数字孪生技术在自动化生产线设计中的应用

［摘 要］随着工业4.0 的兴起，数字孪生技术为制造业创新与转型提供了重要的驱动力。数字孪生主要通过高级仿真和建模技术建立物理实体的虚拟副本，利用实时数据同步进行模拟、预测和优化物理实体的性能。在自动化生产线建设中应用数字孪生技术，可以显著提高生产效率、减少故障率和降低维护成本，加速产品从设计到市场的整个周期。文章分析了自动化生产线设计中的挑战，介绍了数字孪生技术在自动化生产线设计中的具体应用，提出了基于数字孪生技术的智能化数字中心方案。

［关键词］数字孪生技术；自动化生产线；设计

［中图分类号］TP391.41 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0123–03

1 自动化生产线设计中的挑战

1.1 当前自动化生产线设计中存在的问题

（1）设备兼容性问题。对自动化生产线来说，很多设备来自不同制造商，在通信与协同工作能力上表现出较大差异，从而增加了自动化生产线设计难度。

（2）当前技术更新换代速度很快，自动化生产线设计需要具备较强的灵活性与可扩展性，才能满足新技术应用要求。但是如何在保证生产效率的基础上，快速调整与升级自动化生产线，是当前设计中需要面对的主要挑战。

（3）自动化生产线的维护和故障排除。自动化生产线若发生故障问题，将造成整个生产过程出现停滞现象，如何设计出既高效又易于维护的生产线，是设计师们需要重点解决的问题。

1.2 自动化生产线设计复杂性和系统集成难题

自动化生产线设计并非只是将各种设备进行简单组合，还包括多个系统的集成与协调工作，这样会导致自动化生产线设计变得非常复杂。一方面，自动化生产线上的各环节需要做到精确协调工作，只要出现较小的误差，将严重影响生产效率，并引发严重的安全事故。另一方面，生产线上各个系统之间存在大量的数据交换，如何确保这些数据的准确无误，以及如何处理这些数据，是设计中需要面对的难题。这需设计师具备深厚的专业知识，也要掌握丰富的实践经验。

1.3 自动化生产线实时数据处理和反馈需求

在自动化生产线运行过程中，会出现大量的实时数据。这些数据主要涉及自动化生产线运行状态各种信息，能够监控生产线运行状况，预测并防止出现问题。但是如何处理这些大量的实时数据，如何将其中有用的信息提取出来，以及如何根据这些信息对生产线进行调整，是设计师们在设计自动化生产线时需要考虑的问题。对此设计师需要具备强大的数据处理能力，能够设计出高效的反馈机制，可以对自动化生产线进行及时调整。

2 数字孪生技术在自动化生产线设计中的具体应用

2.1 生产线设计与仿真

应用数字孪生技术可以创建一个自动化生产线的虚拟副本，即“数字孪生”，这样工程师可以在没有实际建造物理系统的基础上，对整个生产线采取详尽的分析与测试的方法。在自动化生产线设计的初期阶段，工程师要应用数字孪生技术建立精确的生产线虚拟模型，该模型既涉及生产线的物理布局，也涵盖了生产过程中的全部关键参数，包括机器工作速度、物料流动路径、工序时间安排等。利用该虚拟模型，工程师能够在计算机上对整个生产过程进行模拟，观察自动化生产线在各种条件下的表现情况。数字孪生技术具有极高的灵活性与可调整性，工程师能够实时对模型中各项参数进行调整，如改变机器的速度、更换原材料的供应方式、调整产品的质量标准等[1]。

通过以上调整，能够立即在虚拟环境中展示出效果，工程师能够快速评估不同设计方案的性能。这种快速迭代的过程能够让设计周期缩短，提升设计效率。数字孪生技术的应用，还可对自动化生产线进行风险评估与管理。从实际生产来看，任何小的错误或故障都会造成生产线的停工，并带来较大的经济损失。在虚拟环境中对潜在故障情况进行模拟，工程师能够提前发现并解决这些问题，有效降低实际生产中的风险。数字孪生技术还能够与现有的生产管理系统进行集成，如MES、ERP 等，能够让数据达到实时同步的要求。对虚拟模型来说，能够结合实际生产数据进行更新，提升模型准确性与实用性。在深入分析生产数据的过程中，工程师能够进一步对生产线设计进行优化，提升生产效率与产品质量。

数字孪生产线的设计方案如图1 所示。

（1）双向数据驱动。建立双向数据驱动模型后，能够让虚拟产线与真实产线之间进行无缝联动。真实工业产线通过实时数据驱动数字孪生产线的即时调整，反之亦然，数字孪生产线能够利用指令数据对真实工业产线各项操作进行驱动，如开关机、暂停等，让产线控制达到灵活、精确等要求[2]。

（2）数据资源的深度挖掘。数字孪生系统既能够将各种重要数据自动记录下来，如良品率、开工时间及平均质检时间等，也能够将视觉效果直观展示出来，有效节省大量人工记录时间，让未来产线优化与决策获得足够的数据支撑。从实际生产应用效果来看，虚拟产线与真实产线进行实时互动，能够让数字孪生产线达到稳定性要求。

2.2 生产过程监控与优化

构建虚拟的生产线模型，可以对自动化生产线进行实时监控，将生产环节形成的各种关键数据收集起来。从实际操作情况来看，数字孪生技术借助传感器、物联网设备及其他智能系统，能够对物理生产线上所有参数进行监测，包括设备运行状态、生产速度、产品质量、温度及压力等。对各项数据来说，可以向数字孪生模型进行实时传输，这样制造商能够在高度逼真的数字环境下对整个生产过程进行观察与分析。在深入分析掌握的数据基础上，制造商能够即时识别出生产过程中出现的任何问题或瓶颈。若数字孪生模型显示某个特定环节生产速度低于预期，工程师能够及时对相关物理设备进行检查，确定是否存在故障或配置不当等现象。若质量监测数据显示某一批次产品出现质量问题，制造商能够迅速追溯并找出问题根源，如原材料问题、操作失误或机器需要校准等[3]。

建立系统预警模型，循环采集生产线实时数据进行匹配分析，能够对自动化生产线运行状态进行在线预警。车间建设内容框架如图2 所示，正常运行需要机床、自动导引运输车、机器人、数字化立库、柔性管控系统等提供实时数据，从而对生产线、数字化立库等硬件进行合理布署，并开展基于孪生的可视化、过程数据采集、监控及预警等工作。

2.3 设备维护与预测性维护

（1）通过数字孪生技术实时收集设备各种运行数据，如温度、压力、振动等关键参数。对这些数据进行实时分析，能够及时发现设备存在的异常情况，对设备故障进行预测。在设备出现故障之前采取有效措施，提高维修效果，防止因设备故障引起生产中断的问题，让自动化生产线运行更加稳定。

（2）数字孪生技术的应用有利于优化设备的维护周期。在对历史维护数据进行分析的过程中，能够找出设备的磨损规律和故障发生的概率，制订更加科学的维护计划。通过这种方式，能够降低设备维护成本，延长设备使用寿命，提高设备整体效率。

（3）数字孪生技术也有利于人们理解设备的工作原理和性能限制。对设备模型进行仿真和分析，能够发现设备的潜在问题和改进空间，从而为设备的升级和优化提供有力支持。

2.4 能源管理与优化

能源管理与优化是工业生产过程中需要重视的内容，主要包括如何有效使用能源，减少浪费和降低成本，也为环境保护创造条件。在此过程中，数字孪生技术是实现这个目标的有力工具，数字孪生技术是一种先进的模拟技术，能够通过创建物理实体的虚拟副本，实现对实体的实时监控和分析。在自动化生产线中应用数字孪生技术，也能对能源消耗进行实时监测，为能源管理创造条件。通过对能源数据进行实时监测，企业能够及时发现能源浪费的环节，从而采取相应的节能措施。在自动化生产线建设过程中，若某个生产环节能源消耗较高，则容易出现能源浪费的问题。应用数字孪生技术，企业能够迅速发现这个问题，并对其进行深入分析，找出问题的根源，然后提出相应的解决方案。具体来说，需要改进设备，优化生产流程，或者改变能源使用策略等。

2.5 生产线改造与升级

对生产线进行改造与升级，有利于制造企业提升竞争力、提高效率，从而有效适应市场需求变化。在自动化生产线的改造与升级中应用数字孪生技术，能够帮助企业实现以下目标：①快速集成新设备。建立新设备的虚拟模型，并将其与现有生产线的数字孪生模型进行集成，确保不影响实际生产的基础上，能够在新设备布局、安装与调试等方面完成模拟。这样能够让新设备集成时间缩短，降低集成过程中出现的风险。②联合仿真评估。在新旧设备虚拟环境下进行联合仿真，能够预测新设备加入后生产线的整体性能与生产效率。在仿真过程中，能够将潜在瓶颈与冲突揭示出来，有利于企业在实际操作前进行相应调整与优化。③影响分析与优化。数字孪生技术能够对新设备生产线各个部分影响进行模拟，如物料流动、能耗、产品质量等方面。在分析上述因素的过程中，企业能够识别最佳设备配置与生产流程，提升生产效率与成本效益。④风险管理。在生产线改造与升级过程中，难免出现各种风险。在数字孪生技术的支持下，提前进行模拟与测试，能够在不影响实际生产情况下发现与解决问题，达到降低风险的目的。⑤持续改进。数字孪生模型能够对生产线数据进行实时收集，通过数据分析与机器学习算法，对生产过程进行优化。这种持续改进机制，能够让生产线适应不断变化的生产要求与市场条件。

3 基于数字孪生技术的智能化数字中心方案

3.1 智能化数字中心概述

智能化数字中心，是一个集监控、分析、决策和指挥调度于一体的三维可视化智能实时协作平台，实行24 h 运行，实时传输和采集生产现场的生产信息，从而强化各生产车间统一协调管理，持续发挥协同作战优势。同时，将自动化、信息化、管理化技术融合为一体，实现对全厂各工序的集中生产调度、监控和远程操作，让传统生产工艺与信息化建设相结合，以模块化、数字化、自动化和智能化为手段，以计算机网络技术、大数据技术、信息安全技术、智能应用为依托，搭建一套生产管控一体化系统平台，最终打造少人值守、经济运行、高效管理、本质安全、环境友好的炭素全流程绿色智能工厂。

3.2 智能化数字中心的功能

3.2.1 智能生产

通过建立覆盖全流程生产执行系统，对生产计划、调度排产、产品质量、生产设备等整个生产过程进行主动、动态、实时和闭环管理，统管整个生产流程并实现逆向追溯，保证产品质量稳定、均一、优质，为生产管理提供决策支持。同时利用底层PLC 和DCS系统，实时采集15 000 多个点位的温度、压力、流量、转速等运行数据，即时感知设备运行状态，有效实现在线感知、实时优化、超限报警，切实提升装备安全运行效率。

3.2.2 智能安全

利用三维数字技术对生产厂区和关键设备进行立体建模，通过“一张图”，实时感知各生产企业重大危险源、设备、监控、消防、人员、环保、能源、车辆、物质等超限超区域异常信号，声光报警，联动响应，第一时间发现、处置异常风险，为企业安全生产保驾护航。中心建成后，将实现生产全流程“八合一”集控，即分布在煅烧、成型、焙烧、发电等4 个车间的x 个操作室的岗位人员全部迁入新建的智能数字中心管控大厅，完成全厂各工艺流程的集中监控和远程操作；实现“智慧”高效管控，集控中心管控大厅设置调度、安全、生产、环保、设备、技术、能源、质量等功能区，汇聚生产组织、安全环保、系统运维、质量分析、人员管理、能源消耗等管理模块，大幅推进现场作业少人化和无人化，高效提升生产组织效率和厂务管理能力。

4 结束语

数字孪生技术在自动化生产线设计中的应用，能够有效提高生产效率、降低成本及增强决策支持。随着技术的不断进步和成本的降低，数字孪生将在未来成为自动化生产线设计的标准组成部分。为了进一步发挥数字孪生的潜力，还需要解决数据集成、安全性和标准化等挑战，要重点关注这些挑战的解决方案，以及如何更好地将数字孪生技术与现有的生产系统融合，以实现制造业的数字化转型。

参考文献

[1] 徐非. 基于数字孪生技术的自动化微电子生产线智能控制研究[J]. 自动化与仪器仪表，2022（10）：93-97.

[2] 赵永豪，郭昊. 基于数字孪生技术的自动物料检测输送线设计与仿真[J]. 信息与电脑（理论版），2022，34（17）：7-10.

[3] 朱春明，何仁平，周来. 基于数字孪生的总装车间质量智能管控决策应用技术[J]. 兵工自动化，2022，41（6）：24-30.