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建一座聪明的“虚拟工厂”(新职·新知12)

来源:人民网 物联网 2024-05-04

  张鑫(坐者)与团队成员探讨技术。  受访者供图

  海尔上海洗衣机互联工厂内,应用数字孪生技术的洗衣机内筒生产线正在运行。  受访者供图

  走进海尔上海洗衣机互联工厂,主控室内,张鑫紧盯眼前的数字大屏,指尖轻点鼠标,占地12万平方米的厂区被全景还原,做成三维数字模型“毫厘毕现”地呈于屏上。定睛一瞧,好似游戏里的虚拟世界。

  张鑫是海尔卡奥斯数字孪生工程师。眼前这个和真实厂区一模一样的虚拟“双胞胎”,正是他与团队一起建造而成的。

  数字孪生工程师怎样建起一座“虚拟工厂”?这座“虚拟工厂”有何应用价值?记者进行了采访。

  

  试水数字孪生工厂

  “哒哒哒……”工厂内,机械传动带不停运转,精密的零部件在机器人手中“舞动”,一台台洗衣机被生产出来。

  在这里,洗衣机生产是“透明”的——一物一码、一机一档。在主控室内的数字孪生大屏上,每台设备运行状态、每个部件生产过程都能随时查看。

  数字孪生,是一种虚实融合的复合技术,通过建立三维数字模型,将现实生活中的场景实景复刻,在虚拟世界中打造一个“双胞胎”。

  近年来,随着物联网、大数据应用、AI技术等技术的发展,数字孪生应用领域持续拓宽,有效赋能各行各业,在企业生产制造中的应用越来越广泛。“我的主要工作是打通虚拟空间和现实空间,不仅要创造出孪生的虚拟世界,还要将现实与虚拟联通,实现生产的改进优化,降低成本,提高效率。”张鑫介绍。

  在张鑫带领团队进入工厂数字孪生领域之前,市面上已有大量的数字孪生工厂系统及应用,可实现三维工厂动画、虚实同步、过程回溯,解决数据融合难、数字平台能力弱、系统信息孤岛等问题。

  “在走访调研中,我们发现这种数字孪生技术基本不具备未来推演的能力,如预测生产计划的可执行性和偏差、异常波动对生产的影响及交货期延时的风险等,同时也缺乏对生产系统进行定量评估、分析、优化等能力。”张鑫表示,这正是要突破的方向。

  建一个一模一样的“虚拟工厂”,首先得对现实中的每台设备、每道生产工序了如指掌。张鑫带领的90后团队,成员个个是互联网“能手”,可面对工厂操作犯了难。

  于是,很长一段时间里,团队成员奔走在厂区一线,向产业链上的工人请教,摸透设备、产线;在设备接入物联网并投入运营前,找到专家、运营商,一遍遍修改、完善技术方案。

  “‘虚拟工厂’建成前,我们在心中已经完成了千千万万次的生产、管理‘演练’。”张鑫说,功夫不负有心人。在团队日日夜夜的奋战下,终于利用数字孪生完成了对整条产线的1∶1模拟,一个与实体工厂一致的“虚拟工厂”诞生了。

  “虚拟工厂”可不虚

  逛一圈工厂,可以感受到数字孪生带来的生产变革——

  拿一个洗衣机内筒来讲,为保障精准度,激光焊接时,运行的设备会保持全封闭状态,无法看到内筒细节。

  如何避免生产中的差错?记者发现,在数字孪生大屏上,通过超高精度模型,真实还原了内筒生产细节。据介绍,在焊接内筒时,依托数字孪生实现同步仿真,对洗衣机内筒进行全方位特写展示,并记录设备运行数据,有效提高了生产效率,消除实际生产环节中的盲点,保障了产品质量。

  不仅是洗衣机内筒。“我们以数据驱动孪生工厂的设备运转,可实现全厂人、机、料、法、环、测等全要素实时数据多方式、可视化呈现,对生产全流程监控管理,确保产线运转稳定可控。”张鑫说。

  除了可视、可管,“虚拟工厂”还可“预测未来”——

  “结合数字孪生,我们在海尔上海洗衣机互联工厂打造了数智化全流程质量管理机制,做到了26项数字化智能检测,改变了过去通过员工经验发现问题的老路。”张鑫介绍。

  “在虚拟的产线中,通过短时间快速仿真模拟,在实际生产前提前验证排产排程的合理性,预测可能出现的问题,提前优化解决。”张鑫说,“透视过去看现场,挖掘细节追溯源,预测未来明趋势,‘虚拟工厂’可不虚,作用实着呢!”

  并非构建于投产阶段,而是在规划阶段,张鑫便带领团队搭建了工业元宇宙三维可视化产线搭建与仿真体系。通过物流仿真,计算出效率最优、成本最低的物流排布。

  例如,传统模式下,骨架焊接线位于洗衣机内筒线一侧。这种排布会增加地面存储库位,并且需要增加直通二楼总装线的升降机,成本高。

  “通过数字孪生,有了第二种布局方案。”张鑫说,“在‘虚拟工厂’中,我们尝试将骨架焊接线安置到内外筒预装线旁,生产的双子骨架通过升降机和传送线直接进入内外筒预装线进行预装,最后一起进入二楼总装线,实现‘大件不落地、出厂货不错’。”实践对比发现,这种方案在仓储面积上可节约60%,物流频次下降30%,直通二楼升降传送系统的链条也可缩减1条。

  降门槛促推广应用

  技术逐渐成熟后,新的难题摆在眼前。

  “数字孪生的大规模推广应用成了‘老大难’。”张鑫说,“我们与很多厂家打过交道,常有人问,‘这个虚拟的东西,真能帮我们更好地生产吗?’”

  起初,为了打消厂家顾虑,使其认识到数字孪生建厂带来的价值,张鑫带领团队往一家家工厂跑,可几天下来,成效不大。“由于数字孪生涉及代码编写,操作难度大,企业或相关技术人员一般不太熟悉,听得直挠头。”一次调研中,张鑫忽然有了灵感,“能否实现数字孪生无代码?”

  这个提议一出,整个团队“炸开了锅”——

  有人反对:“这不现实,我们每个程序都需要代码。”

  有人支持:“可以一试,让代码只存在于我们的界面,面向用户的界面是无代码的。”

  “无论怎样,为了让数字孪生技术在建厂上能更加普及,这种尝试很值得。”张鑫说。

  说干就干!团队又进入了新一周期的创新推进。一次次试验过后,张鑫设想的“无代码”终于实现,即推出卡奥斯工序“蓝图”编辑器——无需编写代码就能生成孪生园区、车间。

  “以前工程师使用这门技术,要先学习传统编程语言的知识,再一点点敲代码,技术门槛高,如今我们提供了一种可视化的混合仿真建模工具。”张鑫解释道,“具体来说,通过1∶1打造与工厂中设备、产线实体完全一致的数字模型,厂家可通过拖拉拽、无代码的方式在虚拟环境中‘建厂’,搭建产线模型并进行工序排布的仿真模拟。”

  于厂区技术人员而言,他们在这座“虚拟工厂”接受岗位培训、提升技能的同时,也能在其中随意漫游体验。通过现场的真实操作,亲身融入数字孪生搭建的场景,人们会对数字孪生创造的价值更有体会,接受认可度自然更高。

  现在,海尔卡奥斯打造的数字孪生解决方案逐渐在工厂落地,并应用于中国首台雪蜡车研制以及卧龙电气、上海烟机等企业生产中。以上海烟机为例,基于数字孪生,企业的数据场景构建协同效率提升70%,设备数据传输稳定运行时间提升5%。

  “未来,我希望尽己所能,让数字孪生在制造业中的普及度越来越高,深入挖掘数据价值,提供最优生产运营方案,帮助更多企业解决生产过程中的痛点、难点,打造更多聪明的‘虚拟工厂’。”张鑫说。

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