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基于工业设备数字孪生的智慧工厂管理平台

企业简称:天蝉物联科技

成立时间:2020-08-13

参选理由:

1、实践方面:目前该项目已经实施运行,项目签约金额达800万。

2、效益方面:该项目可为工厂大大降低人力成本,通过平台的能源分析模块可为客户提供能源使用分析、稳定性分析、偏差分析、优化策略提供等,能够降低能源使用率,工厂通过使用建议优化策略能够极大地降低能源浪费,大大提高能源使用率,达到绿色生产的目的。

3、该项目已经被工信局推荐参加工业和信息化部科技司2021年物联网示范项目的评选。

案例介绍:

一、项目简介 

项目背景:随着科技生产的进步,工业正迈向4.0时代,目前工厂普遍出现生产数据掌握不及时、设备故障率、使用率、闲置率等无法统计、设备能耗管理困难、设备出现预警情况发现不及时以及各类设备之间无法联动优化生产等诸多问题。智慧工厂既要达到稳定、高效、自动化生产,又迫切需要直观的设备监测与控制平台。因此基于工业设备数字孪生的智慧工厂项目应运而生。

应用需求:对生产设备进行状态监控、对生产环境进行实时掌控、对能源使用进行统计分析,并提供优化策略、操作员坐在办公室就能远程查看设备状态,甚至通过定义规则,让设备自动启停与运行。

解决痛点:解决厂商无法实时掌控生产设备的运行状态、利用情况,优化生产、联动不同设备,能源损耗分析等。

使用技术手段:通过5G物联网技术、边缘计算技术、数字孪生、通过Mesh压缩技术、烘焙算法、光效算法、自动减面、自动展UV等核心算法对模型进行轻量化处理、3DMAX等技术,管理员坐在计算机前就可以身临其境,能够监控到生产环境的各个设备与运行环境。

二、项目研究内容和考核指标

基于工业设备数字孪生的智慧工厂项目重要研发各类适配器、数据统计算法,适配器用来适配不同的协议、数据格式等,而数据算法需要建立各种数据模型,除了能够分析大量的设备运行数据,同时由于计算量比较大也需要进行算法优化。

该项目分四步研究执行:

第一步,完成物联网平台的研发;该阶段主要搭建物联网平台,通过MQTT通用协议获取底层数据,并对设备进行分类管理。考核指标:平台研发搭建完毕。

第二步,实现数据采集的适配器研发能实现不同数据的汇聚采集;针对市场上各式各样的数据采集器,他们有自己的协议规则,且不同的设备所对应的点位信息都不相同,该阶段主要完成适配研发,用户可自定义或者系统自动匹配与之对应的设备数据,在安全性保障的前提下,物联网平台可以在线查找数据采集器的采集点位以及协议信息,免除安装前的繁琐步骤。考核指标:完成市面上90%以上的数据采集器协议对接,且能自动匹配适应。

第三步,完成数据的清洗、统计分析功能的模型建立;该阶段通过采集大量数据,基于大数据分析、碰撞、比对等技术建立数据分析模型,对社会上的数据进行分类统计。考核指标:完成90%以上设备数据的统计分析,基本达到客户采集怎样的数据,我们可以对其进行分类整理,并展示出相应的分析结果,能够自动采纳,对生产有着重要决策依据等。

第四步,完成基本API接口研发;该阶段主要对采集到的数据进行统计分析以后研发不同的底层接口,前端应用或者是外部应用可以调用不同的接口,协作完成某项特定功能或者获取某种特定的结果。该接口以WebService的方式进行发布,部署后即可运行。

该项目旨在作为工业设备数据孪生智慧工程的底层服务平台,客户通过部署该套系统能实现整个工厂的设备管理、预警、设备运行等功能服务,甚至达到全自动智能生产的超级工厂。

三、关键技术和和创新点

基于工业设备数字孪生的智慧工厂主要利用3DMAX等主流建模软件构建设备、人员、厂房、天空等三维模型且通过Mesh压缩技术、烘焙算法、光效算法、自动减面、自动展UV技术进行轻量化处理,并与生产设备、监控传感器等进行融合,让真实厂区虚拟到计算机中。

创新点:1、使用具有边缘计算的数据采集适配器采集工厂环境数据、设备运行数据、能源使用数据,且对生产设备可进行反控操作2、对采集的数据进行清洗、分析、统计,最终呈现在管理员眼中;3、自定规则,让设备智能起来,在触发规则的情况下,系统能够自动控制设备,使工厂设备使用率、产能达到最高,使工厂环境达到最适宜,使工厂更安全,而管理员能够在虚拟的世界中监控真实的工厂情况,达到身临其境的效果,从而大大降低人力成本。

四、项目示范性和推广性

建设方案:基于工业设备数字孪生的智慧工厂建设分为三大模块:1、底层数据采集模块,该模块能够采集不同设备的数据,对接主流通信协议。并可以根据不同场景以以太网、4G/5G、无线wifi、NB-IOT等方式上传数据至物联网平台。2、物联网平台模块,该模块主要将采集的数据与设备对应,并进行数据清洗、统计,以设备种类、厂房厂区等不同的形式归类等,对采集的数据进行分析处理,形成不同的底层接口,以供外部应用使用。3、上层应用模块,基于物联网平台提供的数据,可以以不同视角,不同角度展示工厂设备数据,对不同设备建立数字孪生对象,再以3DMAX等主流技术将厂区模型录入到计算机中,最终形成和现实场景一样的虚拟工厂场景。其主要特点有:数据汇聚:通过标准化、规范化的多类型、集中式的物联网管理平台,提取不同设备的运行状态参数;运行监控:多维度、高深度的对系统运行数据进行监控,能够从不同的指标来查看所有运行设备的状态;实时预警:提供可视化预警设置,实时扫描系统运行关键数据,出现问题及时报警,以保障系统稳定运行最大化;设备反控:通过制定相应规则,可实现设备自动化运行或者远程控制运行。

建设地点:浙江金华

建设规模:厂区面积约35万平方米,占地400多亩,项目投入金额达800万。

应用效果:

综合利用5G、物联网、自动控制、边缘计算等技术,

1、建设或升级设备操控系统,通过在工业设备、摄像头、传感器等数据采集终端上内置5G模组或部署5G网关等设备,实现工业设备与各类数据采集终端的网络化,设备操控员可以通过5G网络远程实时获得生产现场全景高清视频画面及各类终端数据,并通过设备操控系统实现对现场工业设备的实时精准操控,有效保证控制指令快速、准确、可靠执行。

2、将生产现场的多台设备按需灵活组成一个协同工作体系,对设备间协同工作方式进行优化,根据优化结果对制造执行系统(MES)、可编程逻辑控制器(PLC)等工业系统和设备下发调度策略等相关指令,实现多个设备的分工合作,减少同时在线生产设备数量,提高设备利用效率。

3、降低生产能耗,通过设备的数字孪生模型对能耗分析,提出最优的节能方案。目前应用于锂威新能源的能耗分析系统,预计节约用电量最高占全年的10%,节约企业管理成本约1000万元。

4、实时采集工厂设备数据,传输到设备故障诊断系统。设备故障诊断系统负责对采集到的设备状态数据、运行数据和现场视频数据进行全周期监测,建立设备故障知识图谱,对发生故障的设备进行诊断和定位,通过数据挖掘技术,对设备运行趋势进行动态智能分析预测,并通过网络实现报警信息、诊断信息、预测信息、统计数据等信息的智能推送。

5、在工业园区、厂区、车间等现场,采集环境、人员动作、设备运行等监测数据,回传至生产现场监测系统,对生产活动进行高精度识别、自定义报警和区域监控,实时提醒异常状态,实现对生产现场的全方位智能化监测和管理,为安全生产管理提供保障。

 

推广计划:以该项目为起点,预计2022年推广50家以上的工业生产企业,产生上1亿元的直接和间接经济效益。

五、项目投资情况和效益分析

目前项目已启动物联网平台研发,计划招聘4名研发人员进行平台搭建。未来预计投入500万元进行平台优化、3D技术融合、大数据分析平台。建成后会组成团队去各个工厂进行演示讲解,通过项目转化预计每年产值达到1000万元以上。该项目可为工厂大大降低人力成本,通过平台的能源分析模块可为客户提供能源使用分析、稳定性分析、偏差分析、优化策略提供等,能够降低能源使用率,工厂通过使用建议优化策略能够极大地降低能源浪费,大大提高能源使用率,达到绿色生产的目的。

 

企业介绍:

天蝉物联科技是一家AloT广域物联网“端到端”一站式方案提供商,专注于广域物联网的技术研发、产品供应、销售服务,拥有“云-管-端”全栈式物联网产品和系统解决方案,业务范围涵盖智慧城市、智慧社区(园区)、智慧农业、智慧消防、智慧水务、智慧环保、智慧能源、智慧路灯、智慧停车等应用领域。深耕低功耗广域物联网行业多年,天蝉物联科技积累了深厚的技术研发能力,天蝉物联科技坚持以连接为核心价值,为客户提供高安全、高可靠的专业物联网产品、解决方案和服务。

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