)字孿生鋼管生產(chǎn)集成技術(shù)研究[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2023, 49(11): 33-40.

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的數(shù)字孿生鋼管生產(chǎn)集成技術(shù)研究

徐明

（中國電科太極計算機(jī)股份有限公司，北京 100012）

摘要：“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是裝備制造企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑。首先設(shè)計了鋼管生產(chǎn)數(shù)字化框架，其次探討了鋼管生產(chǎn)車間應(yīng)用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的組網(wǎng)方式、關(guān)鍵工序改造和技術(shù)集成，最后研究了鋼管全生命周期的唯一標(biāo)識及應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)建構(gòu)虛擬生產(chǎn)和物流系統(tǒng)，包括鋼板和成品物流、鋼管加工成型、質(zhì)檢及交互操作等場景。結(jié)果證明，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”滿足鋼管生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要和智能化升級的需求，也為制造行業(yè)建構(gòu)虛擬生產(chǎn)線提供了參考。

0 引言

直縫埋弧焊管因缺陷概率小、管形好、尺寸精確等特點,常用于液體和氣體輸送，廣泛應(yīng)用在建筑、石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域。并且，其生產(chǎn)線自動化程度高、生產(chǎn)成本低，適合用于5G全連接工廠的試點工作。為實現(xiàn)智能制造、虛擬工廠等目標(biāo)，突破的重點包括鋼管生產(chǎn)線應(yīng)用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”組網(wǎng)和生產(chǎn)設(shè)備的5G改造，鋼管生產(chǎn)物流和商用全生命周期的唯一精確識別，以及可交互的虛擬生產(chǎn)線構(gòu)建。本文將在直縫鋼管生產(chǎn)過程中應(yīng)用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”以實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和物流的框架設(shè)計，首先針對連續(xù)工藝過程、成品物流過程中的關(guān)鍵工序進(jìn)行5G組網(wǎng)和重要設(shè)備的5G改造，其次研究了鋼管全生命周期的唯一識別和虛擬生產(chǎn)物流關(guān)鍵技術(shù)的集成，并構(gòu)建堆場原材料/成品管理系統(tǒng)、虛擬鋼管生產(chǎn)線管理系統(tǒng)、鋼管成品缺陷評審協(xié)同系統(tǒng)等典型場景說明其應(yīng)用效果，最后展望了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的數(shù)字孿生鋼管生產(chǎn)線技術(shù)在5G全連接工廠和數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用前景。

1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”虛擬鋼管生產(chǎn)技術(shù)分析

1.1 鋼管生產(chǎn)物流現(xiàn)狀和數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)

直縫鋼管的生產(chǎn)從堆場中調(diào)撥鋼板開始，經(jīng)過初焊、內(nèi)外焊、擴(kuò)徑、探傷、水壓試驗等工序的加工和檢測，形成合格成品鋼管，再調(diào)撥堆場存放。其中,生產(chǎn)車間有用于排班的生產(chǎn)管理系統(tǒng)和用于工序加工管理的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）；焊接工序有點焊機(jī)器人；噴標(biāo)工序有噴涂機(jī)器人；自動測量設(shè)備有超聲波探傷檢測、管端測量和鋼管稱重設(shè)備；擴(kuò)徑前后有樣品的理化檢驗等；鋼板的板探和銑邊、被沖壓成“O”型的預(yù)彎邊和成型、鋼管水壓試驗等工序都裝有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等工控設(shè)備。以國內(nèi)某直縫鋼管廠為例，生產(chǎn)和物流的自動化和信息化程度逐年提高，但仍保留了部分人工操作，如生產(chǎn)車間的每個工序（近30 個）都至少有一兩人操作和維護(hù)。根據(jù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)和智能制造要求，有望進(jìn)一步提高其自動化和智能化水平。例如，從堆場中調(diào)撥鋼板到合格成品鋼管進(jìn)入堆場的過程保持鋼管可唯一準(zhǔn)確識別，從而做到鋼管全生命周期（包括鋼管的生產(chǎn)物流過程和最終用戶現(xiàn)場使用過程）的質(zhì)量可追溯和“無縫”快速安裝連接。

在當(dāng)前鋼管生產(chǎn)線智能制造的現(xiàn)狀中，馬朝輝等利用可遠(yuǎn)距離快速識別標(biāo)簽的射頻識別技術(shù)自動讀取鋼管管號，總體效果良好。王文娟等證明了二維碼標(biāo)識面在磨損、劃傷以及銹蝕等情況下，其識別功能與識別效率都受到了影響。劉榮 等對鋼管的全生命周期管理和跟蹤鋼管的二維碼技術(shù)和方法進(jìn)行了研究?？挛?等將當(dāng)前的智能設(shè)備和二維碼技術(shù)相結(jié)合，闡述了二維碼在工藝生產(chǎn)流程中的應(yīng)用。白巖柏采用二維碼對零部件進(jìn)行標(biāo)識，實現(xiàn)了裝配數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程可視化。

龔敏應(yīng)用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)模擬各工序,同時結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了虛擬加工過程，實現(xiàn)了向施工最前線傳遞信息的可視化。王振聲等研究了管道智能化、智慧互聯(lián)大管網(wǎng)指引下，支撐管道“全數(shù)字化移交、全智能化運(yùn)營、全生命周期管理”的關(guān)鍵技術(shù)及階段性成果。李明昊等分析了數(shù)字孿生與增強(qiáng)現(xiàn)實融合驅(qū)動的地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全評價方法，可為提升現(xiàn)場即時處置能力提供技術(shù)支持。陳繼文 等探討了基于數(shù)字孿生技術(shù)的檢測方法，可有效實現(xiàn)機(jī)械故障預(yù)警和診斷。

按照標(biāo)簽的供電方式不同，鋼管號射頻識別技術(shù)可分為無源射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、有源RFID與半有源RFID三類。采用無源RFID方式的標(biāo)簽可應(yīng)用噴涂工藝在鋼管上噴涂二維碼；采用有源RFID方式的標(biāo)簽是帶有磁性外殼的高頻抗金屬電子標(biāo)簽，同時要求具有耐強(qiáng)酸、耐強(qiáng)堿、耐高溫等特性。兩種標(biāo)簽都可以用固定掃描器或手持掃描槍自動識別。但也可能產(chǎn)生以下問題，如鋼板邊緣雙面銑削、打磨、水洗造成二維碼缺損或不清晰；沖壓鋼管造成二維碼變形；鋼管全長擴(kuò)徑導(dǎo)致二維碼丟失；管端切削導(dǎo)致二維碼缺損；加工過程中水洗和廢棄油污染二維碼；水壓試驗過程中大量水汽導(dǎo)致識別障礙；冷加工過程要求噴涂材料不易燃；鋼管的防腐和涂層工序?qū)е露S碼失效；成品鋼管露天易銹蝕；加之車間環(huán)境工業(yè)無線網(wǎng)的信號強(qiáng)度不均勻以及受到堆積材料和天車運(yùn)行的影響，導(dǎo)致各工序的MES終端信息共享能力低等。因此對鋼管的唯一識別是鋼管生產(chǎn)線數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，生產(chǎn)數(shù)字孿生及虛實互動操作、可視化質(zhì)檢和鋼管質(zhì)量可控可追溯是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的另一個重要目標(biāo)。

1.2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”鋼管生產(chǎn)框架設(shè)計

隨著5G技術(shù)演進(jìn)和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，應(yīng)用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)建虛擬鋼管生產(chǎn)涉及產(chǎn)線、車間、工廠等不同區(qū)域，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全等體系，基礎(chǔ)設(shè)施將形成“云—邊—端”架構(gòu)（見圖1）。

圖1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”鋼管生產(chǎn)過程框架視圖

首先，用于鋼管生產(chǎn)制造的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”組網(wǎng)將基于5G公網(wǎng)架構(gòu)的虛擬專網(wǎng)形式，主要利用5G接入信息技術(shù)（Information Technology，IT）和運(yùn)營技術(shù)（Operational Technology，OT）網(wǎng)絡(luò)，加快IT-OT網(wǎng)絡(luò)的融合，從而支撐現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)互通。

前端設(shè)備涉及人員和終端、生產(chǎn)設(shè)備、物料和半成品、資源和能源、環(huán)境和監(jiān)控、質(zhì)控和測量等，5G網(wǎng)絡(luò)與工廠現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的接入方式包括5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G客戶前置設(shè)備、內(nèi)置5G通信模組3種，可改造有線網(wǎng)絡(luò)、工廠總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備，其中5G多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）可以支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用調(diào)用5G網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)、分流等能力，并支持制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)機(jī)器視覺的部署。

在產(chǎn)線、車間、工廠3個層面分別部署邊緣計算節(jié)點，用于實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)。在產(chǎn)線部署邊緣控制器，可提升鋼管生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的采集與傳輸能力和智能化應(yīng)用的可控能力；在車間部署邊緣網(wǎng)關(guān)，可開展工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理，提升工業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

產(chǎn)線的典型加工設(shè)備及其控制軟件和管理系統(tǒng)采用云化部署,包括現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning，ERP）等。云化部署是在不同生產(chǎn)物流分支和物聯(lián)等場景下，將人、物、數(shù)據(jù)和應(yīng)用盡可能連接起來，然后在一個開放、安全、可靠的工業(yè)云平臺，借助云端管理實現(xiàn)資源的集中調(diào)度。其中，云端資源的開放意味著便捷高效共享的同時要具備高可靠性和安全性。結(jié)合鋼管生產(chǎn)實踐，可將產(chǎn)線上的機(jī)器人、PLC、SCADA、MES、機(jī)器視覺檢測平臺、企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)等安全上云，通過遠(yuǎn)程調(diào)用、資源共享、高算力性能可實現(xiàn)本地設(shè)備、系統(tǒng)的輕量化；此外，可以通過邊緣計算、人工智能等技術(shù)，在生產(chǎn)端就近提供智能化服務(wù)。

1.3 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)

1.3.1 鋼管生產(chǎn)過程的唯一標(biāo)識和識別技術(shù)

圖2是國內(nèi)某直縫鋼管廠生產(chǎn)加工示意圖，其中紅色框線的工序首次噴涂和補(bǔ)充噴涂二維碼。在鋼板上料和加工過程中主要采用固定掃描器或者工業(yè)相機(jī)拍攝二維碼，識別的鋼板標(biāo)識進(jìn)入MES系統(tǒng)。在預(yù)焊工序首次使用噴涂機(jī)器人噴涂二維碼，其中包含鋼板編號、鋼管唯一標(biāo)號（具有128位編碼）、噴涂機(jī)器人編號和加工時間、崗位編號等生產(chǎn)信息。分別在內(nèi)焊、外焊、1號射線探傷、機(jī)械擴(kuò)徑、擴(kuò)徑后橢圓度測量、水壓試驗、2號超聲波探傷、2號射線管端拍片、管端測量、稱重測長、鋼管噴標(biāo)、成品管進(jìn)入堆場等工序采用固定掃描器自動識別鋼管；而在1號超聲波探傷、補(bǔ)焊、火焰平頭管端切削、管端倒棱、2號手動探傷等工序使用手持掃描槍。在機(jī)械擴(kuò)徑、水壓試驗等工序易導(dǎo)致二維碼缺陷或丟失，需要重新噴涂二維碼。在水壓試驗工序，由于水汽和油污大，需采用高清晰工業(yè)相機(jī)連續(xù)拍照，利用計算機(jī)視覺技術(shù)識別二維碼；而在一些對火敏感的工序則采用磁性外殼的耐高溫抗金屬有源標(biāo)簽（2.4G）輔助標(biāo)識，采用高頻讀寫器接收鋼管號。所有識別鋼管編號的設(shè)備和噴涂設(shè)備均云化部署，并由云化的MES共同管理。

圖2 國內(nèi)某直縫鋼管廠生產(chǎn)加工示意圖

若在探傷和射線檢查或水壓試驗工序發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格的鋼管，要通過車間的天車將鋼管運(yùn)抵其他崗位或工序進(jìn)行修復(fù)，或經(jīng)鑒定是否報廢處理。天車裝有5G網(wǎng)關(guān)，可以與發(fā)現(xiàn)鋼管質(zhì)量不合格的工序上的MES終端，通過工業(yè)云平臺同步鋼管編號、掃描設(shè)備編號、工序編號等信息，天車按照指令運(yùn)行到鋼管所在工位上空，同時天車上的掃描設(shè)備識別鋼管號并發(fā)往車間邊緣服務(wù)器，與前面獲得的缺陷鋼管號信息進(jìn)行匹配以保障天車作業(yè)位置正確。以探傷工序上的缺陷鋼管為例，當(dāng)被修復(fù)的鋼管重新進(jìn)入加工隊列時，天車將識別的鋼管號發(fā)送到車間MES系統(tǒng)，此時車間將重新安排加工計劃和調(diào)度，修復(fù)鋼管的編號發(fā)送到探傷工序上的MES終端，與缺陷鋼管編號進(jìn)行匹配。然后，天車將按照指令把修復(fù)鋼管送到探傷工序位置，被修復(fù)鋼管將按照新的調(diào)度計劃重新進(jìn)行加工。這樣采用多種傳感器技術(shù)和多工序設(shè)置統(tǒng)一標(biāo)識可保障鋼管在生產(chǎn)過程中編號的唯一性，為后續(xù)鋼管質(zhì)量跟蹤和預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3.2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”組網(wǎng)和設(shè)備5G改造

考慮到鋼管廠存在向上級單位上傳重要生產(chǎn)信息的需求，采用5G切片技術(shù)定制部署適合該廠的網(wǎng)絡(luò)和邊緣云服務(wù)，同時保障用戶的安全。為實現(xiàn)鋼管生產(chǎn)物流過程的統(tǒng)一標(biāo)識和識別，需要在車間層面部署時延低、實時性好、穩(wěn)定性高、并發(fā)數(shù)高、安全優(yōu)化的現(xiàn)場工業(yè)MEC。以下對5G簡化組網(wǎng)、設(shè)備5G改造和兩類典型5G改造場景進(jìn)行簡單介紹。

簡化的5G融合組網(wǎng)。主要利用5G大帶寬特性接入IT網(wǎng)絡(luò)，同時利用5G低時延、高可靠的特性接入OT網(wǎng)絡(luò)，加快融合形成星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)建虛擬產(chǎn)線的5G融合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。其中，5G相當(dāng)于IT和OT的“融合載體”，可以克服傳統(tǒng)“兩層三級”ISA-95和車間OT 2-4級有線組網(wǎng)的傳輸效率低的缺陷。車間內(nèi)的原有現(xiàn)場設(shè)備通過加裝遠(yuǎn)程輸入輸出（Input/Output，I/O）模塊和5G移動終端可以直接接入5G融合組網(wǎng)，原有控制多設(shè)備協(xié)同工作的PLC（這里指主控PLC）或者被部署在車間的邊緣服務(wù)器端和MES一起工作，通過MES與被控設(shè)備的IO模塊進(jìn)行5G通信，或者將主控PLC進(jìn)行5G改造?？紤]減少PLC硬件設(shè)備和通信層級的需求，現(xiàn)場設(shè)備盡可能直接通過5G與主控PLC通信，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集等，滿足工藝優(yōu)化需求。同時，5G MEC自身具備邊緣計算服務(wù)能力，可以部署SCADA、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器等應(yīng)用，既能簡化設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的部署安裝，也能優(yōu)化分流點到應(yīng)用的路徑。在設(shè)備層一次性部署5G終端，滿足OT實時控制。這樣同一5G網(wǎng)絡(luò)下每個用戶設(shè)備組將同時支持實時及非實時業(yè)務(wù)流，實現(xiàn)實時及非實時通信。圖3為國內(nèi)某直縫鋼管廠5G改造生產(chǎn)線示意圖。

圖3 國內(nèi)某直縫鋼管廠5G改造生產(chǎn)和物流示意圖

廠區(qū)設(shè)備5G改造。鋼管廠的廠區(qū)升級改造要利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)，原有的數(shù)控機(jī)床、壓縮機(jī)、電動機(jī)、精密檢測、離心泵、噴涂設(shè)備和二維碼固定掃描器等設(shè)備可采用有線方式，必要時也可以加裝5G網(wǎng)關(guān)進(jìn)行改造；而叉車、天車、機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、除塵器、手持掃描槍等有移動需求的設(shè)備優(yōu)先采用5G方式。生產(chǎn)現(xiàn)場包括多種通信需求的生產(chǎn)業(yè)務(wù)流，通過5G網(wǎng)絡(luò)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（如視頻、聲音、高清晰圖片、海量的文字?jǐn)?shù)據(jù)、時延和可靠性要求較高的指令信息等）作為構(gòu)建虛擬產(chǎn)線的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如焊接工序有低速、大容量的電流電壓數(shù)據(jù)，水壓試驗或X射線探傷有大帶寬的視覺圖像與監(jiān)控視頻、類辦公業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)訪問業(yè)務(wù)等。從生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備來看，存在同一設(shè)備同時連接多種不同業(yè)務(wù)的需求，如噴涂機(jī)器人控制器需要訪問主控PLC的同時分析半成品質(zhì)量數(shù)據(jù)。在終端、設(shè)備、物料、成品等進(jìn)行5G聯(lián)網(wǎng)后，便可通過人工輸入、系統(tǒng)導(dǎo)入、自動感知、設(shè)備讀取、視頻采集、系統(tǒng)生成等方式采集各類生產(chǎn)運(yùn)營管理所需的數(shù)據(jù)（如研發(fā)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)等）。

兩類典型5G改造場景包括多工位共享人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）和云化PLC。

多工位共享HMI：產(chǎn)線的預(yù)焊、內(nèi)焊、外焊和補(bǔ)焊由于在不同工序上，且受操作視野或者物料設(shè)備堆放對無線信號的影響，通常在各自獨(dú)立的生產(chǎn)安全區(qū)均安裝一個HMI，執(zhí)行本工位的安全操作（如急停、使能按鈕等）。圖4展現(xiàn)了5G超高可靠和超低時延通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）改造前后的HMI應(yīng)用場景。常規(guī)的工業(yè)無線無法解決多工位共用一個HMI實時安全信號的可靠性要求，5G支撐的無線方式能提供可靠安全信號傳輸，在多個工序上共用一個HMI，預(yù)計減少HMI數(shù)量近75%，如將原來距離較近的幾個焊接工序上的HMI合成一個，不僅增加了HMI的可靠工作范圍，而且能夠降本增效。

圖4 5G URLLC改造前后的HMI應(yīng)用場景

云化PLC：產(chǎn)線的機(jī)器人、水壓試驗、噴涂打碼、激光打碼、管端測量、成品稱重、成品在堆場的碼垛等，都會利用到云化PLC。傳統(tǒng)通信方式中，這些設(shè)備必須通過網(wǎng)線與PLC進(jìn)行連接，網(wǎng)線布線繁瑣、磨損高，同時生產(chǎn)過程中需要采集的壓力、焊接電流、鋼板材料化學(xué)成分等參數(shù)也需要使用專用傳感器連接網(wǎng)線后上報到PLC才能進(jìn)行反饋控制，組網(wǎng)架構(gòu)成多級化。如圖5所示，云化PLC方式通過加裝5G通訊網(wǎng)關(guān)將Modbus、Ethernet等通用PLC協(xié)議轉(zhuǎn)換為5G通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，借助5G網(wǎng)絡(luò)提供高速的數(shù)據(jù)通道打通云端與電焊機(jī)器人、激光機(jī)器人、檢測裝置等設(shè)備的通訊，可實現(xiàn)工控設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)邊緣計算處理、遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)等。

圖5 云化PLC示意圖

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的組網(wǎng)架構(gòu)趨于扁平化，利用5G URLLC的低時延特性可實現(xiàn)車間各生產(chǎn)線、各類生產(chǎn)設(shè)備之間的無線柔性連接，降低了傳統(tǒng)通信中數(shù)據(jù)采集的丟包率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集從有線到無線、本地到云端的轉(zhuǎn)化。

1.3.3 鋼管生產(chǎn)過程數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化方式處理物理對象，提供了物理對象的全息映射、虛擬空間和交互操作 。利用三維模型模擬鋼管產(chǎn)線設(shè)備與車間在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，對鋼管的設(shè)計、工藝、制造、物流乃至整個工廠進(jìn)行虛擬仿真，實現(xiàn)產(chǎn)線及其狀態(tài)的實時映射，同時融合生產(chǎn)、質(zhì)量、物流和設(shè)備等任務(wù)的報警信息，進(jìn)行實時可視化智能監(jiān)控 。

建立虛擬的鋼管產(chǎn)線要用到鋼管設(shè)計和工藝加工模型、基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的生產(chǎn)車間模型、設(shè)備的三維模型以及相互融合形成的數(shù)字孿生底座。通常包括以下步驟。

首先，針對鋼管生產(chǎn)過程、堆場出入庫以及存放管理涉及到的典型工位（如焊接、水壓試驗、堆場分區(qū)等）設(shè)備的物理組成、功用、特點和區(qū)域環(huán)境，建立三維模型。按照數(shù)字孿生的國際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，為三維模型分離可運(yùn)動部件、配置接口等。將直縫鋼管成型工藝設(shè)備的三維模型搭建成仿真虛擬產(chǎn)線，實現(xiàn)真實生產(chǎn)線和虛擬生產(chǎn)線一一對應(yīng)。

其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，利用本文設(shè)計的云化PLC的5G改造方式驅(qū)動真實的生產(chǎn)設(shè)備，讀取生產(chǎn)數(shù)據(jù)并傳遞到虛擬生產(chǎn)線，為典型工位設(shè)計數(shù)據(jù)流向和操作行為流程。利用設(shè)備采集的數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬環(huán)境下相應(yīng)的設(shè)備模型進(jìn)行同樣的既定動作，實現(xiàn)真實設(shè)備與虛擬設(shè)備實時聯(lián)動，便能實現(xiàn)真實生產(chǎn)線的實時監(jiān)控。

再次，利用每個工位現(xiàn)有的MES終端，融合該工位設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)警；使用基于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層OPC UA協(xié)議，讓MES終端與云化PLC進(jìn)行交互，云化PLC通常和SCADA系統(tǒng)同步部署并且信息同步。虛擬產(chǎn)線已經(jīng)同步并兼容SCADA的故障呈現(xiàn)功能，這樣報警信息傳到虛擬產(chǎn)線中，在相應(yīng)的虛擬三維模型上呈現(xiàn)報警信息，由于接受同一工位處的設(shè)備故障信息，故分別在MES終端、包含車間的SCADA系統(tǒng)故障呈現(xiàn)功能的虛擬生產(chǎn)線以及廠區(qū)端的MES系統(tǒng)上報警。從而證明虛擬生產(chǎn)線與實際生產(chǎn)線的一致性，實現(xiàn)數(shù)字孿生。

最后，廠區(qū)端MES系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)，虛擬產(chǎn)線接收該任務(wù)，可利用虛擬產(chǎn)線上的工位模擬終端，遠(yuǎn)程啟動該工位的任務(wù)。通過云化PLC和指定工位上的設(shè)備底層PLC進(jìn)行通信執(zhí)行任務(wù)。同時該任務(wù)也顯示在指定工位的MES終端上，虛擬產(chǎn)線按照前述步驟讀取數(shù)據(jù)更新指定工位的加工狀況和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。最終虛擬產(chǎn)線和真實工位被下達(dá)的任務(wù)同步影響，而虛擬產(chǎn)線同步反應(yīng)真實產(chǎn)線的狀態(tài)，并可以控制工位的動作。

2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”虛擬鋼管生產(chǎn)應(yīng)用效果

在鋼管生產(chǎn)和物流應(yīng)用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”并融合數(shù)字孿生將加快生產(chǎn)和管理的智能化。本文以集成技術(shù)應(yīng)用效果的中等口徑鋼管進(jìn)行測試。

2.1 堆場原材料/成品管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)可視化管理原材料進(jìn)出場及調(diào)度生產(chǎn)成品發(fā)貨運(yùn)輸?shù)取６褕龉芾砣藛T在辦公室便能隨時了解堆場內(nèi)的鋼板、鋼管的數(shù)量變化。系統(tǒng)提供某一時段內(nèi)不同區(qū)域鋼板的使用、鋼管的發(fā)貨以及利用率，整體上鋼板上料節(jié)省30%的時間，鋼管發(fā)貨時間縮短近50%，堆場的利用率大大提高。通過評估預(yù)測來優(yōu)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率平均提高約10%。

2.2 虛擬鋼管生產(chǎn)線管理系統(tǒng)

鋼管虛擬產(chǎn)線模擬了鋼板沖壓成型的生產(chǎn)過程，包含工序的輔助設(shè)備、天車模型和運(yùn)輸規(guī)則等。虛擬產(chǎn)線導(dǎo)入工藝圖紙和數(shù)據(jù)從而還原真實車間，物理車間與虛擬產(chǎn)線共同積累生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高效集約生產(chǎn)控制，產(chǎn)線集控指數(shù)大大提高，優(yōu)化人員比例在25%左右。

2.3 鋼管成品缺陷評審協(xié)同系統(tǒng)

鋼管的外觀尺寸和缺陷檢測組合形成可視化評審協(xié)同系統(tǒng)，車間負(fù)責(zé)人可以直觀地看到產(chǎn)線上的多個質(zhì)量檢測缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，質(zhì)量修磨降級率降低50%。

3 結(jié)束語

本文提出了基于“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和數(shù)字孿生的鋼管生產(chǎn)線的頂層設(shè)計，設(shè)計了直縫埋弧焊管全生命周期的統(tǒng)一識別方案，利用5G組網(wǎng)方式改造鋼管的生產(chǎn)車間和物流堆場，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全面數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計了鋼管的虛擬產(chǎn)線和物流堆場，最后在實際應(yīng)用場景，以物流堆場原材料/成品管理系統(tǒng)、虛擬鋼管生產(chǎn)線管理系統(tǒng)以及鋼管成品缺陷評審協(xié)同系統(tǒng)為例說明了虛擬生產(chǎn)線集成技術(shù)的應(yīng)用價值。基于“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的虛擬生產(chǎn)線融合應(yīng)用場景為裝備制造行業(yè)的智能化提升和應(yīng)用提供了新思路，具有參考價值。

本文刊于《信息通信技術(shù)與政策》2023年 第11期

審核編輯：湯梓紅