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★漢威廣園（廣州）機械設(shè)備有限公司陳磊

1　目標(biāo)和概述

鋼鐵工業(yè)棒線材生產(chǎn)線（線材、棒材）所轄高技術(shù)、高性能設(shè)備較多，具有生產(chǎn)節(jié)奏快、工序連續(xù)性強、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工況復(fù)雜等特點，設(shè)備一旦突發(fā)故障停機，會直接造成較大的生產(chǎn)效益損失，給企業(yè)的高效生產(chǎn)帶來嚴重挑戰(zhàn)。

通過構(gòu)建棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，以“數(shù)據(jù)驅(qū)動工業(yè)服務(wù)”的創(chuàng)新應(yīng)用解決方案，建立精準、實時、高效的數(shù)據(jù)互聯(lián)體系，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。平臺系統(tǒng)基于設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析，以“產(chǎn)線級”數(shù)字孿生3D可視化的方式呈現(xiàn)，便于判別設(shè)備異常，監(jiān)控和掌握設(shè)備狀況，社會資源通過系統(tǒng)向鋼鐵客戶彈性提供人和料等制造資源，實現(xiàn)高效配置，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。最終形成資源豐富、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的重工業(yè)新生態(tài)。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)項目利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生技術(shù)，集成各家在線監(jiān)測系統(tǒng)之所長，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，通過實時采集設(shè)備運行過程中的振動、油液、溫度、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，建立多維度的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化功能，利用數(shù)據(jù)和信息分析進行有效的判斷和決策，以“產(chǎn)線級”數(shù)字孿生3D可視化的方式呈現(xiàn)，便于判別設(shè)備異常，準確預(yù)測出設(shè)備隱患，根據(jù)運行狀態(tài)，安排檢修計劃，達到了提升生產(chǎn)設(shè)備使用效率同時有效避免惡性事故發(fā)生的目的，具有國際先進的運維水平。

本系統(tǒng)在設(shè)備預(yù)測性維護方面，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)及AI技術(shù)，通過數(shù)據(jù)分析，達到識別故障來源，確定故障程度的目的。對振動數(shù)據(jù)方面，利用趨勢分析、時域波形、包絡(luò)解調(diào)、頻譜分析、波形再處理、瀑布圖、多時域/多頻域分析、倒譜分析、測點趨勢圖分析等多種信號處理手段，診斷設(shè)備故障的部位、損壞形式和嚴重程度。通過業(yè)務(wù)與平臺系統(tǒng)實時對接、業(yè)務(wù)模型實時回溯調(diào)整，形成了主動預(yù)測、結(jié)果研判，實現(xiàn)智能算法設(shè)備報錯，設(shè)備殘余壽命計算等。為設(shè)備檢修、運行保證、維修計劃等工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。提高設(shè)備的安全運行周期、節(jié)約檢修成本，避免突發(fā)故障和事故。

2　方案介紹

通過構(gòu)建棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，建立精準、實時、高效的數(shù)據(jù)互聯(lián)體系，以“數(shù)據(jù)驅(qū)動工業(yè)服務(wù)”的創(chuàng)新應(yīng)用解決方案，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。運維系統(tǒng)利用在線監(jiān)測與分析儀器，采集振動、溫度、油液、電流等信號數(shù)據(jù)，對異常狀態(tài)及時做出報警，為進一步的故障分析、性能評估等提供信息和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基于設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析，以“產(chǎn)線級”數(shù)字孿生3D可視化的方式呈現(xiàn)，便于判別設(shè)備異常，監(jiān)控和掌握設(shè)備狀況，社會資源通過系統(tǒng)向鋼鐵客戶彈性提供人和料等制造資源，實現(xiàn)高效配置，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。最終形成資源豐富、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的重工業(yè)新生態(tài)。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)是以“數(shù)據(jù)驅(qū)動工業(yè)服務(wù)”的一站式“互聯(lián)網(wǎng)+”設(shè)備綜合服務(wù)平臺系統(tǒng)，致力于設(shè)備全生命周期服務(wù)。系統(tǒng)采用“一端采集，四方共享；設(shè)備數(shù)據(jù)共享，商業(yè)數(shù)據(jù)隔離”的軟件架構(gòu)，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集端→設(shè)備使用企業(yè)→設(shè)備服務(wù)方→設(shè)備制造方→平臺運營商”的全數(shù)字化打通。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)作為產(chǎn)業(yè)級互聯(lián)網(wǎng)平臺，兼具聚焦和普適雙重特性，面對行業(yè)需解決的設(shè)備難點、痛點問題以及不同需求，為鋼鐵冶金行業(yè)的用戶提供棒線材設(shè)備個性化定制服務(wù)模式，依托運維系統(tǒng)，為上下游用戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新服務(wù)。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-產(chǎn)線級）如圖1所示。

圖1 棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-產(chǎn)線級）

2.1　業(yè)務(wù)架構(gòu)

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)項目利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生技術(shù)，集成各家在線監(jiān)測系統(tǒng)之所長，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，通過實時采集設(shè)備運行過程中的振動、油液、溫度、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，建立多維度的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化功能，利用數(shù)據(jù)和信息分析進行有效的判斷和決策，以“產(chǎn)線級”數(shù)字孿生3D可視化的方式呈現(xiàn)，便于判別設(shè)備異常，準確預(yù)測出設(shè)備隱患，根據(jù)運行狀態(tài)，安排檢修計劃，達到了提升生產(chǎn)設(shè)備使用效率同時有效避免惡性事故發(fā)生的目的，具有國際先進的運維水平。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)推出針對客戶痛點問題的工業(yè)服務(wù)應(yīng)用，集合人力、物力、財力等生產(chǎn)要素，扁平化組織縮小管理時空，增強應(yīng)變能力，便于鋼鐵企業(yè)對設(shè)備進行高效管理。在鋼鐵工業(yè)客戶內(nèi)部，實現(xiàn)從車間到?jīng)Q策層的縱向互聯(lián)；在企業(yè)間，實現(xiàn)上下游企業(yè)（供應(yīng)商、經(jīng)銷商、服務(wù)商、行業(yè)專家、合作伙伴）之間的橫向互聯(lián)；從產(chǎn)品生命周期的維度，實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、制造到服役，再到報廢回收再利用整個生命周期的互聯(lián)。棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)功能模塊

2.2　核心技術(shù)

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)在設(shè)備預(yù)測性維護方面，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)及AI技術(shù)，通過業(yè)務(wù)與平臺實時對接、業(yè)務(wù)模型實時回溯調(diào)整，形成了主動預(yù)測、結(jié)果研判，實現(xiàn)智能算法設(shè)備報錯，設(shè)備殘余壽命計算等。為設(shè)備檢修、運行保證、維修計劃等工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。提高設(shè)備的安全運行周期、節(jié)約檢修成本，避免突發(fā)故障和事故。

技術(shù)原理和研發(fā)情況如下：

（1）在線監(jiān)測：進行數(shù)據(jù)采集，故障分析和數(shù)據(jù)管理。建立覆蓋實施對象的關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵故障形式的在線監(jiān)測系統(tǒng)。收集完整的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，建立運行檔案。綜合運用振動、油液、電流、溫度等數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，及時了解設(shè)備運行狀態(tài)，把握運行周期的劣化趨勢。系統(tǒng)自帶的信號處理技術(shù)和數(shù)據(jù)處理功能，將原始振動波形處理成為振幅頻譜圖，再處理、包絡(luò)解調(diào)、倒譜等功能可以濾去特定頻率或者頻段波形。

振動有線采集站，技術(shù)要求：傳感器驅(qū)動電流4mA/24V，輸入阻抗≥220kΩ，頻率范圍最高40kHz，AD采樣位數(shù)16位或以上，存儲標(biāo)配256M或以上，有線以太網(wǎng)TCP/IP，10/100baseT，光纖（可選），通信RS485，最大2路，可支持油液傳感器,傾角傳感器的接入.可選輸入電壓220VAC±20%，50~60Hz（可定制）或12~24VDC具備抗電磁干擾能力。

（2）故障診斷：通過數(shù)據(jù)分析，達到識別故障來源、確定故障程度的目的。對振動數(shù)據(jù)方面，如趨勢分析、時域波形、包絡(luò)解調(diào)、頻譜分析、波形再處理、瀑布圖、多時域/多頻域分析、倒譜分析，測點趨勢圖分析等多種信號處理手段，診斷設(shè)備故障的部位、損壞形式和嚴重程度。設(shè)備在某一運行狀態(tài)下，各種故障類型（例如：不平衡故障，軸承故障，齒輪嚙合不良，油膜渦動等）均對應(yīng)特定振動頻率，在振動頻譜圖可以確定設(shè)備故障來源；不同故障來源均有其故障初期、中期及后期典型圖譜，與設(shè)備振動圖譜對比可以判斷故障發(fā)展程度。棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-振動圖譜分析）如圖3、圖4所示。

圖3 棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-振動圖譜分析1）

圖4 棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-振動圖譜分析2）

（3）數(shù)字孿生：將現(xiàn)場設(shè)備通過3D建模（如圖5所示），以數(shù)字孿生的手段將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)同步在Web、APP，如果振動強度超出預(yù)警值，則以不同的顏色標(biāo)示出來。用戶可直觀、及早發(fā)現(xiàn)故障劣化趨勢，實現(xiàn)及時維護處理，保證整線的正常運作。該數(shù)字孿生是將人工智能、大數(shù)據(jù)等新的計算能力進行數(shù)據(jù)處理任務(wù)，以數(shù)據(jù)、模型為主要元素構(gòu)建的基于模型的系統(tǒng)工程，依靠包括仿真、實測、數(shù)據(jù)分析在內(nèi)的手段對物理實體狀態(tài)進行感知、診斷和預(yù)測，進而優(yōu)化物理實體，同時進化自身的數(shù)字模型。

圖5 多維動態(tài)建模

本項目系統(tǒng)使用數(shù)字孿生技術(shù)，在整個產(chǎn)品生命周期中仿真、預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品與生產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)合多物理場仿真、數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)功能。最終，棒線材生產(chǎn)線以數(shù)字孿生3D可視化的方式展現(xiàn)“產(chǎn)線級”“設(shè)備級”，在設(shè)備級中內(nèi)部結(jié)構(gòu)健康狀況清晰可見，無限趨真。

2.3　領(lǐng)先性及創(chuàng)新點

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)通過輸入、輸出和所封裝的關(guān)鍵技術(shù)及運用數(shù)字孿生技術(shù)，對設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)和外形的三維建模，應(yīng)用軟件與控制算法等信息進行全數(shù)字化的建模技術(shù)結(jié)合多物理場仿真、數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)設(shè)備以3D可視化方式呈現(xiàn)（如圖6、圖7所示），平臺基于海量設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析，在設(shè)備運行周期中仿真、預(yù)測設(shè)備缺陷，對異常狀態(tài)及時做出報警，為進一步的故障分析、性能評估等提供信息和數(shù)據(jù)。3D可視化模塊的建成，能實時監(jiān)測設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的可視化瀏覽，清晰完整地展現(xiàn)整臺設(shè)備狀況。便于設(shè)備管理人員及時發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，以便采取相應(yīng)的措施，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。

圖6 棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-設(shè)備級1）

圖7 棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)（Web界面-設(shè)備級2）

通過構(gòu)建棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，建立精準、實時、高效的數(shù)據(jù)互聯(lián)體系，不斷研究與開發(fā)創(chuàng)新應(yīng)用解決方案，建設(shè)面向工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、分析、管理的應(yīng)用環(huán)境，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標(biāo)準化、軟件化、復(fù)用化，不斷優(yōu)化設(shè)備的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運行與維修、運營管理、人料供需交易等資源配置效率。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，具有泛在連接、云化服務(wù)、知識積累的三大特征。（1）泛在連接。即具備對設(shè)備、軟件、人員等各類生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)的全面采集能力。（2）云化服務(wù)。即實現(xiàn)基于云計算架構(gòu)的海量數(shù)據(jù)存儲、管理和計算。（3）知識積累。即能夠提供基于工業(yè)知識機理的數(shù)據(jù)分析能力，并實現(xiàn)知識的固化、積累和復(fù)用。

3　代表性及推廣價值

智能制造作為一種快速提升生產(chǎn)的高品質(zhì)、高質(zhì)量、高服務(wù)的制造方式，是所有工業(yè)企業(yè)所追求的一種最優(yōu)生產(chǎn)組織模式。設(shè)備智能運維技術(shù)是“智能化”生產(chǎn)的重點成果，可實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、低勞動力的要求，將極大提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，提升企業(yè)的競爭力。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)在盛隆冶金、華菱湘鋼等大型鋼鐵企業(yè)落地，不僅賦予了智能制造新的內(nèi)涵，而且通過數(shù)字孿生生產(chǎn)線的標(biāo)桿示范作用，為推進行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和打造智慧鋼鐵注入了新動能。因此作為產(chǎn)業(yè)級互聯(lián)網(wǎng)平臺—棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)，具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景，具有顯著的社會效益。

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)變化和業(yè)務(wù)需求，通過數(shù)據(jù)分析達到識別故障來源，確定故障程度的目的，及早安排人和料消除設(shè)備缺陷，提高生產(chǎn)線運行效率和輔助管理決策，助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3.1　經(jīng)濟效益

通過棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)解決方案的落地實施，為棒線材設(shè)備檢修、運行保證、維修計劃等工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。提高設(shè)備的安全運行周期、節(jié)約檢修成本，避免突發(fā)故障和事故。

（1）減少故障損失。通過運維系統(tǒng)自動化故障檢測和預(yù)警功能，自動判斷設(shè)備在運行過程中存在哪些隱患，以3D可視化的方式，輔助其找到故障原因并分析，便于發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，減少誤判問題的概率，以便采取相應(yīng)的措施，快速消除故障，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生，實現(xiàn)高效的運維環(huán)境。

（2）降低維修費用。通過系統(tǒng)對設(shè)備異常運行狀態(tài)的實時分析，揭示故障的原因、程度、部位，為設(shè)備的在線調(diào)理、停機檢修提供科學(xué)依據(jù)，延長運行周期，降低修護費用。

（3）完善企業(yè)信息化建設(shè)，消除數(shù)據(jù)孤島。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)化，實時查看設(shè)備運行動態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可留存和追溯。打通企業(yè)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通道，將多類型設(shè)備信息和參數(shù)統(tǒng)一保存和管理。將傳統(tǒng)的人工記錄、紙質(zhì)表單、簽字審批等流程轉(zhuǎn)換為線上系統(tǒng)流程化管理，形成可追溯記錄。

3.2　社會效益

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)的有效運行帶來的社會效益，主要有以下方面：

（1）面向社會化生產(chǎn)的資源優(yōu)化配置與協(xié)同

運維系統(tǒng)可以實現(xiàn)制造企業(yè)與外部用戶需求、創(chuàng)新資源、生產(chǎn)能力的全面對接，推動設(shè)計、制造、供應(yīng)和服務(wù)環(huán)節(jié)的并行組織和協(xié)同優(yōu)化。

在協(xié)同制造場景中，平臺通過有效集成不同制造企業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)及供應(yīng)鏈企業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)供應(yīng)、生產(chǎn)、維保的并行實施，大幅改善產(chǎn)品供應(yīng)與維護狀態(tài)，降低成本的同時，保障了設(shè)備功能與精度。

在制造能力交易場景中，工業(yè)企業(yè)通過平臺對外開放空閑制造能力，實現(xiàn)制造能力的在線租用和利益分配。

在個性化定制場景中，平臺實現(xiàn)企業(yè)與用戶的無縫對接，形成滿足用戶需求的個性化定制方案，提升產(chǎn)品價值，增強用戶粘性。

（2）面向產(chǎn)品全生命周期的管理與服務(wù)優(yōu)化

棒線材設(shè)備數(shù)字孿生運維系統(tǒng)可以將產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、運行和服務(wù)數(shù)據(jù)進行全面集成，以全生命周期可追溯為基礎(chǔ)，在設(shè)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)可制造預(yù)測，在使用環(huán)節(jié)實現(xiàn)健康管理，并通過生產(chǎn)與使用數(shù)據(jù)的反饋改進產(chǎn)品設(shè)計。

在產(chǎn)品溯源場景中，平臺借助標(biāo)識技術(shù)記錄設(shè)備、物流、服務(wù)等各類信息，綜合形成產(chǎn)品檔案，為全生命周期管理應(yīng)用提供支撐。

在產(chǎn)品與裝備遠程預(yù)測性維護場景中，將產(chǎn)品與裝備的實時運行數(shù)據(jù)與其設(shè)計數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、歷史維護數(shù)據(jù)進行融合，提供運行決策和維護建議，實現(xiàn)設(shè)備故障的提前預(yù)警、遠程維護等設(shè)備健康管理應(yīng)用。

在產(chǎn)品設(shè)計反饋優(yōu)化場景中，平臺可以將產(chǎn)品運行和用戶使用行為數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計和制造階段，從而改進設(shè)計方案，加速創(chuàng)新迭代。

摘自《自動化博覽》2023年9月刊