数字孪生车间设备管控系统设计
致力于数字孪生体技术的研究与发展
通过解决方案和工程化应用造福人类
作者：陶飞 戚庆林等
导 读：
数字孪生车间设备管控系统设计主要包括系统体系结构设计、总体框架设计、技术架构设计及功能组成设计，下面对各部分的设计方法进行具体阐述。
系统体系结构设计
数字孪生车间设备管控系统基于微服务架构，保证了整个系统的可拓展性。如图1所示，整个微服务平台包括设备管理、维修维保、备品备件、数据采集、数据处理、能耗管理、设备监控、设备仿真、计划管理、报表管理、系统管理、外部接口管控12个服务。该系统能够实现设备孪生模型构建、基本信息管理、健康状况监控、故障预测、能耗分析等功能。
因此，数字孪生车间设备管控系统是一套基于数字孪生技术的设备管理与健康评估系统，包含传统设备管理系统的设备台账管理、设备运行记录、设备运行统计、设备维修管理等功能，还包括基于数字孪生技术的设备故障诊断与故障预测功能，能对设备的健康状态进行定期评估，为设备的智能运维提供技术支撑。
设备管控系统由CPS、数字孪生、大数据处理、工控组态、虚拟仿真、PHM、TnPM七大技术支撑。CPS技术实现车间设备系统的实时感知、动态控制和信息服务；数字孪生技术实现设备的虚实映射；大数据处理技术为车间设备系统的海量数据处理提供技术基础；工控组态技术实现设备的数据采集监测及过程控制；虚拟仿真技术为设备运行仿真、状态仿真的基础；PHM技术实现了设备的健康管控，包括故障预测、寿命预估、维修决策等；TnPM技术支撑了车间设备的预防性维保体系。
系统总体框架设计
系统总体架构包括数据层、接口层、组件层、服务层、应用层五层结构，如图2所示。数据层主要包括基础信息库、设备清单库、孪生模型库、历史数据库和实时数据库等。通过对这些数据的整合和管理，为软件系统提供整体数据支撑。接口层作为设备管理系统与其它系统的支撑，包括仿真工具接口、数据转发接口等。组件层是保障整个车间设备管控系统运行的基础支撑，包括日志管理、任务管理、安全管理、插件管理、事务管理、OPC服务、组态控件等。服务层以服务的形式封装了系统功能，包括对数据的采集、数据传输协议的解析、数据预处理、数据统计分析、算法库调用、故障预测、寿命预测等功能。应用层面向使用用户，提供了设备档案管理、数据采集管理、设备运行分析、故障管理等功能。
系统技术架构设计
微服务架构围绕业务领域组件来创建应用，这些应用可独立地进行开发、管理和迭代，在分散的组件中使用云架构和平台式部署、管理和服务功能，使产品交付变得更加简单。微服务架构具有如下优点：
1）解决了复杂性的问题，在总量不变的情况下，将应用程序分解为可管理的块或服务，每个服务都以RPC或消息驱动的API形式定义一个明确的边界。
2）这种架构使每个服务都能够专注于该服务的团队独立开发。开发人员可以自由选择任何有用的技术，只要该服务符合API接口合作协议。此外，由于服务被划分为很多独立的细小模块，因此使用当前技术重写旧服务变得可行。
3）微服务架构模式使每个微服务都能独立部署，开发人员不需要协调部署本地服务的变更，这些变化可以在测试后尽快部署。
4）微服务架构模式使每个服务都可以独立调整，并且使用最符合服务资源要求的硬件。
综合微服务架构的技术特点和优势，结合应用需求，使用的系统技术如图3所示。在容器Docker中，使用Spring Boot、MVC、MyBatis、Druid等开发核心框架、视图框架、持久层框架以及数据库连接池。使用负载均衡以及API网关完成接入工作，在服务与前端之间存在中间件，包括分布式缓存、日志管理、单元测试、API接口文档、定时任务、消息中间件、仓库管理以及代码生成器。
开发语言不限于Java、C语言和Python，数据库使用MySQL/Oracle等。使用Spark Hadoop进行大数据处理，考虑菜单权限、按钮权限、URL权限等安全框架，最终由前端（H5、CSS3、JavaScript等）进行服务的调用。服务治理方面包括RPC框架、服务注册与发现、熔断隔离、服务链路追踪以及服务监控。整体的微服务框架能够由PC端和移动端（Pad和手机APP）进行客户端访问和服务调用。
如图4所示，微服务架构客户端通过API网关进行服务的调用，其中客户端支持多种形式多种系统，包含PC端和移动端。服务提供者可通过API网关进行服务注册、服务发现、认证授权、熔断处理、限流等操作，从而使客户能够通过客户端调用服务。针对应用需求，本系统设计开发了孪生机床微服务、孪生热压罐微服务、维修维保微服务和库存微服务。
系统功能组成设计
设备管控系统主要包括数据采集管理、报表管理、维修维保管理、设备运行分析、备品备件管理、设备档案管理、系统管理、故障管理、孪生设备和文档中心等十大功能模块，其组成如图5所示。
数字孪生设备管控系统最核心的模块为设备管理、设备健康评估和能耗管理，其主要功能如下：
01 设备管理
设备台账：提供设备的基本信息维护功能，包含数据的增删改查；
孪生模型：提供设备几何模型、物理模型、行为模型和规则模型展示功能；
设备运行记录：提供设备每天运行状况的记录功能，包含自动记录和人工补充两种模式；
故障上报：提供人工、自动监测及智能预测三种方式：即人工增、删、改、查设备故障情况；通过后台数据采集实现设备健康状态自动监测；通过后台数据采集实现设备健康状态智能预测；
维修工单管理：跟踪维修工单执行进度，修改未执行的维修工单信息，支持用户增、删、改、查维修工单；
维修工单执行：维修工单派发后，维修人员按工单要求执行维修维护工作，同时将维修维护过程信息反馈到系统中。
02 设备健康评估
故障分析：根据故障上报信息进行故障分析，判断故障影响及处理措施；
设备运行统计：对设备的每日运行记录进行综合统计，分析设备的完好率状况；
设备报警统计：对设备生命周期中的报警情况进行综合统计，考察设备的监测虚警率和预测虚警率状况；
设备健康预测：对设备生命周期中的健康情况进行综合评估，预测设备的剩余寿命和下次故障发生时间，如果预测到故障提前预警；
数据处理分析：对采集的数据进行数据处理，并从不同维度进行分析展示。
03 能耗管理
能耗参数监控：支持设备能耗参数实时监控，可查询并导出数据；
能耗结构分析：支持工厂水、电、气能耗占比分析，可查询并导出数据；
能耗统计分析：支持能耗分层分阶段统计，可查询并导出数据；
能耗趋势分析：支持工厂或设备能耗趋势预测，可查询并导出数据；
能耗行为分析：支持设备能耗行为分析，可查询并导出数据；
能耗优化分析：支持设备能耗优化分析，可查询并导出数据。
