许继智能电表数字孪生车间建设与探索

许继智能电表数字孪生车间建设与探索

姜伟1 ,焦彦超2, ,许朋举1, ,廖向华1

1. 河南许继仪表有限公司   河南  许昌  461000
2. 2.郑州轻工业大学  河南  郑州  450000

摘  要：在当今的智能电表行业中，数字化和智能化比重依然较低，电表的检测车间仍然需要大量人工参与生产活动。其安全性、可靠性与效率都有较大提升空间。数字孪生车间是当今智能制造的热点研究领域，将智能制造和数字孪生应用到智能电表检测的车间中，可以提高生产效率、提升设备使用寿命、预测设备生产情况等。本文以许继仪表为个案，首先介绍了数字孪生车间的背景和概念，阐述了数字孪生车间与传统车间的区别，较为详细地介绍了构建数字孪生车间的方法。最后，通过介绍许继智能电表车间数字孪生的案例，展示了数字孪生车间较传统车间的优越性，指出了未来智能电表检测车间的工作方向。

关键词：数字孪生车间；智能电表；智能制造

1. 引言

智能电表是电力装备的最基本的设备之一，其主要承担对电力使用数据的采集、计算与传输的任务，是实现电力信息集成化、分析化与可视化的基础设备。

许继仪表公司是我国仪器仪表行业第一梯队的企业，是我国智能制造领域的优秀企业，拥有齐全的电力计量产品体系，涵盖智能电能表、智能终端、通信产品、智能生产线、用电采集系统等。许继仪表自主研发建成了国内先进的智能电表数字化车间，建有计量产品智能化生产线7条，具备年产1000万只智能单相电能表、300万只智能三相电能表及100万只各类管理终端的生产能力，开发智能检测装置30余种。目前，许继仪表智能电表检测车间采用传统与人工配合的检测方式，虽然能够满足目前的生产需求，但从长远方面考虑，由于存在人工检测的情况，在效率、质量等方面都与智能设备检测存在较大差异，生产能力受到限制，数字化转型迫在眉睫。仪器仪表检测设备智能化是新兴的生产方式，是智能制造2025战略规划下的新的方向，是从工业化到信息化到的必由之路，是未来电力设备的发展趋势。

2. 许继仪表数字孪生车间方案

2.1 许继仪表简介

许继仪表是我国仪器仪表行业第一梯队的企业，是我国智能制造领域的优秀企业，拥有齐全的电力计量产品体系，涵盖智能电能表、智能终端、通信产品、智能生产线、用电采集系统等。许继仪表自主研发建成了国内先进的智能电表数字化车间，建有计量产品智能化生产线7条，具备年产1000万只智能单相电能表、300万只智能三相电能表及100万只各类管理终端的生产能力，开发智能检测装置30余种。

2.2模型的构建

产品的设计，是整个数字孪生构建的第一环，它是数字孪生的框架，直接影响到系统最终的运行效果。以调检仓为核心的一整套智能电表车间所涉及的工位进行建模。包括滚筒线、拆垛码垛工位、产线各机器人、产线各传送带、调检仓、贴铭牌、出厂清零、贴标签、封扣、激光雕刻等的工位，全部按照真实车间大小等比例建模，真实模拟一整套生产流程。

在建模工具中绘出参数高度吻合真实车间的模型，从而在远程客户端的电脑中形成可视化工厂。建模后也需要一些方法来检验设计的精确度，对智能电表车间虚拟模型进行优化调整，目的是为了提高模型的精度，有利于后面的仿真和分析工作。该框架要能描述整个智能电表车间的结构组成，做到对整个车间的实时监控，车间任何时刻的生产数据要在孪生系统中显示出来。同时，该框架要能展示出工艺加工的流程，例如：调检仓是否在检测，检测的是哪一批产品，每个电表整个的流向要能清晰的显示。这是一个系统各部分高度协同合作的过程。实质是，利用数字孪生构建出来的智能电表车间，将智能电表的分拣、传送、检测、视觉识别、安装电池、贴铭牌、贴标、出厂清零设置、打螺丝、贴标签、扫码入库、封箱等生产的全过程高度集成起来。

2.3数字孪生模型仿真

数字孪生可以有效帮助物理信息高度融合。其中，复杂的产品设计和信息数据的相结合是最重要的部分，是实现真正智能制造的最根本途径。数字孪生的使用就是在物理空间和虚拟空间搭了一坐“桥”，关键就在于确保现实车间与虚拟车间的同步。孪生数据为整个数字孪生系统提供最根本的动力支持。其中包括物理空间、孪生模型、和系统服务方面的数据，并且，数据跟随实时状态变化不断更新。物理空间的生产检测指导实际生产检测，同时来构建孪生体中的任务模型；虚拟空间的数字孪生根据智能电表车间物理结构来构建；智能电表车间的历史数据、故障记录等，可以用来优化数字孪生模型；从而数字孪生体能够预估产量和预测故障，指导实际生产。首先，物流孪生模型可以实时显示智能电表的位置、直观的反应生产线处于工作或者空闲状态；其次，什么时候检测哪个电表，以及即将送往哪个机械手、哪个表盘储存；最后，物流孪生模型也可以查看整条产线的生产节拍、当日产量等生产数据。

2.4物流孪生模型

在真实车间生产智能电表之前，可以通过物流孪生软件Plant Simulation建立许继智能电表的物流孪生模型，依据许继智能电表检测车间单相表自动化生产线节拍，进行预估产能和效率等。其中：许继仪表智能电表生产车间工艺及节拍如表1所示。

同时，物流孪生模型可以预判生产瓶颈出现的时间节点，验证智能电表生产线中是否会有产线不平衡情况，以便更好的优化车间物流调度，减少智能电表生产的工时，达到更高的效率。

数字孪生系统通过各种传感器采集智能电表车间的生产线实时运行数据，实现对电表生产流水线的可视化监控。同时，将已有的物流孪生模型通过数字孪生系统中预留的数据接口，直接在许继仪表数字孪生工厂系统中调用物流孪生模型，免去了在多个软件之间切换带来的不必要的麻烦，如图1所示。经过测试，效果较好，且能够较为直观的反映出许继智能电表车间物流情况。

图1数字孪生系统中的物流孪生模型

同时，建立起调检工位、机械手等设备的关键参数，以及电表检验指标，对不符合常规参数的设备和电表可以进行及时调整和处理。预测性维修可以降低甚至避免智能电表车间因为非计划停机带来的损失。实际车间的所有情况都是数字孪生系统中的映射，反过来，数字孪生中的虚拟车间也会指导实际的生产，可以提高生产效率，测算检测能力，提前维护设备。

2.5三维场景可视化与人机交互

可视化监控系统要求创建的虚拟场景不仅具有良好的真实感和沉浸感，还具有良好的人机交互性能，以满足三维可视化监控系统的需求，虚拟场景构建涉及到几何模型的优化、渲染，虚拟场景的管理、视点漫游、碰撞体检测、粒子特效、UI界面设计以及系统集成等。目前，实现的方法主要是多专业软件协同开发。目前采用虚拟现实开发引擎Unity3D结合模型渲染软件3d Max及SolidWorks建模软件等多专业协同开发方法，可以充分发挥各专业软件的性能优势，减少系统底层开发的工作量，降低系统的开发门槛，提高系统开发效率。

以许继仪表智能电表检测车间为对象，本文设计开发了生产车间的三维场景可视化实时监测系统，以便生产管理人员实时掌握生产过程以及生产状态，及时发现系统中的异常，识别生产瓶颈，追溯历史问题，协调作业流程，达到生产最优化的目的。本系统利用Unity 3D虚拟现实平台进行开发，基于三维建模软件SolidWorks和3d Max等，建立起了车间的三维模型，并基于MySQL数据库进行数据存储与交互，与Unity 3D软件接口进行数据传输与通信，在Unity 3D平台上制作了业绩看板等功能，配合相关的C#脚本程序，以达到控制车间作业流程和人机交互的功能。目前，车间底层系统已经开发完毕，界面如图2所示。

图2数字孪生车间三维场景可视化

三维虚拟场景与实时视频监控方式相比，其显著优势就是能够对人机交互事件进行响应，从而改变虚拟场景展示的内容基于人机交互的场景漫游主要包括几何变换的实现和外部输入事件的响应，可通过鼠标点击事件、键盘操作事件等方式实现。

几何变换是场景漫游的基础，虚拟场景中所有模型的运动、场景漫游都是基于几何变换技术实现的。几何变换是各种图形处理方法的基础，通过变换像素的空间位置，在新的空间位置上显示原坐标点的新位置，几何变换包括平移、旋转和缩放3种。在三维可视化监控系统中，鼠标和键盘是最基本的输入方式之一。场景中如摄像机视角方向的改变、视距的远近、多场景的切换等可通过鼠标操作完成;场景中如摄像机视角方向的改变、前进、后退、左移、右移、上升、下降等可通过键盘操作完成。

3. 总结

数字孪生车间作为未来车间的运行新模式，对实现电力装备智能制造具有重要的推动作用。本文在分析了数字孪生车间及调度问题的研究现状的基础上，探索了基于数字孪生的数字化车间运行方案，重点对许继智能电表数字孪生车间系统构建、模型的建立、物流仿真、车间信息模型、场景漫游与人机交互等关键技术进行了探索。基于许继仪表有限公司的全自动化直管柔性加工生产线，初步实现了数字孪生车间系统的探索。

参考文献

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作者简介：姜伟，男，1980，硕士，工程师，研究方向为智能电表通信技术、智能制造相关技术、云计算大数据、工业互联网平台相关技术等。