数字孪生技术在柔性制造系统中的应用探析

智能工厂是当前数字孪生技术应用的重要场景。以纺纱为例，我国的纺纱车间已经基本实现自动化，物联网技术开始逐渐推广，智能化的纺织装备也陆续投入使用。相应地，国内的智能纺纱设备的互联互通标准已经陆续建立，通用物联网标准也已经基本完备。在此背景下，应用数字孪生技术推进纺织车间信息化建设，真正实现物理系统和信息系统之间的互联互通。笔者研究团队针对纺纱智能车间建设，提出以智能纺纱单元为基础的智能纺纱车间参考模型（图2-1）。该模型依据工艺流程将纺纱智能工厂分为清梳、并粗、细纱和络筒四个智能生产单元。通过工业互联网技术将状态感知、传输、计算与制造过程融合起来，形成“感知—分析—决策—执行”的数据自由流动闭环，最终建立以单元为基础的车间数字孪生模型。

图2-1　供应链数字孪生各要素关系

智能纺纱单元是纺纱智能车间的基础，是实现纺纱全流程智能化管控的基础。纺纱工艺流程长，从抓棉、清棉、梳棉至络筒、打包有十几道工序，涉及几十种纺纱设备。根据纺纱工艺特点，将纺纱设备群分为清梳、并粗、细纱和络筒等四个生产单元。每个单元均具有物理层、通信层、信息层及控制层。以清梳单元为例纺织智能单元可按图2-2所示架构建设。

基于前文的阐述，通过在纺纱智能车间中依据工艺流程建设清梳、并粗等四个智能单元数字孪生模型，构成含有“感知—分析—决策—执行”的数据自由流动闭环，可为制造工艺与流程信息化提供数据基础和控制基础。通过单元内部资源优化，进而实现高效的车间资源优化，是建设纺织智能工厂的基础。柔性制造单元在机械制造领域已经开始广泛应用。以单元为单位构建新型智能工厂是纺织柔性化制造的一条出路。数字孪生技术是智能单元的基础技术，研究纺纱、化纤和染整等不同领域的智能单元技术，是纺织智能工厂发展的重中之重。(www.xing528.com)

图2-2　纺织智能单元

纺织生产设备需具备长时间连续稳定运行的能力，建设无人工厂更是纺织行业的发展重点。完善的纺纱单元数字孪生模型必须能够实现设备运行状态预测，通过实时监测数据，进行设备的故障诊断，进而提前规避风险，实施预防性维护，自动制订停产检修计划。目前，预防性维护技术在航空、机床等领域已经成为研究热点，但在纺织领域应用还有待深入。基于数字孪生技术构建智能纺纱装备的预防性维护技术，将是未来纺织智能制造的重点突破的领域之一。

数字孪生技术作为当前智能制造技术中的热点，正给我国传统柔性制造业带来巨大的变化。在防治领域引入数字孪生技术，必将推动我国智能纺织装备智能设计领域的变革升级，创造新的市场优势。随着工业互联网、人工智能和大数据等技术与制造业的深入融合，数字孪生将更容易实现。