★漢威廣園（廣州）機械設備有限公司陳磊

1　目標和概述

鋼鐵工業(yè)棒線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)（線(xiàn)材、棒材）所轄高技術(shù)、高性能設備較多，具有生產(chǎn)節奏快、工序連續性強、設備結構及工況復雜等特點(diǎn)，設備一旦突發(fā)故障停機，會(huì )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(lái)嚴重挑戰。

通過(guò)構建棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，以“數據驅動(dòng)工業(yè)服務(wù)”的創(chuàng )新應用解決方案，建立精準、實(shí)時(shí)、高效的數據互聯(lián)體系，實(shí)現設備全生命周期管理。平臺系統基于設備運行狀態(tài)數據的采集、匯聚、分析，以“產(chǎn)線(xiàn)級”數字孿生3D可視化的方式呈現，便于判別設備異常，監控和掌握設備狀況，社會(huì )資源通過(guò)系統向鋼鐵客戶(hù)彈性提供人和料等制造資源，實(shí)現高效配置，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(yíng)、協(xié)同演進(jìn)的重工業(yè)新生態(tài)。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統項目利用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、數字孿生技術(shù)，集成各家在線(xiàn)監測系統之所長(cháng)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，通過(guò)實(shí)時(shí)采集設備運行過(guò)程中的振動(dòng)、油液、溫度、電流、轉速等數據，建立多維度的數據分析與優(yōu)化功能，利用數據和信息分析進(jìn)行有效的判斷和決策，以“產(chǎn)線(xiàn)級”數字孿生3D可視化的方式呈現，便于判別設備異常，準確預測出設備隱患，根據運行狀態(tài)，安排檢修計劃，達到了提升生產(chǎn)設備使用效率同時(shí)有效避免惡性事故發(fā)生的目的，具有國際先進(jìn)的運維水平。

本系統在設備預測性維護方面，基于工業(yè)大數據及AI技術(shù)，通過(guò)數據分析，達到識別故障來(lái)源，確定故障程度的目的。對振動(dòng)數據方面，利用趨勢分析、時(shí)域波形、包絡(luò )解調、頻譜分析、波形再處理、瀑布圖、多時(shí)域/多頻域分析、倒譜分析、測點(diǎn)趨勢圖分析等多種信號處理手段，診斷設備故障的部位、損壞形式和嚴重程度。通過(guò)業(yè)務(wù)與平臺系統實(shí)時(shí)對接、業(yè)務(wù)模型實(shí)時(shí)回溯調整，形成了主動(dòng)預測、結果研判，實(shí)現智能算法設備報錯，設備殘余壽命計算等。為設備檢修、運行保證、維修計劃等工作提供有力的數據支持。提高設備的安全運行周期、節約檢修成本，避免突發(fā)故障和事故。

2　方案介紹

通過(guò)構建棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，建立精準、實(shí)時(shí)、高效的數據互聯(lián)體系，以“數據驅動(dòng)工業(yè)服務(wù)”的創(chuàng )新應用解決方案，實(shí)現設備全生命周期管理。運維系統利用在線(xiàn)監測與分析儀器，采集振動(dòng)、溫度、油液、電流等信號數據，對異常狀態(tài)及時(shí)做出報警，為進(jìn)一步的故障分析、性能評估等提供信息和數據。系統基于設備運行狀態(tài)數據的采集、匯聚、分析，以“產(chǎn)線(xiàn)級”數字孿生3D可視化的方式呈現，便于判別設備異常，監控和掌握設備狀況，社會(huì )資源通過(guò)系統向鋼鐵客戶(hù)彈性提供人和料等制造資源，實(shí)現高效配置，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(yíng)、協(xié)同演進(jìn)的重工業(yè)新生態(tài)。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統是以“數據驅動(dòng)工業(yè)服務(wù)”的一站式“互聯(lián)網(wǎng)+”設備綜合服務(wù)平臺系統，致力于設備全生命周期服務(wù)。系統采用“一端采集，四方共享；設備數據共享，商業(yè)數據隔離”的軟件架構，實(shí)現“數據采集端→設備使用企業(yè)→設備服務(wù)方→設備制造方→平臺運營(yíng)商”的全數字化打通。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統作為產(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)需解決的設備難點(diǎn)、痛點(diǎn)問(wèn)題以及不同需求，為鋼鐵冶金行業(yè)的用戶(hù)提供棒線(xiàn)材設備個(gè)性化定制服務(wù)模式，依托運維系統，為上下游用戶(hù)提供全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng )新服務(wù)。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-產(chǎn)線(xiàn)級）如圖1所示。

圖1 棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-產(chǎn)線(xiàn)級）

2.1　業(yè)務(wù)架構

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統項目利用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、數字孿生技術(shù)，集成各家在線(xiàn)監測系統之所長(cháng)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，通過(guò)實(shí)時(shí)采集設備運行過(guò)程中的振動(dòng)、油液、溫度、電流、轉速等數據，建立多維度的數據分析與優(yōu)化功能，利用數據和信息分析進(jìn)行有效的判斷和決策，以“產(chǎn)線(xiàn)級”數字孿生3D可視化的方式呈現，便于判別設備異常，準確預測出設備隱患，根據運行狀態(tài)，安排檢修計劃，達到了提升生產(chǎn)設備使用效率同時(shí)有效避免惡性事故發(fā)生的目的，具有國際先進(jìn)的運維水平。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統推出針對客戶(hù)痛點(diǎn)問(wèn)題的工業(yè)服務(wù)應用，集合人力、物力、財力等生產(chǎn)要素，扁平化組織縮小管理時(shí)空，增強應變能力，便于鋼鐵企業(yè)對設備進(jìn)行高效管理。在鋼鐵工業(yè)客戶(hù)內部，實(shí)現從車(chē)間到?jīng)Q策層的縱向互聯(lián)；在企業(yè)間，實(shí)現上下游企業(yè)（供應商、經(jīng)銷(xiāo)商、服務(wù)商、行業(yè)專(zhuān)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(shí)現產(chǎn)品從設計、制造到服役，再到報廢回收再利用整個(gè)生命周期的互聯(lián)。棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統功能模塊如圖2所示。

圖2 棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統功能模塊

2.2　核心技術(shù)

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統在設備預測性維護方面，基于工業(yè)大數據及AI技術(shù)，通過(guò)業(yè)務(wù)與平臺實(shí)時(shí)對接、業(yè)務(wù)模型實(shí)時(shí)回溯調整，形成了主動(dòng)預測、結果研判，實(shí)現智能算法設備報錯，設備殘余壽命計算等。為設備檢修、運行保證、維修計劃等工作提供有力的數據支持。提高設備的安全運行周期、節約檢修成本，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(xiàn)監測：進(jìn)行數據采集，故障分析和數據管理。建立覆蓋實(shí)施對象的關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵故障形式的在線(xiàn)監測系統。收集完整的設備運行數據，建立運行檔案。綜合運用振動(dòng)、油液、電流、溫度等數據監測和故障診斷技術(shù)，及時(shí)了解設備運行狀態(tài)，把握運行周期的劣化趨勢。系統自帶的信號處理技術(shù)和數據處理功能，將原始振動(dòng)波形處理成為振幅頻譜圖，再處理、包絡(luò )解調、倒譜等功能可以濾去特定頻率或者頻段波形。

振動(dòng)有線(xiàn)采集站，技術(shù)要求：傳感器驅動(dòng)電流4mA/24V，輸入阻抗≥220kΩ，頻率范圍最高40kHz，AD采樣位數16位或以上，存儲標配256M或以上，有線(xiàn)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(guò)數據分析，達到識別故障來(lái)源、確定故障程度的目的。對振動(dòng)數據方面，如趨勢分析、時(shí)域波形、包絡(luò )解調、頻譜分析、波形再處理、瀑布圖、多時(shí)域/多頻域分析、倒譜分析，測點(diǎn)趨勢圖分析等多種信號處理手段，診斷設備故障的部位、損壞形式和嚴重程度。設備在某一運行狀態(tài)下，各種故障類(lèi)型（例如：不平衡故障，軸承故障，齒輪嚙合不良，油膜渦動(dòng)等）均對應特定振動(dòng)頻率，在振動(dòng)頻譜圖可以確定設備故障來(lái)源；不同故障來(lái)源均有其故障初期、中期及后期典型圖譜，與設備振動(dòng)圖譜對比可以判斷故障發(fā)展程度。棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-振動(dòng)圖譜分析）如圖3、圖4所示。

圖3 棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-振動(dòng)圖譜分析1）

圖4 棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-振動(dòng)圖譜分析2）

（3）數字孿生：將現場(chǎng)設備通過(guò)3D建模（如圖5所示），以數字孿生的手段將現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據同步在Web、APP，如果振動(dòng)強度超出預警值，則以不同的顏色標示出來(lái)。用戶(hù)可直觀(guān)、及早發(fā)現故障劣化趨勢，實(shí)現及時(shí)維護處理，保證整線(xiàn)的正常運作。該數字孿生是將人工智能、大數據等新的計算能力進(jìn)行數據處理任務(wù)，以數據、模型為主要元素構建的基于模型的系統工程，依靠包括仿真、實(shí)測、數據分析在內的手段對物理實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行感知、診斷和預測，進(jìn)而優(yōu)化物理實(shí)體，同時(shí)進(jìn)化自身的數字模型。

圖5 多維動(dòng)態(tài)建模

本項目系統使用數字孿生技術(shù)，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中仿真、預測和優(yōu)化產(chǎn)品與生產(chǎn)系統，結合多物理場(chǎng)仿真、數據分析和機器學(xué)習功能。最終，棒線(xiàn)材生產(chǎn)線(xiàn)以數字孿生3D可視化的方式展現“產(chǎn)線(xiàn)級”“設備級”，在設備級中內部結構健康狀況清晰可見(jiàn)，無(wú)限趨真。

2.3　領(lǐng)先性及創(chuàng )新點(diǎn)

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統通過(guò)輸入、輸出和所封裝的關(guān)鍵技術(shù)及運用數字孿生技術(shù)，對設備幾何結構和外形的三維建模，應用軟件與控制算法等信息進(jìn)行全數字化的建模技術(shù)結合多物理場(chǎng)仿真、數據分析和機器學(xué)習功能，實(shí)現設備以3D可視化方式呈現（如圖6、圖7所示），平臺基于海量設備運行狀態(tài)數據的采集、匯聚、分析，在設備運行周期中仿真、預測設備缺陷，對異常狀態(tài)及時(shí)做出報警，為進(jìn)一步的故障分析、性能評估等提供信息和數據。3D可視化模塊的建成，能實(shí)時(shí)監測設備運轉情況，實(shí)現對設備狀態(tài)的可視化瀏覽，清晰完整地展現整臺設備狀況。便于設備管理人員及時(shí)發(fā)現故障的早期征兆，以便采取相應的措施，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。

圖6 棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-設備級1）

圖7 棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統（Web界面-設備級2）

通過(guò)構建棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，建立精準、實(shí)時(shí)、高效的數據互聯(lián)體系，不斷研究與開(kāi)發(fā)創(chuàng )新應用解決方案，建設面向工業(yè)大數據存儲、集成、訪(fǎng)問(wèn)、分析、管理的應用環(huán)境，實(shí)現工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優(yōu)化設備的研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、運行與維修、運營(yíng)管理、人料供需交易等資源配置效率。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，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。即具備對設備、軟件、人員等各類(lèi)生產(chǎn)要素數據的全面采集能力。（2）云化服務(wù)。即實(shí)現基于云計算架構的海量數據存儲、管理和計算。（3）知識積累。即能夠提供基于工業(yè)知識機理的數據分析能力，并實(shí)現知識的固化、積累和復用。

3　代表性及推廣價(jià)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。設備智能運維技術(shù)是“智能化”生產(chǎn)的重點(diǎn)成果，可實(shí)現高質(zhì)量、低成本、低勞動(dòng)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(xiàn)材設備數字孿生運維系統在盛隆冶金、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涵，而且通過(guò)數字孿生生產(chǎn)線(xiàn)的標桿示范作用，為推進(jìn)行業(yè)可持續發(fā)展和打造智慧鋼鐵注入了新動(dòng)能。因此作為產(chǎn)業(yè)級互聯(lián)網(wǎng)平臺—棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統，具有十分廣闊的推廣應用前景，具有顯著(zhù)的社會(huì )效益。

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統可根據設備運行狀態(tài)變化和業(yè)務(wù)需求，通過(guò)數據分析達到識別故障來(lái)源，確定故障程度的目的，及早安排人和料消除設備缺陷，提高生產(chǎn)線(xiàn)運行效率和輔助管理決策，助力企業(yè)數字化轉型。

3.1　經(jīng)濟效益

通過(guò)棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統解決方案的落地實(shí)施，為棒線(xiàn)材設備檢修、運行保證、維修計劃等工作提供有力的數據支持。提高設備的安全運行周期、節約檢修成本，避免突發(fā)故障和事故。

（1）減少故障損失。通過(guò)運維系統自動(dòng)化故障檢測和預警功能，自動(dòng)判斷設備在運行過(guò)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)現故障的早期征兆，減少誤判問(wèn)題的概率，以便采取相應的措施，快速消除故障，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生，實(shí)現高效的運維環(huán)境。

（2）降低維修費用。通過(guò)系統對設備異常運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析，揭示故障的原因、程度、部位，為設備的在線(xiàn)調理、停機檢修提供科學(xué)依據，延長(cháng)運行周期，降低修護費用。

（3）完善企業(yè)信息化建設，消除數據孤島。設備聯(lián)網(wǎng)化，實(shí)時(shí)查看設備運行動(dòng)態(tài)數據，數據可留存和追溯。打通企業(yè)各系統間的數據通道，將多類(lèi)型設備信息和參數統一保存和管理。將傳統的人工記錄、紙質(zhì)表單、簽字審批等流程轉換為線(xiàn)上系統流程化管理，形成可追溯記錄。

3.2　社會(huì )效益

棒線(xiàn)材設備數字孿生運維系統的有效運行帶來(lái)的社會(huì )效益，主要有以下方面：

（1）面向社會(huì )化生產(chǎn)的資源優(yōu)化配置與協(xié)同

運維系統可以實(shí)現制造企業(yè)與外部用戶(hù)需求、創(chuàng )新資源、生產(chǎn)能力的全面對接，推動(dòng)設計、制造、供應和服務(wù)環(huán)節的并行組織和協(xié)同優(yōu)化。

在協(xié)同制造場(chǎng)景中，平臺通過(guò)有效集成不同制造企業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)及供應鏈企業(yè)的業(yè)務(wù)系統，實(shí)現供應、生產(chǎn)、維保的并行實(shí)施，大幅改善產(chǎn)品供應與維護狀態(tài)，降低成本的同時(shí)，保障了設備功能與精度。

在制造能力交易場(chǎng)景中，工業(yè)企業(yè)通過(guò)平臺對外開(kāi)放空閑制造能力，實(shí)現制造能力的在線(xiàn)租用和利益分配。

在個(gè)性化定制場(chǎng)景中，平臺實(shí)現企業(yè)與用戶(hù)的無(wú)縫對接，形成滿(mǎn)足用戶(hù)需求的個(gè)性化定制方案，提升產(chǎn)品價(jià)值，增強用戶(hù)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(xiàn)材設備數字孿生運維系統可以將產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、運行和服務(wù)數據進(jìn)行全面集成，以全生命周期可追溯為基礎，在設計環(huán)節實(shí)現可制造預測，在使用環(huán)節實(shí)現健康管理，并通過(guò)生產(chǎn)與使用數據的反饋改進(jìn)產(chǎn)品設計。

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

在產(chǎn)品與裝備遠程預測性維護場(chǎng)景中，將產(chǎn)品與裝備的實(shí)時(shí)運行數據與其設計數據、制造數據、歷史維護數據進(jìn)行融合，提供運行決策和維護建議，實(shí)現設備故障的提前預警、遠程維護等設備健康管理應用。

在產(chǎn)品設計反饋優(yōu)化場(chǎng)景中，平臺可以將產(chǎn)品運行和用戶(hù)使用行為數據反饋到設計和制造階段，從而改進(jìn)設計方案，加速創(chuàng )新迭代。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年9月刊