裝封箱機(jī)數(shù)字化全生命周期管控平臺架構(gòu)

摘" 要：進(jìn)行裝封箱機(jī)數(shù)字化全生命周期管控平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是對裝封箱機(jī)進(jìn)行集中管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過及時(shí)洞察機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，快速識別和處理故障隱患，以免因故障停機(jī)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。相對于單機(jī)管理來說，機(jī)群管理的功能更加強(qiáng)大，可以完成更為復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)，且通過協(xié)同調(diào)度管理能夠增強(qiáng)各個(gè)機(jī)組設(shè)備的配合度，使設(shè)備機(jī)組的整體性能得到穩(wěn)步提升。鑒于此，可以基于故障預(yù)測和健康管理技術(shù)構(gòu)建裝封箱機(jī)數(shù)字化全生命周期管控平臺架構(gòu)，以期形成一個(gè)智能化管控平臺，以適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：裝封箱機(jī)；數(shù)字化；全生命周期管控；平臺構(gòu)建；協(xié)同調(diào)度管理

中圖分類號：TP277""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""" A文章編號：2095-2945（2025）04-0131-04

Abstract： The main purpose of designing the digital full life cycle control platform architecture of the packaging and sealing machine is to centrally manage and monitor the packaging machine in real time. By timely insight into the operation status of the unit， hidden dangers of faults can be quickly identified and dealt with to avoid significant economic losses caused by downtime due to faults. Compared with single-machine management， cluster management is more powerful and can complete more complex production tasks. Through collaborative scheduling management， the cooperation degree of each unit equipment can be enhanced， so that the overall performance of the equipment unit can be steadily improved. In view of this， a digital full life cycle control platform architecture for box sealing machines can be built based on fault prediction and health management technologies， in order to form an intelligent management and control platform to adapt to the changing production business.

Keywords： box sealing machine; digitalization; full life cycle control; platform construction; collaborative scheduling management

在各種高新技術(shù)快速發(fā)展的形勢下，工業(yè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為必然趨勢，目前來看，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的價(jià)值已經(jīng)逐步得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，儼然已經(jīng)成為技術(shù)升級和轉(zhuǎn)型的重要途徑。其中，組裝封箱機(jī)群的建設(shè)為數(shù)字化開發(fā)創(chuàng)造了良好的條件，裝封箱機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)等的共同作用下實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)智能化發(fā)展，變?nèi)斯べ|(zhì)量控制模式為全過程智能質(zhì)量分析模式，很大程度上提升了對設(shè)備故障的預(yù)測水平。因此，圍繞封裝機(jī)數(shù)字化全生命周期管控平臺架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)策略展開研究具有重要意義。

1" 基于數(shù)字孿生的管控平臺

1.1" 建立虛擬仿真模型

對YP18D設(shè)備，包括分流選道機(jī)構(gòu)、下滑道及輸送機(jī)、單道縱向輸送機(jī)、下滑裝置、單道橫向輸送機(jī)、堆垛裝置、煙垛緩存、煙垛移栽機(jī)、料倉、紙箱抓取機(jī)器人、條煙裝封箱和一號工程打碼等部位設(shè)備進(jìn)行1∶1等比例3D化仿真建模。

1.2" 仿真模擬

采集實(shí)時(shí)底層設(shè)備的運(yùn)行信號，根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信號，仿真模擬設(shè)備、物料輸送實(shí)時(shí)狀態(tài)。

1.3" 場景漫游

場景以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，對物理系統(tǒng)進(jìn)行了等比例的真三維模型映射，可360°全方位無死角查看系統(tǒng)狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)上通過鼠標(biāo)和鍵盤操作即能實(shí)現(xiàn)第一人稱、第三人稱、上帝模式等漫游查看功能。

1）系統(tǒng)支持第三人稱任意切換視角，任意方向移動(dòng)。

2）支持按區(qū)域配置不同固定視角，視角任意切換。

3）支持鎖定設(shè)備，跟隨視角。

1.4" 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

1）根據(jù)生產(chǎn)線的工藝平面布局和物料流向，通過形象的3D設(shè)備模型模擬顯示各主機(jī)設(shè)備和連接設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前生產(chǎn)的煙牌和批號及主要工藝參數(shù)的當(dāng)前值。

2）通過簡潔、直觀的設(shè)備外觀模擬反映設(shè)備電機(jī)狀態(tài)、各檢測元件狀態(tài)、各執(zhí)行器件狀態(tài)，各物料狀態(tài)、主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等。

1.5" 故障處理智能輔助

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，三維場景中的對應(yīng)故障設(shè)備模型會變?yōu)榧t色提醒操作人員進(jìn)行處理；與此同時(shí)，系統(tǒng)也會彈出提示消息，指示有故障產(chǎn)生。從故障消息框中，操作人員可獲取到故障設(shè)備名稱、故障點(diǎn)名稱、故障發(fā)生時(shí)間等信息。操作人員也可以通過故障點(diǎn)導(dǎo)航功能，快速將監(jiān)控視角定位到對應(yīng)的故障設(shè)備模型。進(jìn)一步查看故障設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和故障處理建議等詳細(xì)信息。故障消除后，可實(shí)現(xiàn)一鍵化確認(rèn)處理，讓系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。

1.6" 關(guān)鍵設(shè)備三維拆裝

1）關(guān)鍵設(shè)備拆裝管理采用三維虛擬仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建近乎真實(shí)的設(shè)備拆裝過程。

2）設(shè)備智能拆裝，實(shí)現(xiàn)了按預(yù)定步驟對設(shè)備進(jìn)行拆分和組裝的教學(xué)和檢測功能。

3）設(shè)備部件參數(shù)管理，對設(shè)備模型部件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行與實(shí)物相一致的維護(hù)和說明。

4）整個(gè)教學(xué)過程在三維虛擬場景中進(jìn)行，可對設(shè)備及部件進(jìn)行全方位查看和移動(dòng)。

1.7" 模型管理

豐富的系統(tǒng)模型庫，用于存儲系統(tǒng)所涉及的設(shè)備模型、物料模型及模型相關(guān)的貼圖和材質(zhì)。模型管理功能實(shí)現(xiàn)了對庫中的相關(guān)資源的增、刪、改等管理功能，便于系統(tǒng)的個(gè)性化維護(hù)和后期的拓展。

2" 生命周期管理

2.1" 專用感知設(shè)備在底層關(guān)鍵部件的應(yīng)用

在現(xiàn)有的裝封箱機(jī)基礎(chǔ)上通過配置專用感知設(shè)備信息的傳感器，可以抓取設(shè)備關(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)。比如，利用電池參數(shù)傳感器檢測編碼器電池的電量情況，利用CPU1500通信卡采集伺服電機(jī)輸出扭矩力矩，判斷同步帶的松弛狀態(tài)，利用電流互感器采集異步電機(jī)電樞電流參數(shù)，利用壓力傳感器采集氣路壓力參數(shù)，利用溫度傳感器采集設(shè)備潤滑油溫度，利用電渦流傳感器采集機(jī)器人夾具及模盒的振動(dòng)參數(shù)等。

2.2" 數(shù)據(jù)分析及評估

通過振動(dòng)、溫度、壓力、電渦流等傳感器檢測關(guān)鍵傳動(dòng)件、電機(jī)、潤滑油溫等參數(shù)，對設(shè)備故障、運(yùn)行、狀態(tài)信號、作業(yè)任務(wù)等完成數(shù)據(jù)采集并存入數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并作出狀態(tài)評估，給出設(shè)備預(yù)警、維修處理等建議；并結(jié)合所存儲的歷史數(shù)據(jù)，可以按設(shè)備類型、故障類別、時(shí)間等不同類別分析統(tǒng)計(jì)。

2.3" 智能故障診斷

通過采集的專用傳感器數(shù)據(jù)，將相關(guān)參數(shù)數(shù)值以柱狀圖動(dòng)態(tài)顯示，并可以區(qū)分判斷零部件的正常、預(yù)警和故障3種狀態(tài)，分別用藍(lán)、黃和紅色柱等顏色表示在圖形框圖下以文本框的形式顯示記錄；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，除了以黃色或紅色標(biāo)示外，以文本框的形式顯示記錄所檢測項(xiàng)目發(fā)生故障的器件類型和編號，并分析得出裝封箱機(jī)故障診斷報(bào)告，“監(jiān)測示警”相應(yīng)位置常亮；當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示監(jiān)測示警時(shí)，屏幕預(yù)警界面彈出，并在“監(jiān)測示警”欄中相應(yīng)位置閃爍，提醒操作者發(fā)生預(yù)警信號。

儲存設(shè)備故障代碼、故障信息、制定基本的故障原因，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以給出智能提醒以及故障處理意見。

2.4" 點(diǎn)檢智能輔助

本系統(tǒng)預(yù)設(shè)智能設(shè)備維護(hù)功能，按照設(shè)定指示，提示操作工人和維修工人每日、每周及每月需要對設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)。

3" 基于分組加工技術(shù)智能機(jī)群調(diào)度

3.1" 系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生管控平臺，軟件系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2" 數(shù)字孿生前端展示系統(tǒng)

數(shù)字孿生前端展示系統(tǒng)主要用于監(jiān)聽或者主動(dòng)拉取數(shù)采中心推送或存儲的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加工接口與前端系統(tǒng)中的三維模型做數(shù)據(jù)融合，包括數(shù)據(jù)的仿真模擬、狀態(tài)展示。最終將數(shù)據(jù)通過模型直觀、生動(dòng)地展示在客戶面前，讓客戶可以足不出戶即可了解現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)。

3.3" 數(shù)字孿生后端服務(wù)系統(tǒng)

數(shù)字孿生后端服務(wù)系統(tǒng)主要用于定義、管理、采集對應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照約定的關(guān)系模型存儲到數(shù)據(jù)庫或推送到已連接的前端系統(tǒng)，后端服務(wù)系統(tǒng)主要包含以下4個(gè)方面。

3.3.1" 數(shù)采中心

數(shù)采中心主要負(fù)責(zé)對接底層設(shè)備的PLC、數(shù)據(jù)庫和前端系統(tǒng)。它通過PLC通信協(xié)議，按客制化配置方案讀取PLC指定存儲數(shù)據(jù)，并將其按照約定的關(guān)系模型存儲到指定的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送至前端，供前端系統(tǒng)進(jìn)行展示。

3.3.2" 調(diào)度中心

調(diào)度中心主要負(fù)責(zé)接收上級系統(tǒng)下達(dá)的接口數(shù)據(jù)，如換牌工單、主數(shù)據(jù)等，同時(shí)負(fù)責(zé)接收前端下達(dá)設(shè)備控制命令，如換牌、換道、設(shè)備啟用、停用等命令信息。

3.3.3" 消息中心

為方便用戶第一時(shí)間接收到重要信息，數(shù)字孿生后端服務(wù)系統(tǒng)還提供了基于Http協(xié)議的消息推送服務(wù)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或者用戶完成對設(shè)備的重要操作時(shí)，有權(quán)限接收消息的用戶手機(jī)、平板設(shè)備等都會收到系統(tǒng)發(fā)出的消息提醒。

3.3.4" 配置管理

配置管理系統(tǒng)是面向管理人員的信息系統(tǒng)，因?yàn)楣S可能面臨增加設(shè)備、停用設(shè)備等使用環(huán)境，同時(shí)也需要對接上級業(yè)務(wù)系統(tǒng)如ERP物料等主數(shù)據(jù)，為方便用戶管理，需要使用單獨(dú)的信息系統(tǒng)對這些客制化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理維護(hù)。

3.4" 部署方案

部署方案如圖2所示。軟件系統(tǒng)需要數(shù)字孿生后端服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫存儲服務(wù)器及客戶機(jī)等硬件設(shè)備，其中數(shù)字孿生后端服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器用于部署調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)等，由于這些系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議與前后端通信，本身并無特定的邏輯處理，所以數(shù)采系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備數(shù)量及系統(tǒng)使用壓力分別部署在不同的服務(wù)器上，這些服務(wù)器可以任意擴(kuò)展也意味著所對應(yīng)的設(shè)備也可以任意擴(kuò)展。

數(shù)據(jù)庫存儲服務(wù)器用于存儲采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)及客制化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并不會對生產(chǎn)環(huán)境造成影響，數(shù)據(jù)可靠性要求不高，所以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不采用雙機(jī)熱備模式，單機(jī)存儲即可。

客戶機(jī)用于部署數(shù)字孿生前端展示系統(tǒng)及服務(wù)配置管理系統(tǒng)，主要用于人機(jī)交互。

3.5" 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)如圖3所示。

4" 質(zhì)量分析管理

4.1" 在線質(zhì)量檢測裝置數(shù)據(jù)分析及評估

通過終端軟件，將各封箱機(jī)條外觀、箱缺條在線檢測的數(shù)據(jù)匯總，可以在終端平臺任意查看各封箱機(jī)條外觀檢測不合格、箱缺條等故障圖片以及信息，然后匯總數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)一臺包裝機(jī)條煙產(chǎn)品或者本班次全部產(chǎn)品故障率。

4.2" 質(zhì)量追溯

煙箱生產(chǎn)數(shù)據(jù)綁定：從一號工程碼、生產(chǎn)時(shí)間、品牌、包裝機(jī)機(jī)臺號、每條煙質(zhì)量狀況（條外觀拍照圖片）、每垛煙稱重?cái)?shù)據(jù)和箱缺條拍照圖片進(jìn)行一對一綁定。

5" 移動(dòng)終端

智能平臺上利用移動(dòng)終端模塊，可以實(shí)現(xiàn)維修人員及時(shí)接收到設(shè)備故障通知、點(diǎn)檢通知功能。

6" 結(jié)束語

實(shí)踐證明，基于該平臺系統(tǒng)能夠?qū)ρb封箱機(jī)設(shè)備進(jìn)行智能化管理，且可實(shí)現(xiàn)對接口功能與性能的進(jìn)一步挖掘，使得設(shè)備不再是單一的個(gè)體，能夠進(jìn)行人機(jī)交互和與其他設(shè)備的交互，打造一個(gè)智能化的生產(chǎn)機(jī)組。當(dāng)生產(chǎn)工藝路線發(fā)生改變時(shí)，也可通過對設(shè)備的優(yōu)化重組滿足新的生產(chǎn)加工需求?？梢姡洳粌H生產(chǎn)性能穩(wěn)定且支持靈活動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以滿足今后更加復(fù)雜的生產(chǎn)需求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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