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虚拟工厂:“现实制造”与“虚拟呈现”的融合

2015-04-07 10:42:48   作者:华为企业BG大企业解决方案部烟草行业系统架构师 周向前   来源:CTI论坛   评论:0  点击:


  工业领域的全球竞争越来越激烈,企业面临着产品更新换代加快、价格竞争加剧,以及降低成本、优化资源和提升能源效率等一系列压力。随着客户个性化需求越来越多,产品生产也逐渐呈现出种类多、变化快等新特征,这迫使卷烟厂等企业要提升生产线的速度与灵活性,从而能够针对市场前端变化快速地调整生产。

  工业4.0描绘了工业制造的新蓝图,对卷烟厂而言,构建虚拟工厂则是实现这个目标的基础。所谓虚拟工厂,是把“现实制造”和“虚拟呈现”融合在一起,通过遍布全厂的海量传感器采集现实生产制造过程中的所有实时数据,这些数据数量非常巨大,可实时、快速地反映生产中的任何细节。基于这些生产数据,在计算机虚拟环境中,应用数字化模型、大数据分析、3D虚拟仿真等方法,可对整个生产过程进行仿真、评估和优化,使虚拟世界中的生产仿真与现实世界中的生产无缝融合,利用虚拟工厂的灵活可变优势,来促进现实生产。

  虚拟工厂有几个关键点:第一是真实工厂与虚拟工厂同步运行,真实工厂生产时的数据参数、生产环境等都会通过虚拟工厂反映出来,这需要采集的生产数据实时可用,并通过连续、不中断的数据通道交互;第二是虚拟与现实结合,利用三维可视化技术将生产场景真实展现出来,生产数据实时驱动三维场景中的设备,使其状态与真实生产场景一致,从而让管理者充分了解整个生产场景中各设备的运行状况,达到监测、查看、分析的目的;第三是通过大数据与分析平台,将云端中汇集的海量数据转化、分析、挖掘,帮助工厂制定更明智的决策,快速提高生产效率、降低成本和实现质量目标。

  卷烟生产实时数据采集

  要达到虚拟工厂中的生产仿真与现实世界中的生产无缝融合,需要生产数据与控制传感数据同步到虚拟工厂中,并保证数据采集的实时性、准确性、完整性。一个卷烟厂采集点多达数万个、设备接口种类十几种、通信协议数十种,生产传感数据要接入到虚拟工厂需经过多次协议转换和转发,延时时间无法控制。比如卷包车间的卷包机传感数据,首先要接入卷包机工控系统,由Modbus协议上传到卷包车间控制系统的实时数据库,再通过Profibus协议传送到卷烟厂MES数据采集系统,然后卷烟厂虚拟现实管理系统才能从数据采集系统的数据库中获取该生产数据。而这样方式下数据的传输速度,是无法满足工业4.0对数据实时性的要求的。

  采用华为AR物联网网关则可以很好地解决上述问题。其不仅支持开放标准的以太网接口,还支持丰富的行业接口和总线标准,可与各种传感终端直接交互信息,将各种传感网络协议转为上层网络协议,无缝融合工业生产网与企业IP网络,构建扁平智慧的物联网架构。如果将AR物联网网关部署在卷烟厂工控层,由于其支持多种工业协议,可以把大量的传感器、控制器实时接入虚拟工厂,实现一次转发,全网共享,生产数据的实时性和完整性将得到很好保证。这样虚拟工厂的强大计算能力将与实际生产连为一体,全厂数据实时汇集到云端,信息孤岛不复存在,生产应用和服务将向云端转移,不仅卷烟生产变得更加灵活,而且可以在生产之前或者生产过程中动态配置生产方式,随时变更原定设计方案和生产计划,有效实现“个性化、小规模、变化快、可定制”的生产目标。

  大数据分析助力虚拟排产

  传统的排产方法凭借经验进行人工干预,然后将工单下达到自动化系统执行。这种方法比较适应大规模、标准化产品的自动化生产,而对个性化、小配方、小批量产品生产的适应能力明显不足,更难以满足工业4.0的要求。

  虚拟工厂中采集了海量的实时及历史生产数据,并从各个系统汇集企业的生产计划、卷包机组生产能力、仓库库存情况、品牌优先级、工艺限制、计划变更、设备故障、质量状况、原辅料供应、工艺调整以及各生产单元间相互制约关系等大量结构化和非结构化数据,如何快速地分析挖掘这些杂乱的数据,成为卷烟厂确定排产方案的关键。

  基于华为FusionInsight企业级大数据统一存储、查询、分析平台,可以为卷烟排产快速构建海量数据信息处理系统,通过对各类海量数据信息实时和非实时的分析和挖掘,帮助卷烟厂从各类繁杂无序的海量数据中获取真正的价值,及时洞察生产中的风险,进行决策优化。虚拟工厂根据大数据分析的结果制定排产方案,并建立卷烟厂生产模型,虚拟仿真系统根据生产模型对排产方案进行仿真。在这个过程中,及时发现问题,反馈修改方案,找出最优排产计划。排产调整周期从数十小时缩短到几分钟;排产准确率提高到98%;虚拟仿真排产不消耗实际生产所需的原料,每年可为卷烟厂节省数百万元的资源消耗损失。

  GPU加速虚拟工厂

  在工业4.0时代,虚拟世界将与现实世界高度融合。通过计算、自主控制和联网,人、机器和信息互相联接,融为一体,所有的生产数据将被全部整合到卷烟厂虚拟现实管理系统中。卷烟厂虚拟现实系统建立全厂的3D模型和设备3D虚拟生产模型,以三维的形式展现设备的运行状态、故障信息和主要运行数据。在三维虚拟工厂里,可以通过推拉、旋转、放大、透视等,多维度地获取生产信息。

  要完美地展现三维虚拟工厂画面需要服务器具备强大的三维图形运算能力。卷烟厂生产系统越来越多,通过云端架构部署服务器,已是当今最重要的趋势。随着应用和服务向云端运算转移,卷烟厂虚拟现实管理系统的服务器也必然部署在卷烟厂私有云上。普通虚拟机的GPU是由虚拟平台软件模拟出来的,处理能力弱,画面刷新只有1帧/秒,并会出现大量贴图错误,无法真实展示卷烟厂生产状况。华为FusionSphere应用GPU直通技术,通过原生的驱动程序访问专业显卡硬件加速渲染虚拟工厂三维画面,3D处理能力比软GPU提高几十倍,很好地满足了虚拟工厂高性能图形处理的需求。能高清流畅地展现生产细节,使人身临其境地融入虚拟工厂,实现在三维环境下沉浸式数据展示。卷烟厂的生产管理效率得到极大提升。比如,过去人工巡检全厂需一天时间,而3D虚拟工厂巡检只要几十分钟,且更易发现隐蔽的异常情况;以前烟机设备检修繁锁复杂,设备拆解、组装费时费力,现在结合状态监测的3D可视化设备检修效