5G+工業互聯網的數字孿生鋼管生產集成技術研究

作者簡介

徐明

中國電科太極計算機股份有限公司高級工程師，主要研究方向為工業互聯網應用、數字經濟等。

論文引用格式：

徐明. “5G+工業互聯網”的數字孿生鋼管生產集成技術研究[J]. 信息通信技術與政策, 2023, 49(11): 33-40.

“5G+工業互聯網”的數字孿生鋼管生產集成技術研究

徐明

（中國電科太極計算機股份有限公司，北京 100012）

摘要：“5G+工業互聯網”是裝備制造企業實現數字化轉型的重要途徑。首先設計了鋼管生產數字化框架，其次探討了鋼管生產車間應用“5G+工業互聯網”的組網方式、關鍵工序改造和技術集成，最后研究了鋼管全生命周期的唯一標識及應用數字孿生技術建構虛擬生產和物流系統，包括鋼板和成品物流、鋼管加工成型、質檢及交互操作等場景。結果證明，“5G+工業互聯網”滿足鋼管生產數字化轉型的需要和智能化升級的需求，也為制造行業建構虛擬生產線提供了參考。

0 引言

直縫埋弧焊管因缺陷概率小、管形好、尺寸精確等特點,常用于液體和氣體輸送，廣泛應用在建筑、石油化工、機械制造等領域。并且，其生產線自動化程度高、生產成本低，適合用于5G全連接工廠的試點工作。為實現智能制造、虛擬工廠等目標，突破的重點包括鋼管生產線應用“5G+工業互聯網”組網和生產設備的5G改造，鋼管生產物流和商用全生命周期的唯一精確識別，以及可交互的虛擬生產線構建。本文將在直縫鋼管生產過程中應用“5G+工業互聯網”以實現虛擬生產和物流的框架設計，首先針對連續工藝過程、成品物流過程中的關鍵工序進行5G組網和重要設備的5G改造，其次研究了鋼管全生命周期的唯一識別和虛擬生產物流關鍵技術的集成，并構建堆場原材料/成品管理系統、虛擬鋼管生產線管理系統、鋼管成品缺陷評審協同系統等典型場景說明其應用效果，最后展望了“5G+工業互聯網”的數字孿生鋼管生產線技術在5G全連接工廠和數字化轉型中的應用前景。

1 “5G+工業互聯網”虛擬鋼管生產技術分析

1.1 鋼管生產物流現狀和數字化轉型目標

直縫鋼管的生產從堆場中調撥鋼板開始，經過初焊、內外焊、擴徑、探傷、水壓試驗等工序的加工和檢測，形成合格成品鋼管，再調撥堆場存放。其中,生產車間有用于排班的生產管理系統和用于工序加工管理的制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）；焊接工序有點焊機器人；噴標工序有噴涂機器人；自動測量設備有超聲波探傷檢測、管端測量和鋼管稱重設備；擴徑前后有樣品的理化檢驗等；鋼板的板探和銑邊、被沖壓成“O”型的預彎邊和成型、鋼管水壓試驗等工序都裝有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等工控設備。以國內某直縫鋼管廠為例，生產和物流的自動化和信息化程度逐年提高，但仍保留了部分人工操作，如生產車間的每個工序（近30 個）都至少有一兩人操作和維護。根據數字化轉型目標和智能制造要求，有望進一步提高其自動化和智能化水平。例如，從堆場中調撥鋼板到合格成品鋼管進入堆場的過程保持鋼管可唯一準確識別，從而做到鋼管全生命周期（包括鋼管的生產物流過程和最終用戶現場使用過程）的質量可追溯和“無縫”快速安裝連接。

在當前鋼管生產線智能制造的現狀中，馬朝輝等利用可遠距離快速識別標簽的射頻識別技術自動讀取鋼管管號，總體效果良好。王文娟等證明了二維碼標識面在磨損、劃傷以及銹蝕等情況下，其識別功能與識別效率都受到了影響。劉榮 等對鋼管的全生命周期管理和跟蹤鋼管的二維碼技術和方法進行了研究?？挛?等將當前的智能設備和二維碼技術相結合，闡述了二維碼在工藝生產流程中的應用。白巖柏采用二維碼對零部件進行標識，實現了裝配數據的遠程可視化。

龔敏應用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術模擬各工序,同時結合數字孿生技術構建了虛擬加工過程，實現了向施工最前線傳遞信息的可視化。王振聲等研究了管道智能化、智慧互聯大管網指引下，支撐管道“全數字化移交、全智能化運營、全生命周期管理”的關鍵技術及階段性成果。李明昊等分析了數字孿生與增強現實融合驅動的地下管網結構安全評價方法，可為提升現場即時處置能力提供技術支持。陳繼文 等探討了基于數字孿生技術的檢測方法，可有效實現機械故障預警和診斷。

按照標簽的供電方式不同，鋼管號射頻識別技術可分為無源射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、有源RFID與半有源RFID三類。采用無源RFID方式的標簽可應用噴涂工藝在鋼管上噴涂二維碼；采用有源RFID方式的標簽是帶有磁性外殼的高頻抗金屬電子標簽，同時要求具有耐強酸、耐強堿、耐高溫等特性。兩種標簽都可以用固定掃描器或手持掃描槍自動識別。但也可能產生以下問題，如鋼板邊緣雙面銑削、打磨、水洗造成二維碼缺損或不清晰；沖壓鋼管造成二維碼變形；鋼管全長擴徑導致二維碼丟失；管端切削導致二維碼缺損；加工過程中水洗和廢棄油污染二維碼；水壓試驗過程中大量水汽導致識別障礙；冷加工過程要求噴涂材料不易燃；鋼管的防腐和涂層工序導致二維碼失效；成品鋼管露天易銹蝕；加之車間環境工業無線網的信號強度不均勻以及受到堆積材料和天車運行的影響，導致各工序的MES終端信息共享能力低等。因此對鋼管的唯一識別是鋼管生產線數字化轉型的關鍵，生產數字孿生及虛實互動操作、可視化質檢和鋼管質量可控可追溯是數字化轉型的另一個重要目標。

1.2 “5G+工業互聯網”鋼管生產框架設計

隨著5G技術演進和企業數字化轉型，應用“5G+工業互聯網”構建虛擬鋼管生產涉及產線、車間、工廠等不同區域，基于工業互聯網網絡、平臺、安全等體系，基礎設施將形成“云—邊—端”架構（見圖1）。

圖1 “5G+工業互聯網”鋼管生產過程框架視圖

首先，用于鋼管生產制造的“5G+工業互聯網”組網將基于5G公網架構的虛擬專網形式，主要利用5G接入信息技術（Information Technology，IT）和運營技術（Operational Technology，OT）網絡，加快IT-OT網絡的融合，從而支撐現有的工業現場總線、工業以太網和工業無線網的網絡互通。

前端設備涉及人員和終端、生產設備、物料和半成品、資源和能源、環境和監控、質控和測量等，5G網絡與工廠現有網絡及設備的接入方式包括5G工業網關、5G客戶前置設備、內置5G通信模組3種，可改造有線網絡、工廠總線、工業以太網、工業無線網的聯網和設備，其中5G多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）可以支撐工業互聯網應用調用5G網絡的位置服務、分流等能力，并支持制造執行系統MES、數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）和工業應用系統機器視覺的部署。

在產線、車間、工廠3個層面分別部署邊緣計算節點，用于實時業務、應用智能、安全與隱私保護。在產線部署邊緣控制器，可提升鋼管生產過程中數據的采集與傳輸能力和智能化應用的可控能力；在車間部署邊緣網關，可開展工業協議轉換、數據預處理，提升工業數據質量。

產線的典型加工設備及其控制軟件和管理系統采用云化部署,包括現場設備、控制系統、工業軟件、企業資源計劃系統（Enterprise Resource Planning，ERP）等。云化部署是在不同生產物流分支和物聯等場景下，將人、物、數據和應用盡可能連接起來，然后在一個開放、安全、可靠的工業云平臺，借助云端管理實現資源的集中調度。其中，云端資源的開放意味著便捷高效共享的同時要具備高可靠性和安全性。結合鋼管生產實踐，可將產線上的機器人、PLC、SCADA、MES、機器視覺檢測平臺、企業資產管理系統等安全上云，通過遠程調用、資源共享、高算力性能可實現本地設備、系統的輕量化；此外，可以通過邊緣計算、人工智能等技術，在生產端就近提供智能化服務。

1.3 “5G+工業互聯網”數字化轉型的重要技術

1.3.1 鋼管生產過程的唯一標識和識別技術

圖2是國內某直縫鋼管廠生產加工示意圖，其中紅色框線的工序首次噴涂和補充噴涂二維碼。在鋼板上料和加工過程中主要采用固定掃描器或者工業相機拍攝二維碼，識別的鋼板標識進入MES系統。在預焊工序首次使用噴涂機器人噴涂二維碼，其中包含鋼板編號、鋼管唯一標號（具有128位編碼）、噴涂機器人編號和加工時間、崗位編號等生產信息。分別在內焊、外焊、1號射線探傷、機械擴徑、擴徑后橢圓度測量、水壓試驗、2號超聲波探傷、2號射線管端拍片、管端測量、稱重測長、鋼管噴標、成品管進入堆場等工序采用固定掃描器自動識別鋼管；而在1號超聲波探傷、補焊、火焰平頭管端切削、管端倒棱、2號手動探傷等工序使用手持掃描槍。在機械擴徑、水壓試驗等工序易導致二維碼缺陷或丟失，需要重新噴涂二維碼。在水壓試驗工序，由于水汽和油污大，需采用高清晰工業相機連續拍照，利用計算機視覺技術識別二維碼；而在一些對火敏感的工序則采用磁性外殼的耐高溫抗金屬有源標簽（2.4G）輔助標識，采用高頻讀寫器接收鋼管號。所有識別鋼管編號的設備和噴涂設備均云化部署，并由云化的MES共同管理。

圖2 國內某直縫鋼管廠生產加工示意圖

若在探傷和射線檢查或水壓試驗工序發現質量不合格的鋼管，要通過車間的天車將鋼管運抵其他崗位或工序進行修復，或經鑒定是否報廢處理。天車裝有5G網關，可以與發現鋼管質量不合格的工序上的MES終端，通過工業云平臺同步鋼管編號、掃描設備編號、工序編號等信息，天車按照指令運行到鋼管所在工位上空，同時天車上的掃描設備識別鋼管號并發往車間邊緣服務器，與前面獲得的缺陷鋼管號信息進行匹配以保障天車作業位置正確。以探傷工序上的缺陷鋼管為例，當被修復的鋼管重新進入加工隊列時，天車將識別的鋼管號發送到車間MES系統，此時車間將重新安排加工計劃和調度，修復鋼管的編號發送到探傷工序上的MES終端，與缺陷鋼管編號進行匹配。然后，天車將按照指令把修復鋼管送到探傷工序位置，被修復鋼管將按照新的調度計劃重新進行加工。這樣采用多種傳感器技術和多工序設置統一標識可保障鋼管在生產過程中編號的唯一性，為后續鋼管質量跟蹤和預測提供數據基礎。

1.3.2 “5G+工業互聯網”組網和設備5G改造

考慮到鋼管廠存在向上級單位上傳重要生產信息的需求，采用5G切片技術定制部署適合該廠的網絡和邊緣云服務，同時保障用戶的安全。為實現鋼管生產物流過程的統一標識和識別，需要在車間層面部署時延低、實時性好、穩定性高、并發數高、安全優化的現場工業MEC。以下對5G簡化組網、設備5G改造和兩類典型5G改造場景進行簡單介紹。

簡化的5G融合組網。主要利用5G大帶寬特性接入IT網絡，同時利用5G低時延、高可靠的特性接入OT網絡，加快融合形成星型網絡架構，構建虛擬產線的5G融合網絡基礎。其中，5G相當于IT和OT的“融合載體”，可以克服傳統“兩層三級”ISA-95和車間OT 2-4級有線組網的傳輸效率低的缺陷。車間內的原有現場設備通過加裝遠程輸入輸出（Input/Output，I/O）模塊和5G移動終端可以直接接入5G融合組網，原有控制多設備協同工作的PLC（這里指主控PLC）或者被部署在車間的邊緣服務器端和MES一起工作，通過MES與被控設備的IO模塊進行5G通信，或者將主控PLC進行5G改造?？紤]減少PLC硬件設備和通信層級的需求，現場設備盡可能直接通過5G與主控PLC通信，進行實時數據采集等，滿足工藝優化需求。同時，5G MEC自身具備邊緣計算服務能力，可以部署SCADA、數據分析服務器等應用，既能簡化設備和網絡的部署安裝，也能優化分流點到應用的路徑。在設備層一次性部署5G終端，滿足OT實時控制。這樣同一5G網絡下每個用戶設備組將同時支持實時及非實時業務流，實現實時及非實時通信。圖3為國內某直縫鋼管廠5G改造生產線示意圖。

圖3 國內某直縫鋼管廠5G改造生產和物流示意圖

廠區設備5G改造。鋼管廠的廠區升級改造要利用有線或無線網絡，原有的數控機床、壓縮機、電動機、精密檢測、離心泵、噴涂設備和二維碼固定掃描器等設備可采用有線方式，必要時也可以加裝5G網關進行改造；而叉車、天車、機器人、工業相機、除塵器、手持掃描槍等有移動需求的設備優先采用5G方式。生產現場包括多種通信需求的生產業務流，通過5G網絡可傳輸的數據（如視頻、聲音、高清晰圖片、海量的文字數據、時延和可靠性要求較高的指令信息等）作為構建虛擬產線的數據基礎。如焊接工序有低速、大容量的電流電壓數據，水壓試驗或X射線探傷有大帶寬的視覺圖像與監控視頻、類辦公業務的數據訪問業務等。從生產現場的設備來看，存在同一設備同時連接多種不同業務的需求，如噴涂機器人控制器需要訪問主控PLC的同時分析半成品質量數據。在終端、設備、物料、成品等進行5G聯網后，便可通過人工輸入、系統導入、自動感知、設備讀取、視頻采集、系統生成等方式采集各類生產運營管理所需的數據（如研發數據、生產數據、運維數據、管理數據、外部數據等）。

兩類典型5G改造場景包括多工位共享人機界面（Human Machine Interface，HMI）和云化PLC。

多工位共享HMI：產線的預焊、內焊、外焊和補焊由于在不同工序上，且受操作視野或者物料設備堆放對無線信號的影響，通常在各自獨立的生產安全區均安裝一個HMI，執行本工位的安全操作（如急停、使能按鈕等）。圖4展現了5G超高可靠和超低時延通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）改造前后的HMI應用場景。常規的工業無線無法解決多工位共用一個HMI實時安全信號的可靠性要求，5G支撐的無線方式能提供可靠安全信號傳輸，在多個工序上共用一個HMI，預計減少HMI數量近75%，如將原來距離較近的幾個焊接工序上的HMI合成一個，不僅增加了HMI的可靠工作范圍，而且能夠降本增效。

圖4 5G URLLC改造前后的HMI應用場景

云化PLC：產線的機器人、水壓試驗、噴涂打碼、激光打碼、管端測量、成品稱重、成品在堆場的碼垛等，都會利用到云化PLC。傳統通信方式中，這些設備必須通過網線與PLC進行連接，網線布線繁瑣、磨損高，同時生產過程中需要采集的壓力、焊接電流、鋼板材料化學成分等參數也需要使用專用傳感器連接網線后上報到PLC才能進行反饋控制，組網架構成多級化。如圖5所示，云化PLC方式通過加裝5G通訊網關將Modbus、Ethernet等通用PLC協議轉換為5G通信網絡協議，借助5G網絡提供高速的數據通道打通云端與電焊機器人、激光機器人、檢測裝置等設備的通訊，可實現工控設備的實時數據采集、協議轉換、數據邊緣計算處理、遠程控制指令下發等。

圖5 云化PLC示意圖

“5G+工業互聯網”的組網架構趨于扁平化，利用5G URLLC的低時延特性可實現車間各生產線、各類生產設備之間的無線柔性連接，降低了傳統通信中數據采集的丟包率，實現了數據采集從有線到無線、本地到云端的轉化。

1.3.3 鋼管生產過程數字孿生技術

數字孿生技術以數字化方式處理物理對象，提供了物理對象的全息映射、虛擬空間和交互操作 。利用三維模型模擬鋼管產線設備與車間在現實環境中的行為，對鋼管的設計、工藝、制造、物流乃至整個工廠進行虛擬仿真，實現產線及其狀態的實時映射，同時融合生產、質量、物流和設備等任務的報警信息，進行實時可視化智能監控 。

建立虛擬的鋼管產線要用到鋼管設計和工藝加工模型、基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的生產車間模型、設備的三維模型以及相互融合形成的數字孿生底座。通常包括以下步驟。

首先，針對鋼管生產過程、堆場出入庫以及存放管理涉及到的典型工位（如焊接、水壓試驗、堆場分區等）設備的物理組成、功用、特點和區域環境，建立三維模型。按照數字孿生的國際標準和技術要求，為三維模型分離可運動部件、配置接口等。將直縫鋼管成型工藝設備的三維模型搭建成仿真虛擬產線，實現真實生產線和虛擬生產線一一對應。

其次，進行數據同步，利用本文設計的云化PLC的5G改造方式驅動真實的生產設備，讀取生產數據并傳遞到虛擬生產線，為典型工位設計數據流向和操作行為流程。利用設備采集的數據驅動虛擬環境下相應的設備模型進行同樣的既定動作，實現真實設備與虛擬設備實時聯動，便能實現真實生產線的實時監控。

再次，利用每個工位現有的MES終端，融合該工位設備采集的數據，進行設備故障預警；使用基于5G網絡的應用層OPC UA協議，讓MES終端與云化PLC進行交互，云化PLC通常和SCADA系統同步部署并且信息同步。虛擬產線已經同步并兼容SCADA的故障呈現功能，這樣報警信息傳到虛擬產線中，在相應的虛擬三維模型上呈現報警信息，由于接受同一工位處的設備故障信息，故分別在MES終端、包含車間的SCADA系統故障呈現功能的虛擬生產線以及廠區端的MES系統上報警。從而證明虛擬生產線與實際生產線的一致性，實現數字孿生。

最后，廠區端MES系統下達任務，虛擬產線接收該任務，可利用虛擬產線上的工位模擬終端，遠程啟動該工位的任務。通過云化PLC和指定工位上的設備底層PLC進行通信執行任務。同時該任務也顯示在指定工位的MES終端上，虛擬產線按照前述步驟讀取數據更新指定工位的加工狀況和設備的運行狀態。最終虛擬產線和真實工位被下達的任務同步影響，而虛擬產線同步反應真實產線的狀態，并可以控制工位的動作。

2 “5G+工業互聯網”虛擬鋼管生產應用效果

在鋼管生產和物流應用“5G+工業互聯網”并融合數字孿生將加快生產和管理的智能化。本文以集成技術應用效果的中等口徑鋼管進行測試。

2.1 堆場原材料/成品管理系統

該系統可視化管理原材料進出場及調度生產成品發貨運輸等。堆場管理人員在辦公室便能隨時了解堆場內的鋼板、鋼管的數量變化。系統提供某一時段內不同區域鋼板的使用、鋼管的發貨以及利用率，整體上鋼板上料節省30%的時間，鋼管發貨時間縮短近50%，堆場的利用率大大提高。通過評估預測來優化生產，生產效率平均提高約10%。

2.2 虛擬鋼管生產線管理系統

鋼管虛擬產線模擬了鋼板沖壓成型的生產過程，包含工序的輔助設備、天車模型和運輸規則等。虛擬產線導入工藝圖紙和數據從而還原真實車間，物理車間與虛擬產線共同積累生產數據，實現了高效集約生產控制，產線集控指數大大提高，優化人員比例在25%左右。

2.3 鋼管成品缺陷評審協同系統

鋼管的外觀尺寸和缺陷檢測組合形成可視化評審協同系統，車間負責人可以直觀地看到產線上的多個質量檢測缺陷統計數據，質量修磨降級率降低50%。

3 結束語

本文提出了基于“5G+工業互聯網”和數字孿生的鋼管生產線的頂層設計，設計了直縫埋弧焊管全生命周期的統一識別方案，利用5G組網方式改造鋼管的生產車間和物流堆場，并在此基礎上進行全面數據采集，利用數字孿生技術設計了鋼管的虛擬產線和物流堆場，最后在實際應用場景，以物流堆場原材料/成品管理系統、虛擬鋼管生產線管理系統以及鋼管成品缺陷評審協同系統為例說明了虛擬生產線集成技術的應用價值?；凇?G+工業互聯網”的虛擬生產線融合應用場景為裝備制造行業的智能化提升和應用提供了新思路，具有參考價值。

本文刊于《信息通信技術與政策》2023年 第11期

審核編輯：湯梓紅