★汉威广园（广州）机械设备有限公司陈磊

1　目标和概述

钢铁工业棒线材生产线（线材、棒材）所辖高技术、高性能设备较多，具有生产节奏快、工序连续性强、设备结构及工况复杂等特点，设备一旦突发故障停机，会直接造成较大的生产效益损失，给企业的高效生产带来严重挑战。

通过构建棒线材设备数字孪生运维系统，以“数据驱动工业服务”的创新应用解决方案，建立精准、实时、高效的数据互联体系，实现设备全生命周期管理。平台系统基于设备运行状态数据的采集、汇聚、分析，以“产线级”数字孪生3D可视化的方式呈现，便于判别设备异常，监控和掌握设备状况，社会资源通过系统向钢铁客户弹性提供人和料等制造资源，实现高效配置，避免、减缓、减少重大事故的发生。最终形成资源丰富、多方参与、合作共赢、协同演进的重工业新生态。

棒线材设备数字孪生运维系统项目利用物联网、大数据、数字孪生技术，集成各家在线监测系统之所长，建立基于物联网技术的棒线材设备数字孪生运维系统，通过实时采集设备运行过程中的振动、油液、温度、电流、转速等数据，建立多维度的数据分析与优化功能，利用数据和信息分析进行有效的判断和决策，以“产线级”数字孪生3D可视化的方式呈现，便于判别设备异常，准确预测出设备隐患，根据运行状态，安排检修计划，达到了提升生产设备使用效率同时有效避免恶性事故发生的目的，具有国际先进的运维水平。

本系统在设备预测性维护方面，基于工业大数据及AI技术，通过数据分析，达到识别故障来源，确定故障程度的目的。对振动数据方面，利用趋势分析、时域波形、包络解调、频谱分析、波形再处理、瀑布图、多时域/多频域分析、倒谱分析、测点趋势图分析等多种信号处理手段，诊断设备故障的部位、损坏形式和严重程度。通过业务与平台系统实时对接、业务模型实时回溯调整，形成了主动预测、结果研判，实现智能算法设备报错，设备残余寿命计算等。为设备检修、运行保证、维修计划等工作提供有力的数据支持。提高设备的安全运行周期、节约检修成本，避免突发故障和事故。

2　方案介绍

通过构建棒线材设备数字孪生运维系统，建立精准、实时、高效的数据互联体系，以“数据驱动工业服务”的创新应用解决方案，实现设备全生命周期管理。运维系统利用在线监测与分析仪器，采集振动、温度、油液、电流等信号数据，对异常状态及时做出报警，为进一步的故障分析、性能评估等提供信息和数据。系统基于设备运行状态数据的采集、汇聚、分析，以“产线级”数字孪生3D可视化的方式呈现，便于判别设备异常，监控和掌握设备状况，社会资源通过系统向钢铁客户弹性提供人和料等制造资源，实现高效配置，避免、减缓、减少重大事故的发生。最终形成资源丰富、多方参与、合作共赢、协同演进的重工业新生态。

棒线材设备数字孪生运维系统是以“数据驱动工业服务”的一站式“互联网+”设备综合服务平台系统，致力于设备全生命周期服务。系统采用“一端采集，四方共享；设备数据共享，商业数据隔离”的软件架构，实现“数据采集端→设备使用企业→设备服务方→设备制造方→平台运营商”的全数字化打通。

棒线材设备数字孪生运维系统作为产业级互联网平台，兼具聚焦和普适双重特性，面对行业需解决的设备难点、痛点问题以及不同需求，为钢铁冶金行业的用户提供棒线材设备个性化定制服务模式，依托运维系统，为上下游用户提供全产业链创新服务。

棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-产线级）如图1所示。

图1 棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-产线级）

2.1　业务架构

棒线材设备数字孪生运维系统项目利用物联网、大数据、数字孪生技术，集成各家在线监测系统之所长，建立基于物联网技术的棒线材设备数字孪生运维系统，通过实时采集设备运行过程中的振动、油液、温度、电流、转速等数据，建立多维度的数据分析与优化功能，利用数据和信息分析进行有效的判断和决策，以“产线级”数字孪生3D可视化的方式呈现，便于判别设备异常，准确预测出设备隐患，根据运行状态，安排检修计划，达到了提升生产设备使用效率同时有效避免恶性事故发生的目的，具有国际先进的运维水平。

棒线材设备数字孪生运维系统推出针对客户痛点问题的工业服务应用，集合人力、物力、财力等生产要素，扁平化组织缩小管理时空，增强应变能力，便于钢铁企业对设备进行高效管理。在钢铁工业客户内部，实现从车间到决策层的纵向互联；在企业间，实现上下游企业（供应商、经销商、服务商、行业专家、合作伙伴）之间的横向互联；从产品生命周期的维度，实现产品从设计、制造到服役，再到报废回收再利用整个生命周期的互联。棒线材设备数字孪生运维系统功能模块如图2所示。

图2 棒线材设备数字孪生运维系统功能模块

2.2　核心技术

棒线材设备数字孪生运维系统在设备预测性维护方面，基于工业大数据及AI技术，通过业务与平台实时对接、业务模型实时回溯调整，形成了主动预测、结果研判，实现智能算法设备报错，设备残余寿命计算等。为设备检修、运行保证、维修计划等工作提供有力的数据支持。提高设备的安全运行周期、节约检修成本，避免突发故障和事故。

技术原理和研发情况如下：

（1）在线监测：进行数据采集，故障分析和数据管理。建立覆盖实施对象的关键零部件、关键故障形式的在线监测系统。收集完整的设备运行数据，建立运行档案。综合运用振动、油液、电流、温度等数据监测和故障诊断技术，及时了解设备运行状态，把握运行周期的劣化趋势。系统自带的信号处理技术和数据处理功能，将原始振动波形处理成为振幅频谱图，再处理、包络解调、倒谱等功能可以滤去特定频率或者频段波形。

振动有线采集站，技术要求：传感器驱动电流4mA/24V，输入阻抗≥220kΩ，频率范围最高40kHz，AD采样位数16位或以上，存储标配256M或以上，有线以太网TCP/IP，10/100baseT，光纤（可选），通信RS485，最大2路，可支持油液传感器,倾角传感器的接入.可选输入电压220VAC±20%，50~60Hz（可定制）或12~24VDC具备抗电磁干扰能力。

（2）故障诊断：通过数据分析，达到识别故障来源、确定故障程度的目的。对振动数据方面，如趋势分析、时域波形、包络解调、频谱分析、波形再处理、瀑布图、多时域/多频域分析、倒谱分析，测点趋势图分析等多种信号处理手段，诊断设备故障的部位、损坏形式和严重程度。设备在某一运行状态下，各种故障类型（例如：不平衡故障，轴承故障，齿轮啮合不良，油膜涡动等）均对应特定振动频率，在振动频谱图可以确定设备故障来源；不同故障来源均有其故障初期、中期及后期典型图谱，与设备振动图谱对比可以判断故障发展程度。棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-振动图谱分析）如图3、图4所示。

图3 棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-振动图谱分析1）

图4 棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-振动图谱分析2）

（3）数字孪生：将现场设备通过3D建模（如图5所示），以数字孪生的手段将现场实时数据同步在Web、APP，如果振动强度超出预警值，则以不同的颜色标示出来。用户可直观、及早发现故障劣化趋势，实现及时维护处理，保证整线的正常运作。该数字孪生是将人工智能、大数据等新的计算能力进行数据处理任务，以数据、模型为主要元素构建的基于模型的系统工程，依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测，进而优化物理实体，同时进化自身的数字模型。

图5 多维动态建模

本项目系统使用数字孪生技术，在整个产品生命周期中仿真、预测和优化产品与生产系统，结合多物理场仿真、数据分析和机器学习功能。最终，棒线材生产线以数字孪生3D可视化的方式展现“产线级”“设备级”，在设备级中内部结构健康状况清晰可见，无限趋真。

2.3　领先性及创新点

棒线材设备数字孪生运维系统通过输入、输出和所封装的关键技术及运用数字孪生技术，对设备几何结构和外形的三维建模，应用软件与控制算法等信息进行全数字化的建模技术结合多物理场仿真、数据分析和机器学习功能，实现设备以3D可视化方式呈现（如图6、图7所示），平台基于海量设备运行状态数据的采集、汇聚、分析，在设备运行周期中仿真、预测设备缺陷，对异常状态及时做出报警，为进一步的故障分析、性能评估等提供信息和数据。3D可视化模块的建成，能实时监测设备运转情况，实现对设备状态的可视化浏览，清晰完整地展现整台设备状况。便于设备管理人员及时发现故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生。

图6 棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-设备级1）

图7 棒线材设备数字孪生运维系统（Web界面-设备级2）

通过构建棒线材设备数字孪生运维系统，建立精准、实时、高效的数据互联体系，不断研究与开发创新应用解决方案，建设面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的应用环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断优化设备的研发设计、生产制造、运行与维修、运营管理、人料供需交易等资源配置效率。

棒线材设备数字孪生运维系统，具有泛在连接、云化服务、知识积累的三大特征。（1）泛在连接。即具备对设备、软件、人员等各类生产要素数据的全面采集能力。（2）云化服务。即实现基于云计算架构的海量数据存储、管理和计算。（3）知识积累。即能够提供基于工业知识机理的数据分析能力，并实现知识的固化、积累和复用。

3　代表性及推广价值

智能制造作为一种快速提升生产的高品质、高质量、高服务的制造方式，是所有工业企业所追求的一种最优生产组织模式。设备智能运维技术是“智能化”生产的重点成果，可实现高质量、低成本、低劳动力的要求，将极大提高企业的经济效益，提升企业的竞争力。

棒线材设备数字孪生运维系统在盛隆冶金、华菱湘钢等大型钢铁企业落地，不仅赋予了智能制造新的内涵，而且通过数字孪生生产线的标杆示范作用，为推进行业可持续发展和打造智慧钢铁注入了新动能。因此作为产业级互联网平台—棒线材设备数字孪生运维系统，具有十分广阔的推广应用前景，具有显著的社会效益。

棒线材设备数字孪生运维系统可根据设备运行状态变化和业务需求，通过数据分析达到识别故障来源，确定故障程度的目的，及早安排人和料消除设备缺陷，提高生产线运行效率和辅助管理决策，助力企业数字化转型。

3.1　经济效益

通过棒线材设备数字孪生运维系统解决方案的落地实施，为棒线材设备检修、运行保证、维修计划等工作提供有力的数据支持。提高设备的安全运行周期、节约检修成本，避免突发故障和事故。

（1）减少故障损失。通过运维系统自动化故障检测和预警功能，自动判断设备在运行过程中存在哪些隐患，以3D可视化的方式，辅助其找到故障原因并分析，便于发现故障的早期征兆，减少误判问题的概率，以便采取相应的措施，快速消除故障，避免、减缓、减少重大事故的发生，实现高效的运维环境。

（2）降低维修费用。通过系统对设备异常运行状态的实时分析，揭示故障的原因、程度、部位，为设备的在线调理、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低修护费用。

（3）完善企业信息化建设，消除数据孤岛。设备联网化，实时查看设备运行动态数据，数据可留存和追溯。打通企业各系统间的数据通道，将多类型设备信息和参数统一保存和管理。将传统的人工记录、纸质表单、签字审批等流程转换为线上系统流程化管理，形成可追溯记录。

3.2　社会效益

棒线材设备数字孪生运维系统的有效运行带来的社会效益，主要有以下方面：

（1）面向社会化生产的资源优化配置与协同

运维系统可以实现制造企业与外部用户需求、创新资源、生产能力的全面对接，推动设计、制造、供应和服务环节的并行组织和协同优化。

在协同制造场景中，平台通过有效集成不同制造企业、生产企业及供应链企业的业务系统，实现供应、生产、维保的并行实施，大幅改善产品供应与维护状态，降低成本的同时，保障了设备功能与精度。

在制造能力交易场景中，工业企业通过平台对外开放空闲制造能力，实现制造能力的在线租用和利益分配。

在个性化定制场景中，平台实现企业与用户的无缝对接，形成满足用户需求的个性化定制方案，提升产品价值，增强用户粘性。

（2）面向产品全生命周期的管理与服务优化

棒线材设备数字孪生运维系统可以将产品设计、生产、运行和服务数据进行全面集成，以全生命周期可追溯为基础，在设计环节实现可制造预测，在使用环节实现健康管理，并通过生产与使用数据的反馈改进产品设计。

在产品溯源场景中，平台借助标识技术记录设备、物流、服务等各类信息，综合形成产品档案，为全生命周期管理应用提供支撑。

在产品与装备远程预测性维护场景中，将产品与装备的实时运行数据与其设计数据、制造数据、历史维护数据进行融合，提供运行决策和维护建议，实现设备故障的提前预警、远程维护等设备健康管理应用。

在产品设计反馈优化场景中，平台可以将产品运行和用户使用行为数据反馈到设计和制造阶段，从而改进设计方案，加速创新迭代。

摘自《自动化博览》2023年9月刊