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长飞光纤:基于全光工业互联网平台的数字孪生应用

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vdianwang 发表于 2020-6-25 16:55:11 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
一、企业简介
    长飞光纤光缆股份有限公司(以下简称“长飞公司”)成立于1988年5月,是专注于光纤光缆产业链及综合解决方案领域的科技创新型企业,也是全球领先的光纤预制棒、光纤、光缆供应商。公司现有4000多名员工,31家子公司。2016年至今,长飞公司预制棒、光纤、光缆产销量连续三年蝉联全球第一,提前五年完成了“全球第一、行业领袖”的战略目标。2018年,长飞公司经营业绩再创历史新高,营业收入为人民币113.60亿元,归属于母公司股东的净利润为人民币14.89亿元。2005年、2017年、2018年,长飞公司三次获得国家科技进步二等奖,成为光纤光缆行业行内唯一一家三次荣获国家科技进步二等奖的企业。
    长飞公司主要生产和销售通信行业广泛采用的各种标准规格的光纤预制棒、光纤、光缆,基于客户需求的各类特种光纤、光缆,以及射频同轴电缆、配件等产品,公司拥有完备的集成系统、工程设计服务与解决方案,为世界通信行业及其他行业(包括公用事业、运输、石油化工、医疗等)提供各种光纤光缆产品及综合解决方案,在全球70多个国家和地区提供优质的产品与服务。
图1 长飞光纤光缆股份有限公司
二、企业在智能制造方面的现状
    作为世界上唯一一家掌握三种主流预制棒制备技术的公司,长飞公司不仅拥有国内唯一一家光纤光缆制备技术国家重点实验室,还荣获了国家发改委“企业技术中心”,工信部“国家技术创新示范企业”等荣誉称号。2015年7月,因开展“光纤智能流程制造”项目,长飞公司入选工信部全国首批“智能制造试点示范企业”,是湖北省内也是国内光纤光缆行业唯一一家入选企业;2016年7月,“长飞自主预制棒及光纤产业化智能制造项目”、“用于下一代光通信网络的超低衰减光纤光缆自主产业化”项目分别获批工信部智能制造专项和工业强基工程项目;2017年1月,长飞公司又荣获工信部首批“制造业单项冠军示范企业”称号,成为国内光纤光缆行业唯一一家获此殊荣的企业;2017年11月,长飞公司以总分第一名荣获“全国质量奖”,成为中国光纤光缆行业首家荣获此奖项的企业,也是本届唯一一家获此殊荣的光通信企业;2017年12月,长飞公司“新型光纤制备技术及产业化”项目荣获国家科技进步二等奖;2018年10月,长飞公司又获得欧洲质量奖,成为首个获得该奖项的中国企业;2018年,长飞公司“全光工业互联网平台应用”项目入选工信部首批“工业互联网试点示范项目”,成为湖北省唯一一家获此殊荣企业;2018年11月,作为国内光通信行业的唯一代表,长飞公司受邀参加“伟大的变革——庆祝改革开放40周年大型展览”,向全世界讲述了中国光通信产业从“追赶者”到“领跑者”的发展历程;2019年1月,“长飞光纤光缆技术创新工程”项目荣获国家科学技术进步奖二等奖,公司成为光纤光缆行业唯一一家3次荣获该奖项的企业。作为光纤光缆行业领军企业,公司还积极参与国际、国家和行业标准的制定,主持或参与起草各类标准174项(其中国际标准17项,国家及行业标准99项),输出中国智慧、中国方案。截至目前,长飞公司累计申请760项国内外专利,海外专利和棒纤领域专利的申请量、授权量均位居全国第一。
    近年来,在“中国制造2025”国家战略的指引下,长飞公司率先在国内光纤制造领域开展了智能制造探索实践,建成了基于MES系统的数字化车间和智能工厂,自主开发了多项核心智能制造装备,实现了生产过程的全自动物流,初步形成了具有长飞特色的预制棒及光纤智能制造新模式。未来,长飞公司将继续深挖智能制造的赋能作用,围绕智能工艺、物流、仓储、工业大数据等方面进行优化升级,实现预制棒、光纤及光缆制造过程的提质增效。在光纤光缆行业,深入研究智能制造标准体系建设,提炼出更多具有行业共性的成功经验。同时,将智能制造经验复制推广产业链上下游,带动产业链智能制造水平的提升,适时探索具有跨行业普适性的智能制造理论体系。
三、参评智能制造项目详细情况介绍
    1.项目背景介绍
    长飞全光工业互联网平台是实现工业互联网的关键基础设施,它提供连接工业全系统、全产业链、全价值链,支撑工业智能化发展的关键技术能力。作为支撑长飞转型升级的关键性平台,它所需要具备的关键能力要素包含五点:
    1)可靠的网络传输介质。在综合考虑吞吐量和带宽、成本、尺寸、可扩展性、抗噪性等传输介质的前提下,提供高可靠的网络传输保障;
    2)各核心要素泛在连接。对设备、系统、人员等各类生产要素数据的全面采集,以及企业内部与外部数据的有机结合;
    3)平台承载与协作。基于云架构的的海量异构数据处理,涉及到存储计算与管理,边缘存储与计算以及云端实时交互;
    4)针对于数据的分析,需要有体系化的标准、方法以及工具,并作为价值转化的服务开放基础。数据分析过程需要将工业机理与数据科学融合,此外,微服务等新型架构支持平台能力开放,通过生态合作融合多方智慧;
    5)业务应用导向才是最终价值的体现,脱离实际业务的驱动,再精准的数据,再有能力的平台也无法带来价值,工业互联网平台通过提供满足不同行业、不同场景需求的创新性业务应用帮助企业实现数据到业务价值的转化。
    2.项目实施与应用情况详细介绍
    项目实施路线按“采集->传输->存储->分析->应用”五大层次展开,项目建设按“需求分析-技术突破-平台研发-示范应用”四大管理域进行展开。
    1)采集
    边缘层基于工业协议转换提供数据采集与标准化数据处理,提供接近现场的数据分析、智能计算与反向控制能力。
    2)传输
    一个典型的PON系统由OLT、ONU、ODN组成。OLT放在中心机房,ONU为用户端设备。ODN是光配线网,主要由一个或数个分光器来连接OLT和ONU,它的功能是分发下行数据并集中上行数据。OLT既是一个交换机或路由器,又是一个多业务提供平台,提供面向无源光纤网络的光纤接口。OLT除了提供网络集中和接入的功能外,还可以针对用户的QoS/SLA的不同要求进行带宽分配、网络安全和管理配置。分光器是一个简单设备,它不需要电源,可以置于全天候的环境中,一般一个分光器的分线率为2、4、8、16和32,并可以多级连接。
图2 传统网络结构与全光网络结构的对比
    3)存储
    根据数据存储的建设需求,企业级的ETL平台实现统一的数据转换、加载、处理以及统一调度、管控等功能,具备统一数据获取接入,支持内部或其他外部数据统一接入数据中心平台,支持结构化和非结构化数据采集、加工,对非结构化数据要实现从非结构化到结构化的处理过程。
    4)分析
    通过对多源异构数据智能获取、汇聚和治理方法的研究,解决工艺参数优化、设备智能维护、产品质量提升问题;通过对知识驱动的数据分析与异构信息网络挖掘方法的研究,实现基于语义关联的碎片化隐性知识提取与知识图谱构建,满足用户需求特征的挖掘和分析服务需求;通过数据分析弹性计算和知识流程动态自组织、发布方法的研究,以即席分析平台为基础,突破跨中心集群数据实时访问技术、多态资源调度与发布技术和云化及容器弹性计算技术,构建工业数据管理软件、工业控制软件和业务管理软件,实现产品设计、计划排产、柔性制造、物流配送和售后服务的集成和协同优化。
    5)应用
    以数据为基础,研发工业数据管理软件、工业控制软件和业务应用管理软件,解决个性化定制全流程的产业化和生态化发展中的企业信息化系统集成以及工业APP培育等核心问题,实现产品设计、计划排产、柔性制造、物流配送、服务的集成和协同优化,具体应用包括:
    (1)基于数字孪生的设备故障诊断
    由于生产过程的正常波动和进料性质的变化,装置的部分重要点位会出现报警,为了保证生产安全和平稳,操作人员必须快速准确做出应对措施。不同经验的工艺员和操作员对发生的报警处置可能出现差异,导致无法最优处理。通过全光工业互联网平台的数字孪生基于原因链路模型,将报警相关点位关联度进行展示,相关人员有据可依的分析报警原因并正确及时处理消除报警也是装置管理人员所需的。
    其研究方法是通过选取历史数据各个工艺点位运行平稳的一段历史数据作为算法的输入,计算各工艺点位的相关性大小,根据对关联性的显著性水平判断筛选出各点位之间的因果关系并形成因果链路。
    最终展现形式多样,可以以热力图、柱状图、雷达图等多种方式进行呈现,且关键点位报警因果链路的根因挖掘结果可与中泰集团现有的任何业务系统进行对接,提示方式多样,可以使用邮件、短信、微信、系统内提醒、OA内提醒等多种模式通知相关人员,并及时发现产生报警的根因,从源头解决问题,杜绝治标不治本的现象。
图3 生产设备数字孪生
    (2)基于数字孪生的配方优化
    生产物料是保证企业正常生产、提高生产效率、降低产品成本的关键。数字孪生技术的物料配方优化是在孪生数据驱动下,通过物理实体与虚拟模型的真实映射、实时交互、闭环控制,实现生产物料配方的任务组合优化、运输路线规划、运输过程控制等在物理世界、信息世界和上层物料服务系统之间的迭代运行,从而达到生产过程物料的无缝化和智能化的一种新的生产物料配方运行模式。数字孪生技术的物料配方优化关键技术主要包括以下两个部分:
    a.物料配方进行自动无人化分配及智能协同技术:基于数字孪生设计的运输车辆和制造设备具备感知、通讯和决策能力,利用设备之间相互通讯、信息共享以及孪生数据库,实现多设备交互协同,达到自组织、自适应控制。
    b.实时信息驱动的物料配送决策技术:利用孪生数据、信息共享和模型预测控制等技术,基于智能算法,实现搬运载体间的智能协同、应急处理和物料运输任务的组合优化,提高运输效率和对变化环境的适应性,从而实现物料配送任务的高效精准配送。
    长飞公司制棒机床PCVD在数字孪生技术的物料配方优化上主要突现在物料配方决策技术。孪生PCVD模型根据前几次的产品质量数据自动优化配方,并自动下发到对应的物理PCVD,达到精准配送,使生产质量更优化。,目前,制棒机床PCVD在数字孪生技术的物料配方优化,将沉积芯径直径和delta+标准偏差比非自动沉积降低30%,均匀性大幅改善提高了产品质量。
图4 产品一致性分布
    (3)基于数字孪生的车间运营管理
    数字孪生用来模拟生产过程,并创建虚拟模型,这些虚拟模型可以为物理工厂车间里所有连接的机器、工具和设备进行数字操作。这使工厂所有者能够配置和重新配置生产线,以最大限度地提高效率,提高资产利用率,防止停机,并在配置层驱动灵活性。在长飞科技园光缆生产车间,通过数字孪生实现了:
    三维仿真:用3D建模生成的一个逼真的,具有视、听、触感知的虚拟环境,并最大的可能与现实世界保持一致;
    数据标识:使用标识牌,对所有生产数据进行统一的显示和展示。简化生产过程监控复杂度。实时的显示生产设备的生产状态。做到早发现、早处理;
    实时报警:能根据自定义输入,做到每个设备、每个参数进行高度定制化告警;
    报警展现:通过图形化,弹框式展现,多报警点击定位的方式帮助生产、工艺人员快速定位问题;
    统一登录:所有图形报表均使用统一的登录认证方式。保障工艺和产能信息不泄露;
    统一状态监测:能根据获取动态的报警,在每个拉丝塔的对应块上使用红色高亮标记处所有报警;
    产能监控:能将实时产能、产品、设备当前状态展示,方便查询和计划调度的计划制定;
    温湿度监测:监测温度、湿度、空气洁净度指标。并能根据每个车间的工艺需求不同进行高亮告警。
图5 基于数字孪生的车间运营管理
    3.效益分析
    为了解决生产制造过程中的信息孤岛问题,长飞公司结合自身在光传输、光感知方面的技术优势,在制造业率先提出了具有高速率、高带宽、抗干扰等特点的全光工业互联网整体解决方案,并实现了技术方案的对外输出,该项目也成功入选了2018年工信部首批“工业互联网试点示范”项目。
    全光工业互联网是企业向智能制造专项升级的网络平台。未来,能帮助企业实现生产设备的横向互联,以及工业数据的全面感知、动态传输、实时分析,有效地提高制造资源配置效率,为实现柔性制造等智能制造生产模式提供基础网络、数据支撑。同时,建立了工业互联网标识解析服务二级节点,实现产品的信息数据的共享。
    通过部署全光工业互联网平台,长飞公司将打通横向与纵向的数据链条,实现企业各类自动化、信息化的基础数据、业务数据、生产数据的汇集和共享,提供标准化的数据服务,组件化的分析工具;数据标准管理,包括元数据和主数据管理,数据的标准化视图提供;依托数据中心,提供数据一致性管理的数据分析能力和数据质量报告;依托数据中心边缘计算,支撑装备健康云、生产制造云、产品服务云等上层数据应用。长飞全光工业互联网平台将支撑长飞公司战略目标的达成。此外,基于全光工业互联网平台,不仅能满足长飞公司自身的生产定制化需求,同时能利用大数据分析技术来帮助生产部门改善或降低各种外部因素对生产的影响,从而降低设备故障率,保证产品质量稳定性,提高生产效率。经计算,实现运营成本降低10%,为上下游供应商运营成本降低5%,产品良品率提升8%,库存周转率提升25%的目标。

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