IIoT工业4.0

利用数字双胞胎,工业物联网优化制造工艺和质量管理

在钢铁行业生产过程控制和质量管理应用中,基于真实世界用例的设计,实施和一些初步成果的概念和实践的审查,以精益管理和六西格玛概念和最佳实践为指导。

由工业互联网联盟(IIC) 7月28日,2021年
礼貌:工业互联网联盟(IIC)

事物互联网(IIOT)中的驱动链涉及数据,分析和应用的三个关键要素[1]:数据由生产环境收集,包括设备,产品和流程,由IOT启用,通过高级分析,包括机器学习,智能工业应用程序由数据和分析驱动,以提供封闭的反馈循环,以支持最佳的业务决策,以提供最佳的业务决策,以提供最佳的反馈循环,以支持最佳业务决策,生产过程和设备状态。数字双胞胎技术[2]系统地组织和同步来自设备的数据,实现流数据分析,从而在数字空间中提供生产环境的动态表示。进一步提升智能工业应用能力[3]

IIOT和数字双胞胎生产环境。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

IIOT和数字双胞胎生产环境。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

生产过程控制和质量管理应用将工业互联网、数字双胞胎(包括设备和产品数字双胞胎)、流和批数据分析、机器学习、精益管理和六西格玛概念和最佳实践融合到生产过程和质量管理中。通过整合和分析来自设备和其他制造IT系统的数据,该系统能够近乎实时地关联和监控工艺设计规范和实际工艺数据,以及质量数据

  • 识别和解决生产问题,
  • 通过质量-过程反馈回路确定当前和新的制造工艺的潜在改进
  • 通过产品数字孪生的实施,对个别产品的产品质量提供跟踪和跟踪能力。

该系统可帮助制造操作员确保产品质量并降低生产成本。

工业互联网的概念和实践已被广泛应用于各个行业。数字双胞胎的应用也开始在行业中兴起。然而,目前,这些实现不成比例地出现在设备维护领域,在资产管理的大领域中,具有先进分析支持的预测性维护等新功能。真实世界的用例渗透到生产过程中,覆盖了更广泛的应用领域,如生产过程、质量、能源、设备和运行安全管理,其中每一项都提供了一个深度和丰富的领域,工业物联网和数字孪生技术可以提供巨大的潜在利益和特点,包括:

在工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium)出版的《创新杂志》(Journal of Innovation)的前一卷中,本文的部分作者联合撰写了一篇文章,报告了工业互联网和钢铁行业能源管理中的数字双胞胎的真实使用案例[4]。在同一静脉中,IIOT和数字双胞胎技术在生产过程中的应用和质量管理的钢铁生产过程具有以下特点:

  • 将工艺设计数据、质量规格数据、设备运行实时数据、质量测量数据集成到整体端到端闭环系统中,实现对生产过程的全面在线监控和分析,支持产品质量追溯。
  • 将数字双胞胎和工业互联网技术无缝结合到全面平台上以支持这种应用。
  • 为设备和产品启用数字双胞胎,用设备数字双胞胎动态绑定产品数字双胞胎,以实现产品流程和质量在线跟踪,监测和可追溯性。
  • 将在线数据和分析技术与精益管理和六西格玛概念和生产过程和质量管理的最佳实践相结合,创造了一种数字贫民能力。

问题域

使用情况涉及炼钢生产过程,这是一个重要的连续工艺重工业。更具体地说,它涉及后来的工艺,例如在原料钢水浇铸成板坯,绽放或钢坯后的特殊钢铁生产中的锻造和热处理。然而,在这种情况下使用的基本方法和技术可以扩展并应用于炼钢或其他类似行业的其他类似过程。

炼钢过程中的复杂性

SteelMaking涉及许多长而复杂的生产过程。它采用铁矿石,煤炭,石灰石和循环钢作为原料,生产包括普通钢和用于制作各种机器零件的特殊钢的普通钢的产品。在两者之间,它经历了许多主要工艺,如焦炉,高炉或直接还原炉,生产铁,基本氧气炉或电弧炉生产钢水,连续铸造以生产板坯,盛开和坯料作为中间产品主要生产过程。然后在二次生产过程中,将中间产物重新加热,锻造或压入各种形式,例如管,片材,棒,棒和其他结构形状,其可以进一步热处理,在被释放之前涂覆和完成作为产品。

炼钢初级生产工艺。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

炼钢初级生产工艺。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

在炼钢中,更复杂的是,每一个主要的生产过程可能包含许多子过程,每个子过程可能由不同的生产线支持,这些生产线使用许多大型和复杂的设备,具有复杂的上下行供应链关系。在初级工艺中,炼钢基本上是一个连续的过程。

此外,上游过程中的生产过程参数对下游过程产生了很强的影响。高端特种钢的生产过程涉及更多的过程和子流程。炼钢中的另一个相当独特的方面是其产品中的产品,不仅是机械,而且还具有化学变化,使其质量监测和粘性更具挑战性。特殊钢的制造往往由小批次的大品种组成。与此同时,由于特殊钢材用于各种行业的重要设备,具有更高的可靠性和安全要求,而且反过来,质量要求更加苛刻和精致。在其全产量生产生命周期中对产品质量的可追溯性的需求也更加强大。

炼钢二次生产工艺。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

炼钢二次生产工艺。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

钢铁工业数字系统的成就与挑战

在过去的几十年中,像许多其他连续的过程重工业一样,在设备水平(ISA-95级和2级)是自动化的。可编程逻辑控制器(PLC)和监控和数据采集(SCADA)系统用于控制和监控生产过程。钢铁行业还投资建立了各种IT应用系统,管理了生产的一个或其他方面的生产规划和执行,如制造执行系统(MES),生产过程控制管理系统,质量管理系统(QMS),设备管理系统,所有属于ISA-95级3.钢铁行业正在基于这些系统运行,这些系统具有显着促进生产率的提高,产品质量提高和生产成本的降低。

但是,仍然存在许多主要的技术挑战:

  • 在ISA-95第1和第2级:许多plc通常与更高级别的系统没有连接,因此不可能从它们收集数据。对于已经连接到SCADA系统的plc,通常SCADA系统是隔离的,因此收集到的数据或生成的警报只能使用相关的人机界面在本地查看。一个SCADA系统中的数据和警报不能轻易地与来自其他系统的数据相关联或进行分析。分析,如果有的话,往往需要手工工作,涉及技术、耗时和不可靠,并且仍然是临时的、不完整的、不一致的,通常执行得太晚而没有用处。
  • 在ISA-95级3级:现有的申请系统往往建造在不同的时间内,通常由不同的部门赞助,强调在没有足够的思想中解决设备维护等特定领域问题而没有给予全面的观点,并考虑整个整体的不同方面的相互作用操作。更糟糕的是,这些系统被签订为独立建立这些系统的第三方软件集成商,通常具有完全不同的设计和数据模型,其不同的技术堆栈支持,少数函数被暴露为API。因此,这些系统独立运行,与其他系统相结合,形成独立应用孤岛堆栈和无法访问和可重复使用的数据岛。此外,存在现代软件应用系统尚未涵盖的域区域;因此,其操作仍然需要手动数据输入和跟踪。
  • ISA-95级别之间:很少等级的3级应用系统对1级和2级系统具有全面的连接,这使得难以在应用系统中进行高级分析的近实时数据。

目前,基于上述自动化系统和IT应用系统的基于自动化系统和IT应用系统建立了生产运营管理。然而,在当前系统中存在连接和集成屏障,防止了从实现的操作效率的进一步提高。主要部分中的这些障碍是由于上述技术挑战,生产操作管理应用系统和设备自动化控制系统(PLC和SCADA)和应用系统本身之间的技术挑战导致。

第一类障碍存在于IT应用系统和自动化系统之间,因为plc和scada与应用系统的连接不够充分,导致许多应用系统分离,或只是弱连接,生产环境的物理现实,其中设备在运行,产品正在被处理。结果是,底层自动化系统中的数据没有被完全收集和利用,这使得几乎不可能获得生产过程状态的透明度,更不用说数据和分析驱动的运营管理的可能性了。

在各种应用领域的应用系统和各种生产过程和线路中存在第二种类型的障碍。这在很大程度上是历史的结果,因为过去的技术不利于在非常复杂的环境中能够互通各种应用,例如炼钢中的环境。这导致了不同域中的应用系统或在同一域中但在不同上游和下游过程中,没有实现所需的信息集成和交换水平,因此支持交叉过程是非常困难的和跨域整体和动态数据和分析驱动的操作管理。

炼钢过程控制和质量管理挑战

改进较小范围的挑战和潜力机会较小的两个紧密相关的应用领域:生产过程和产品质量管理,是相似的。

  • 现有的过程管理应用程序通常主要负责产品规格、生产过程和质量设计的信息管理。这些系统往往没有连接到生产管理系统,因此,具体产品的详细过程控制规范的传输仍然依赖于传统的电子文件交换,以到达现场生产管理系统,因此需要手工配置过程。
  • 此外,大多数现场操作过程数据和质量数据都无法自动收集,而是依赖于手动报告跟踪,跟踪和存档。结果,很难很快发现质量问题,以便他们可以及时解决,以便纠正措施广告或最小化影响。因此,问题根本原因分析和解决如果任何经常在事实之后。
  • 质量分析仍然是使用与生产环境未连接的传统SPC的工具集进行静态历史数据的手动锻炼。
  • 生产过程控制规范和现场运营数据和质量结果不容易相关,以提供产品和过程控制设计的指导。
  • 产品全生命周期质量可追溯性难以实现。
  • 此外,过程管理将太多的手动运行和记录工作负载对不高效和容易出错的工人。

钢铁产品的主要质量属性包括通过材料,表面质量和几何尺寸的微观结构决定的结构性能,主要取决于材料的组成和涉及化学反应的加工技术,生产过程中的热动力和机械加工流程。因此,有必要获得与客户要求的三个主要类别的质量属性和过程控制设计相关的数据和信息。

钢铁产品,尤其是高端特种钢产品的优质通行证率往往很低。主要原因的主要原因是过程控制中相对较弱的,导致在无意中影响最终产品质量的过程中导致大幅波动。有许多挑战对过程控制薄弱,例如难以保持过程控制参数的稳定性,在检测无法控制因素的干扰,在实践中,由于缺乏手段,有许多有影响力的过程参数不仅不受控制但往往尚未可见。

此外,许多产品质量问题与设备状态和操作方法有关。因此,为了获得优质产品,需要配制标准,用于成分,工艺,设备和操作方法,同样至关重要,需要实时测量和监控实际过程,以确保满足这些标准,并且迅速检测到任何异常,以便它们可以及时纠正。

此外,钢产品的质量受许多耦合因子的影响。受到实际条件的限制,无法控制可能影响质量的每个因素。为了提高产品质量,关键是识别关键因素,并强调控制它们。然而,各种因素的原因和效应关系通常复杂并彼此耦合,因此在识别关键因素没有深入分析时带来了巨大的挑战。另一方面,对此和其他类似目的的分析取决于大量质量数据,这些数据包含似乎随机发生的缺陷之间的相关性,以处理控制规范和实际过程数据,设备状态和操作方法可能导致缺陷。

这些显然无法通过依赖于发现的手动检查和录制的传统方法来实现,并通过计算无法共享和对齐数据的独立和隔离自动化系统和应用系统。需要一系列新技术支持的全新方法来解决这些挑战,以实现生产环境中的全面质量控制。此时,IIOT和数字双胞胎技术是解决这些挑战的正确选择,正如我们的惯例所示。

工业互联网平台与嵌入式数字双胞胎框架作为解决方案

使用嵌入数字双框架的工业互联网平台找到成功的解决方案,以突破不同架构水平和如上所述的不同域应用系统中的障碍。最终解决方案系统:

  • 进行流程控制和质量数据的集合,靠近实时数据分析,建立新的数据和分析驱动的生产过程和产品质量管理应用。
  • 参考工艺设计规范执行对实际过程数据的在线动态比较分析,执行产品的动态过程质量监测和质量可追溯性,发现过程异常和质量异常,并能够及时解决质量问题。
  • 此外,通过对数据的统计分析,可以实现过程验证和改进。

它可以帮助生产经营者实现避免缺陷的产品,提高产品质量和降低生产成本的目标。

虽然该技术方法、技术和解决方案适用于炼钢工艺中更广泛的使用场景,但本文报告的项目最初侧重于炼钢工艺中的一种,即锻造工艺的启动,验证和改进解决方案,然后再扩展到其他工艺[6]

精益六西格玛设计流程

在与客户完成开发合同后,在现场进行初步使用方案研究之后,一项全面的现场发现研究是由各个领域专业知识的团队进行的,主要包括:

  • 工业领域专家,深入了解炼钢工艺,这些过程有助于了解生产运行流程,并能够评估从中获得业务需求的客户的业务需求。
  • 工业软件应用程序分析师与工业领域专家合作,将业务需求转化为软件要求并协助设计软件解决方案。
  • 具有数据建模技术的工业数据分析工程师,以了解数据分析要求并将其映射到输入数据和建模要求中。
  • 工业控制/自动化工程师负责收集有关工业设备的部署结构和配置的信息以及项目中涉及的其他系统,评估连接和数据收集要求并设计软件解决方案的IOT部分。

在多维现场研究中,最关键的工作是评估客户要求建立这一新的生产过程和产品质量管理应用程序,该应用程序是成为生产经营者和经理各自所使用的主要工具日常工作。长期被证明在生产运营管理中有效的精益管理和六西格玛的概念和最佳实践被用作指导原则,以评估生产过程和产品质量管理实践,以提出业务需求,部分需要操作流程和组织的变化,部分是由软件解决方案实现的,以一种巩固和增强操作管理方法和软件的最佳实践的方式实现。

精益管理方法依赖于三个关键思路[7]

  1. 在操作流程或过程中识别值和值流以驱动值传递
  2. 消除浪费(不能为最终产品带来价值的东西)
  3. 连续的提高。

六西格玛[8]方法旨在使用一组高级统计和项目管理工具集来定义,测量,分析,改进和控制(DDMAIC)的管理进程,该项目管理工具集具有保持±6σ下的波动公差(要求的标准偏差)。

带有内置统计分析和警报的过程控制参数实时监控的例子。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

带有内置统计分析和警报的过程控制参数实时监控的例子。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

精益管理热衷于驱逐废物,促进工作流程和程序中的标准化,持续改进,而六西格玛侧重于降低过程变化和增强过程控制。管理中的这两种方法重叠并彼此相互补充,不同的区别。

根据精益管理和六西格玛原则,现场发现 - 对客户需求的研究和评估专注于:

  • 操作标准化:标准化提供价值-质量产品的操作工作流程和程序,对抗一系列限制和不确定性,并寻求尽可能保持软件的操作标准。
  • 减少废物:减少产品缺陷的发生以及解决质量问题所需的重新工作量。关键方法包括:
    • 为了锻炼最佳的数据驱动控制,以维持避免不需要或不必要的波动的过程的稳定性;
    • 在接近实时发现过程例外和质量异常,并确定其根本原因,以便及时解决它们以避免下游废物;
  • 持续改进:为了提供对质量性能的在线可见性,包括使用传统统计过程控制(SPC)方法,根据实时数据,可以通过启用来识别和解决质量性能问题:
    • 每次运算符/工作组纵向质量性能比较分析;
    • 跨操作员/工作组横向质量性能比较分析;
    • 产品类型纵向质量性能对比分析;
    • 横向产品型横向质量性能比较分析;
    • 产品缺陷多变量关联分析,考虑产品设计规范,流程规范,实际过程数据,工作步骤细节和个人操作技术等级等因素,以确定有助于发生缺陷的主要因素,因此可以采取措施跨越不同领域,以改善设计,流程和程序和操作员技能。
实时过程控制支持的数据信息流和分析驱动的全面质量管理。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

实时过程控制支持的数据信息流和分析驱动的全面质量管理。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

上述大多数功能可以在软件应用程序中设计并在软件应用程序中设计,以便水解方法和最佳实践,因此它们在生产过程中大大自动地在生产过程中进行。实现大多数这些能力的基础是跨生产过程中涉及的所有设备和其他操作系统的数据收集。在此基础上,项目使用软件全面地数字化操作流程和程序,强制执行大程度标准化操作工作流程。然后它利用高级分析来帮助优化操作管理。

该项目利用数据和分析的力量,以及软件的能力来实施和实施精益管理和六西格玛原则,实现一个数据和分析驱动的数字化精益管理和六西格玛系统,用于生产过程和产品质量管理。

生产环境配置

该项目的I阶段将其范围限制为特殊钢铁厂,一部分较大的炼钢工艺,包括多种热处理和锻造工艺和生产线,包括电炉生产线,电子炉生产线,双真空生产线和锻造生产线。涉及的炉设备包括电弧炉,感应炉,精炼炉,传统的电子炉,气体保护的电子炉,真空感应炉,具有不同形式的真空炉,真空消耗炉等,如车辆,室内炉,环炉子等。该设备的配置在图3-4中示意性地示出。每个炉子可以同时在生产(PIP)中进行多种产品的热处理。然而,每个PIP可以根据不同的过程控制要求处理。

逻辑和信息流动以获得缩小废物的质量异常处理。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

逻辑和信息流动以获得缩小废物的质量异常处理。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

在给定过程中部署的每种类型的设备可以是不同的模型,具有不同的能力和容量。整个设备的所有设备都可以大致被认为是矩阵或图中的节点[9]其中每个PIP在生产过程中移动。由于特种钢铁产品有许多品种并且正在小批次制造,并且每种产品类型需要满足特定的产品规格,并用特定的过程控制参数生产。此外,多种产品通常同时生产。因此,每个点的生产调度是动态的,以最大化设备整体设备有效性(OEE)和生产能力。因此,每个PIP,即使是产品类型,也可以在其生产的生命周期中采用设备矩阵中的特定和独特的路径。

为了实现应用程序的设计目标,需要跟踪不仅仅是PIP的路径在其生命周期中,还可以在每件设备处理时自己的实际过程数据集合设备之间的分期区域中的特性(如其温度)。

特殊合金炼钢厂的设备和工作流程。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

特殊合金炼钢厂的设备和工作流程。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

系统设计要求

精益管理和六西格玛导向的客户需求评估提出了系统设计的几个关键要求:

  • 需要实现生产(PIP)中产品的全部生命周期跟踪,包括其在生产过程中的运动,其在处理过程中与生产设备的动态关联以及相应的实际过程数据,以及某些情况过渡分期期间的条件。
  • 需要将每条PIP的实际过程数据与其相应的流程规范参数对齐,以确保实际的过程数据在所需的设计范围内;
  • 需要自动检测和提供关于过程异常和产品异常的警报,在某些情况下为检测到的异常和异常提供自动或半自动根本原因分析。
  • 需要连接工单系统以获取工作调度信息;需要与生产工艺规范管理系统连接,以获取每个PiP的工艺规范;需要连接到产品质量测试系统,以收集和记录与单个PiP相关的测试结果。
  • 需要提供基于收集的数据的在线分析,以支持在线和批量质量性能和其他分析。

这个用例可以充分利用具有数字孪生框架的工业物联网平台所提供的功能:

  • IOT能力连接到设备和传感器以收集数据;
  • 综合数字代表,即数字双胞胎,生产环境,最重要的是,设备双胞胎和产品双胞胎追踪其状态和过程数据,以及与设备的PIPS之间的动态关系可以收集和相关地收集和相关用点;
  • 分析能力可以是数字双嵌入的数字,以分析与设备和频率相关的数据
  • 应用程序Devop环境开发和运行实现业务逻辑和用户界面的应用程序。

基于工业物联网平台和数字双框架的设计

系统设计基于YO-I Thinesswise Industrial Data OS(IDOS),该工业互联网平台嵌入了数字双胞胎框架,目的设计,参考工业互联网参考架构[10],支持工业运营管理的数字转换。

yo-i StorthSwise IDOS平台功能架构。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

yo-i StorthSwise IDOS平台功能架构。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

它是建立在一个核心架构进行集成技术,大数据,机器学习(毫升)和微观服务技术为基础制定的一套创新的关键功能组件提供一个灵活的部署、易于使用的、独立的端到端工业平台即服务(PaaS)堆栈。作为一个工业PaaS平台,它提供:

  • 用于支持数据收集和系统控制的设备和设备连接的IOT框架。它提供以下功能:
    • 设备连接
    • 数据采集
    • 数据预处理
    • 数据存储
    • 物联网网关远程管理服务。
  • 数字双框架以数字方式代表生产环境,管理设备数据和与设备相关联的分析模型集成。
    • 数字孪生设计GUI
    • 数字双向IOT数据映射
    • 数字孪生分析模型
    • 数字双胞胎API。
  • 应用程序(devp)框架,支持基于gui的无代码和普通的基于代码的应用程序开发、部署和运行时管理。
    • 数据可视化工具
    • 基于GUI的应用程序快速开发工具
    • 基于多语言代码的应用程序开发SDK
    • 微服务框架。

如图3 - 5所示,该平台的完整技术堆栈支持端到端流数据处理和分析,能够对工业操作环境中发生的事件进行近实时响应。它旨在帮助工业企业开发和运行数据和分析驱动的工业智能应用。

系统架构示例。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

系统架构示例。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

实施要点

基于上述平台的整体系统架构如图3-6所示。

  • 设备连接和数据收集,与平台的IOT框架层实现了与其他系统(以获取产品流程规范)和生产管理系统(以获取工作订单信息)(包括IOT /应用程序)集成网关),通过基于GUI的无附件配置。与设备的连接涉及各种常见的工业连接协议,包括Modbus,OPC UA / DA和一些专有协议。
  • 数字双系统代表所有相关设备和产品的设计和配置。在基于gui的数字双胞胎设计器中,创建了数字双胞胎类(见图3 - 7),其中设备状态变量和设备过程控制参数被定义为数字双胞胎数据字段,以及它们的元数据。然后根据每个设备类型的实例数量,实例化数字孪生类以表示实际的设备实例。使用平台提供的基于gui或基于配置文件的批处理导入工具集,从物联网框架收集的数据将映射到每个数字孪生实例中的数据字段。
  • 数据分析模型是这个解决方案的核心。有各种各样的分析模型跟踪过程参数,以确保它们在每个pip的基础上都在标准范围内。此外,由于生产过程的复杂性,涉及许多不可控的工艺参数。依靠单一参数范围检查来确定工艺是否运行最优,或者正常范围参数的某些组合是否有利于产品缺陷,这并不总是可能的。这些参数之间的关系往往是非线性的,强耦合的,有些参数之间有直接或间接的反馈,使它们难以评估产品缺陷或其他考虑因素的因果关系。从生产环境中收集尽可能多的数据用于建模是至关重要的,包括为模型验证留下足够的数据。
  • 这些应用程序支持映射到上述需求的以下业务功能:
    • 质量和过程的实时监控和报警
    • 质量异常及工艺异常处理
    • 精益管理
    • 质量和流程优化分析
    • 产品质量可追溯性系统。
数字双级(设备类型)设计GUI。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

数字双级(设备类型)设计GUI。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

该应用程序旨在具有基于角色的用户交互模型,可提高用户体验和增强应用程序安全性。应用程序的用户基于其作业功能和操作区域(在不同的过程中)分为不同的角色。每个用户可以根据生产组织详细说明来呈现一个或多个角色。当用户登录时,应用程序呈现与用户假定的特定角色对应的页面。该应用程序依赖于平台用户身份验证和基于微粒角色的授权框架,而无需为该组功能开发客户代码。

通过利用平台功能,大量的开发工作,包括物联网连接和数据收集,以及数字孪生设计,无需任何编码,就可以使用基于gui的设计和配置工具集完成。因此,开发工作量大大减少,开发周期大大缩短。

对于上层的业务函数,虽然需要代码开发,但它的范围大大减少,只关注用户通过UI的用户交互。在处理设备和产品(物理实体)时,应用程序通过其API与相应的数字双胞胎交互,避免需要处理复杂的自定义数据库或直接与设备或产品进行处理,它大大简化了应用程序的开发。

整个流程状态视图的屏幕截图。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

整个流程状态视图的屏幕截图。礼貌:工业互联网联盟(IIC)

由于应用程序交互的物理实体是抽象出来的数字双层,应用程序在很大程度上是孤立的物理环境以这样一种方式,如果设备发生变化时,只需要修改底层数字双配置而不需要修改应用程序代码。这使得应用程序更易于从一个物理环境移植到另一个物理环境,例如,移植到另一个钢铁厂的相同过程。

端到端应用程序也有益于平台中的云本机分布式架构提供的安全性,可扩展性和可靠性,释放应用程序开发人员对其开发中的系统安全性,性能和可靠性的担忧。

产品数码双胞胎

设备数字双胞胎的概念很好地理解。然而,据报道,产品数字双胞胎的概念较少。该设备和产品数字双胞胎在本文中报告的生产过程和产品质量管理中起着重要作用。

用于材料产品(在机器或电子设备产品中)这样的钢,生产受试者的产品各种转化,包括物理形式(固体和液体),物理性质,形状,表面性质和微结构通过化学品反应,热和机械过程。许多转换结果实时不可直接可测量,无论是不易通过简单传感器可测量的,还是传感器都可以容易地破坏经过严苛的处理环境。有些属性需要需要数小时或几天的实验室测试。

除了几个相对简单的测试之外,如硬度或表面性质,钢产品的质量很大程度上依赖于确保生产过程控制的准确性和稳定性。过程控制数据是生产设备的属性,并且与设备控制系统相对容易收集。为了确保每次加工阶段或步骤中的产品质量,重要的是跟踪生产设备(PIP)中的产品。

在该项目中,PIP跟踪是通过产品数字双胞胎完成的。从工作订单中的信息,系统会自动为每个点创建产品数字双床。初始产品数字双模型包括其ID,产品类型,过程规范等的信息,因为PIP通过其生产过程中的不同阶段移动,使用正在处理PIP的设备从哪个关键属性进行动态关联如开始和结束处理时间和其他属性。来自设备的任何相关实际过程数据也会自动输入产品数字双床,并参考其处理阶段的相应流程规范动态分析。可以识别,记录和报告从实际过程数据的过程规范的任何偏差。类似地,任何质量测量和检查的记录也将进入产品数字双胞胎。当PIP的处理完成时,还在生产过程中的产品的全生命周期的数据也被全面记录并准备好在相应的产品数字双模型中进行查询和分析。

要以不同的角度考虑产品数字双胞胎,产品是为企业创造价值的制造商。由于产品在过程中通过生产过程,它代表了生产的价值流动。通过通过产品数字双向跟踪产品,通过生产过程,实际上是跟踪制造企业的价值流动。通过进一步考虑原料成本,能源成本,缺陷成本,设备的OEE,劳动力成本以及最终产品的市场或订单价格等,可以在近实时计算和可视化价值正在整个生产环境中创造。这将有助于制造商更好地管理生产,以识别和减少或消除成本,并通过在制作内容以及如何制作的情况下制定知情决定来实现价值创造。

结论和经验

通过利用Yo-i Thingswise iDOS平台的内置功能,这个复杂的项目从设计到交付和验收只用了大约3-4个月的时间,如果没有使用这个平台,这个时间还不到所需时间的一半。在试制初期,生产工艺和产品质量管理体系得到客户的好评。

从这个项目中有几点学习:

  • IIT,Digital Twin,Industrial Analytics正在支持技术(不是自己的应用),最适合支持新一代数据和分析驱动的工业运营管理应用。
  • IOT,数字双胞胎和工业分析技术必须与经过验证的管理方法和最佳实践(如精益管理和六西格玛)融合,以确保为工业运营管理环境提供价值。(换句话说,从操作管理解耦的IOT或分析只提供有限的值。)
  • 工业物联网、数字孪生和工业分析技术在推进工业运营管理的数字化方面具有巨大的潜力,在设备维护以外的领域包括生产过程和产品质量管理(如本文所示)、能源管理(如我们另一篇文章所述,见4)。可能还有生产计划和执行。
  • 设备和产品数字双胞胎都是在产品加工过程中跟踪产品质量和建立产品质量追溯记录的有效方法和技术。产品数字孪生实际上可以用来表示制造车间的价值流。
  • 已证明具有数字双胞胎框架的IIOT平台,以大大简化了工业运营管理解决方案的实施,该解决方案安全,可扩展可靠。

参考

[1]工业互联网参考架构。V1.9。可用的:https://www.iiconsortium.org/IIRA.htm

[2]工业应用的数字双胞胎。定义,业务价值观,设计方面,标准和用例。工业互联网联盟,白皮书。1.0版本1.0 2020-02-18。可用的:https://www.iiconsortium.org/pdf/iic_digital_twins_industrial_apps_white_paper_2020-02-18.pdf.

[3]M.Bärring,B. Johansson,G. Shao,Digital Twin for Smart Manufacturing:从业者的观点,中小企业国际机械工程大会和博览会,诉讼(IMECE),11月20日。

[4]林世万、傅maxine、李克斌,数字双胞胎+工业互联网智能制造案例研究,创新学报,工业互联网联盟,2019年11月。

[5]https://www.steel.org/steel-technology/steel-production/

[6]截至本文的写作,项目的第一阶段已完成,并获得客户接受。已经启动了不同炼钢过程中的相关项目。

[7]https://kanbanize.com/lean-management/what-is-lean-management.

[8]https://asq.org/quality-resources/six-sigma#:〜:text=six%20sigma%20is%20a%20method,squality%20of%20products%20or%20services.

[9]作为计算机科学的概念

[10]工业互联网参考架构。V1.9。可用的:https://www.iiconsortium.org/IIRA.htm


工业互联网联盟(IIC)