铸造行业数字化转型打造数字孪生工厂

王 辉，王季叶，张梅涛，任宝钢

（潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 261001）

关键字：数字化；铸造行业；数据；孪生工厂

21 世纪是大数据时代，互联网技术有了突飞猛进的发展和应用，同时产生了许多新的OT（操控技术）、IT（信息技术）、CT（通信技术）技术，这些技术能实时从现场读取、存储、传输和转换数据及其他信息；同样是市场竞争激烈的时代，制造企业正面临着巨大的时间、成本、质量等压力，生产过程中数据的分析应用的重要性更加突出。企业数字化转型是制造业高质量发展的重要途径，是克服以上挑战和压力的有效手段，也是铸造行业发展的必然趋势。通过数字转型打造数字孪生工厂，用数字驱动价值创造。

1 数字孪生工厂的定义和意义

数字孪生技术是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现。数字孪生工厂是利用数字孪生技术将精益生产、敏捷制造、智能制造、信息技术、自动化技术、网络通信、大数据、云计算等技术深度融合打造的数字虚拟空间。数字孪生工厂可以实现整个产品从需求、设计制造、物流、售后等所有数据信息的横向集成，也可以实现企业内部经营决策、经营管理、生产跟踪、人员及设备执行等数据信息的纵向集成。所有数据信息集成并互联互通，实现生产、质量、设备运行数字化管控，搭建数字化管理系统，创建数字化经营决策系统。以信息化和数字化支持敏捷制造，降低制造成本和生产周期，提高产品核心竞争力，实现企业的可持续发展。

2 铸造行业数字化发展的现状

铸造业属于传统产业，多数的铸造企业存在以下问题：数字化基础设施薄弱，包括5G 网络、工业互联网、数据的存储传输等硬件设施和数据库系统及数据分析管理等软件设施，难以在短期内实现数字化转型；装备落后，自动化智能化水平较低，产品种类多、生产工艺和流程复杂导致数据与信息关联协作程度不高；数字化人才欠缺，无论是转型期的技术输出还是转型后的管理和维护，都需要大量的人才。总之，为了适应制造强国战略，建设铸造强国，铸造行业面临十分艰巨的数字化转型发展任务。

3 铸造行业打造数字孪生工厂的主要框架

数字孪生工厂构成可以分为以下五个层面：物理工厂、孪生工厂、连接层、数据层和服务层，相互之间的数据传递如图1 所示。

图1 数字孪生工厂各框架层相互之间的数据传递图

下面结合铸造行业的现状及各框架层探讨如何实现数字化转型打造数字孪生工厂。

3.1 物理工厂层

物理工厂是打造数字孪生工厂的基础，是所有信息数据的来源，也是整个生产过程的执行者。铸造行业产品种类多、生产过程复杂、自动化程度低、涉及使用的原辅材料工具工装等种类数量多样，信息收集依赖人工录入，存在信息真实性差和信息滞后的问题。针对存在的问题和行业现状，为做到数字化转型，首先要明确要收集的信息（设备运行状态、工艺数据、物料资源等）。信息收集提出两条思路：一是引进智能设备，可实现生产过程中数据监控和收集，具备远程通讯功能，可实现远程操控功能。二是对现有设备进行改造，对生产过程中数据收集方式进行改善，这是实现物理工厂层数字化转型的重点。

改造过程要运用大量的先进工业技术，列举几种典型技术和实现功能仅供参考：

（1）传感器技术，传感器是一种检测装置，能检测被测量的信息并输出。近年来，传感器技术有了快速的发展，极大程度的方便了设备的改造。通过加装非接触式流量传感器可实现生产工艺数据的收集，如树脂、固化剂的加入量，也可以实现设备运行数据的收集，如液压系统流量，燃气消耗量等；加装传感器还可以实现产量计数、产品测量等功能。传感器要根据收集的信息和收集方式合理选型，传感器的选择使用如图2、图3 所示。

图2 设备改造加装流量传感器

图3 HMI 显示传感器检测数据

（2）条码技术和RFID 技术。对物料进行编码，通过读码器读取信息实现物料的出入库信息、流转信息、生产信息的采集。RFID 技术弥补了条码技术的不足，更能满足铸造行业生产环境的需求。如对工装芯盒进行编码后，可以实现芯盒的信息管理，设备连接读码器后对芯盒进行扫描还可以直接输出生产相关信息。

（3）视觉技术。连接现场监控摄像设备，可实现生产过程中人员信息收集和导入；设备改造加装工业视觉系统，可实现产品的信息导入和快速建模等工作。物理工厂还需具备根据指令或检测数据自动调节的能力，具备执行功能，需根据要实现的动作对设备加装电磁阀、电动执行器、伺服电机等。

3.2 连接层

物理工厂层建设完成之后，要对所有收集的数据信息进一步传递，搭建桥梁起传输作用。首先设计选择硬件连接方式，其次选用适当的传输协议。常用的硬件接口类型有RJ-45、DB25、DP 接口、HMI接口等，工业通讯协议有RS485、Modbus、TCP/IP、OPC、Zigbee 等。RJ45 接口配TCP/IP 协议可连接多个网关，搭建工业以太网；DB25 接口使用RS-485通讯协议可实现设备不同型号PLC 的通讯和数据传输，也可实现变频器、传感器等数据信息向PLC的传输；Zigbee 协议的应用可搭建具有无线传输功能的工业物联网系统，实现数据的短距离实时传输。图4 所示zigbee 的应用，发送模块发送数据，接受模块可连接上位机进行数据收集存储，图5 简述两种技术在连接层搭建中的应用。

图4 选用具有zigbee 传输功能的压力变送器

图5 Zigbee 技术和OPC 技术在连接层搭建中的应用

3.3 数据层

数据层是整个系统的核心大脑，其包含多种不同功能的数据库。数据库具有数据存储和数据管理两大功能，可实现文本、数码、图像等多种类型数据的混合存储，实现历史信息追溯；数据管理能实现数据建模、抽取和分析，建立数据之间的关联关系，筛选相关的信息，实现行为要素提取分析、关系分析、多维统计等功能。主流的关系数据库有oracle、db2、sqlsereer、mysql 等，在搭建数据层时需做以下工作：（1）对收集的数据进行统一的转换，对一些会影响整个分析统计的脏数据进行筛选和逻辑屏蔽；（2）提供生产流程和工艺路线，对收集的数据根据生产工艺建立关联关系；（3）数据存储和及时备份，为后续业务提供海量、高效稳定的大数据平台支撑和决策支持。

3.4 服务层

服务层的搭建为数字化的建设提供了便利的管理方式，本层建设的主要工作是结合生产实际选择应用系统，做好和软件厂家的沟通。了解常用生产系统，ERP 解决生产什么的问题，MES 解决如何生产的问题，CAPP 解决产品设计的问题。多数铸造行业有以下生产特点：离散制造、按订单设计、批量生产、产品结构变化频繁，建议根据需求先上PDM，再上ERP，再上MES。笔者公司使用ERP、PDM 系统。

3.5 孪生工厂层

孪生工厂层直观显示物理工厂层所有组成元素的信息，其包含产品模型，设备模型、仿真模型，软件与控制系统等。孪生工厂可以实时显示产品的生产制造过程，也可以模拟产品设计制造过程和性能，并在虚拟环境中进行调整或优化。孪生工厂建设多包含以下工作：

（1）数字建模，包括工厂所有元素三维建模，元素内部件的运动约束，接触形式，电气系统，软件与控制算法等信息进行全数字化的建模。图6 所示笔者公司对产品扫描建模。

图6 利用扫描设备对产品进行扫描建模

（2）仿真验证，对于工厂，其运行时的性能涉及到多物理场、多学科的综合作用。比如，一台发动机毛坯的生产需先对其进行工装设计、浇注过程模拟，后进行造型、浇注、冷却等包含物料性能模拟，机械振动仿真、电气自动运行模拟等，整个模拟过程无异常后进入实际生产流程，在实际生产中做好各个环节的数据信息收集记录导入孪生工厂做到生产信息监控。图7 所示对浇注系统铁液冷却过程进行仿真模拟。

图7 对浇注系统铁液冷却过程仿真模拟

4 结束语

本文结合铸造行业的现状探讨了铸造企业实现数字化转型打造数字孪生工厂的主要框架。打造数字孪生工厂实现全工厂价值流三维虚拟仿真，可实现物理工厂到孪生工厂的数字化转化，生产的一体化和精细化管理，资产、质量、设备、产品生命周期的可视化管理，人力资源管理；其能为企业带来实际价值，助力企业解决战略问题。但是，打造数字孪生工厂需要大量的时间和成本，我们要结合实际充分考虑如何部署，做到短时间内收获最大价值。