“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(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑。首先設(shè)計(jì)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(shí)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。

　　關(guān)鍵詞：“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”;數(shù)字孿生;直縫鋼管生產(chǎn);二維碼噴涂;射頻識(shí)別技術(shù)

　　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(diǎn),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(dòng)化程度高、生產(chǎn)成本低，適合用于5G全連接工廠的試點(diǎn)工作。為實(shí)現(xiàn)智能制造、虛擬工廠等目標(biāo)，突破的重點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和物流的框架設(shè)計(jì)，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(shí)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(yàn)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(diǎn)焊機(jī)器人;噴標(biāo)工序有噴涂機(jī)器人;自動(dòng)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(yàn)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(yàn)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(dòng)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(gè)工序(近30 個(gè))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(dòng)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(shí)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[1]等利用可遠(yuǎn)距離快速識(shí)別標(biāo)簽的射頻識(shí)別技術(shù)自動(dòng)讀取鋼管管號(hào)，總體效果良好。王文娟[2]等證明了二維碼標(biāo)識(shí)面在磨損、劃傷以及銹蝕等情況下，其識(shí)別功能與識(shí)別效率都受到了影響。劉榮[3]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。柯巍[4]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[5]采用二維碼對零部件進(jìn)行標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了裝配數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程可視化。

　　龔敏[6]應(yīng)用建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)模擬各工序,同時(shí)結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了虛擬加工過程，實(shí)現(xiàn)了向施工最前線傳遞信息的可視化。王振聲[7]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[8]等分析了數(shù)字孿生與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)融合驅(qū)動(dòng)的地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全評價(jià)方法，可為提升現(xiàn)場即時(shí)處置能力提供技術(shù)支持。陳繼文[9]等探討了基于數(shù)字孿生技術(shù)的檢測方法，可有效實(shí)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(hào)射頻識(shí)別技術(shù)可分為無源射頻識(shí)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(shí)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(dòng)識(shí)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(yàn)過程中大量水汽導(dǎo)致識(shí)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(hào)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(shí)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(shí)互動(dòng)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(gè)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(jì)

　　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(tái)、安全等體系，基礎(chǔ)設(shè)施將形成“云—邊—端”架構(gòu)(見圖1)。

　　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(jì)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(gè)層面分別部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)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(jì)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(gè)開放、安全、可靠的工業(yè)云平臺(tái)，借助云端管理實(shí)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(shí)要具備高可靠性和安全性。結(jié)合鋼管生產(chǎn)實(shí)踐，可將產(chǎn)線上的機(jī)器人、PLC、SCADA、MES、機(jī)器視覺檢測平臺(tái)、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(shí)現(xiàn)本地設(shè)備、系統(tǒng)的輕量化;此外，可以通過邊緣計(jì)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(shí)和識(shí)別技術(shù)

　　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(shí)別的鋼板標(biāo)識(shí)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(hào)、鋼管唯一標(biāo)號(hào)(具有128位編碼)、噴涂機(jī)器人編號(hào)和加工時(shí)間、崗位編號(hào)等生產(chǎn)信息。分別在內(nèi)焊、外焊、1號(hào)射線探傷、機(jī)械擴(kuò)徑、擴(kuò)徑后橢圓度測量、水壓試驗(yàn)、2號(hào)超聲波探傷、2號(hào)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(dòng)識(shí)別鋼管;而在1號(hào)超聲波探傷、補(bǔ)焊、火焰平頭管端切削、管端倒棱、2號(hào)手動(dòng)探傷等工序使用手持掃描槍。在機(jī)械擴(kuò)徑、水壓試驗(yàn)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(yàn)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(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)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(shí)，采用高頻讀寫器接收鋼管號(hào)。所有識(shí)別鋼管編號(hào)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。

　　若在探傷和射線檢查或水壓試驗(yàn)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(bào)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(tái)同步鋼管編號(hào)、掃描設(shè)備編號(hào)、工序編號(hào)等信息，天車按照指令運(yùn)行到鋼管所在工位上空，同時(shí)天車上的掃描設(shè)備識(shí)別鋼管號(hào)并發(fā)往車間邊緣服務(wù)器，與前面獲得的缺陷鋼管號(hào)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(duì)列時(shí)，天車將識(shí)別的鋼管號(hào)發(fā)送到車間MES系統(tǒng)，此時(shí)車間將重新安排加工計(jì)劃和調(diào)度，修復(fù)鋼管的編號(hào)發(fā)送到探傷工序上的MES終端，與缺陷鋼管編號(hào)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(jì)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(shí)可保障鋼管在生產(chǎn)過程中編號(hào)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(shí)保障用戶的安全。為實(shí)現(xiàn)鋼管生產(chǎn)物流過程的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和識(shí)別，需要在車間層面部署時(shí)延低、實(shí)時(shí)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[10-12]。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(shí)利用5G低時(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等，滿足工藝優(yōu)化需求。同時(shí)，5G MEC自身具備邊緣計(jì)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(diǎn)到應(yīng)用的路徑。在設(shè)備層一次性部署5G終端，滿足OT實(shí)時(shí)控制。這樣同一5G網(wǎng)絡(luò)下每個(gè)用戶設(shè)備組將同時(shí)支持實(shí)時(shí)及非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)及非實(shí)時(shí)通信。

　　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(dòng)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(shí)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(dòng)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、海量的文字?jǐn)?shù)據(jù)、時(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)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(dòng)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(hào)的影響，通常在各自獨(dú)立的生產(chǎn)安全區(qū)均安裝一個(gè)HMI，執(zhí)行本工位的安全操作(如急停、使能按鈕等)。展現(xiàn)了5G超高可靠和超低時(shí)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(gè)HMI實(shí)時(shí)安全信號(hào)的可靠性要求，5G支撐的無線方式能提供可靠安全信號(hào)傳輸，在多個(gè)工序上共用一個(gè)HMI，預(yù)計(jì)減少HMI數(shù)量近75%，如將原來距離較近的幾個(gè)焊接工序上的HMI合成一個(gè)，不僅增加了HMI的可靠工作范圍，而且能夠降本增效。

　　云化PLC：產(chǎn)線的機(jī)器人、水壓試驗(yàn)、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(huì)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(shí)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(bào)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(shí)現(xiàn)工控設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算處理、遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)等。

　　“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(shí)延特性可實(shí)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(shí)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[13]。利用三維模型模擬鋼管產(chǎn)線設(shè)備與車間在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對鋼管的設(shè)計(jì)、工藝、制造、物流乃至整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線及其狀態(tài)的實(shí)時(shí)映射，同時(shí)融合生產(chǎn)、質(zhì)量、物流和設(shè)備等任務(wù)的報(bào)警信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化智能監(jiān)控[12]。

　　建立虛擬的鋼管產(chǎn)線要用到鋼管設(shè)計(jì)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(yàn)、堆場分區(qū)等)設(shè)備的物理組成、功用、特點(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)真實(shí)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(jì)的云化PLC的5G改造方式驅(qū)動(dòng)真實(shí)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(jì)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(dòng)虛擬環(huán)境下相應(yīng)的設(shè)備模型進(jìn)行同樣的既定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)真實(shí)設(shè)備與虛擬設(shè)備實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，便能實(shí)現(xiàn)真實(shí)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　再次，利用每個(gè)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(bào)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(bào)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(bào)警。從而證明虛擬生產(chǎn)線與實(shí)際生產(chǎn)線的一致性，實(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)產(chǎn)線的狀態(tài)，并可以控制工位的動(dòng)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)?如圖6所示)。堆場管理人員在辦公室便能隨時(shí)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(shí)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(shí)間，鋼管發(fā)貨時(shí)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(shí)車間，物理車間與虛擬產(chǎn)線共同積累生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)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(gè)質(zhì)量檢測缺陷統(tǒng)計(jì)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(jì)，設(shè)計(jì)了直縫埋弧焊管全生命周期的統(tǒng)一識(shí)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(jì)了鋼管的虛擬產(chǎn)線和物流堆場，最后在實(shí)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(jià)值?；凇?G+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(jià)值。