专题丨“5G+工业互联网”的数字孪生钢管生产集成技术研究
作者简介
徐明
中国电科太极计算机股份有限公司高级工程师，主要研究方向为工业互联网应用、数字经济等。论文引用格式：
徐明. “5G+工业互联网”的数字孪生钢管生产集成技术研究[J]. 信息通信技术与政策, 2023, 49(11): 33-40.
“5G+工业互联网”的数字孪生钢管生产集成技术研究
徐明
（中国电科太极计算机股份有限公司，北京 100012）
摘要：“5G+工业互联网”是装备制造企业实现数字化转型的重要途径。首先设计了钢管生产数字化框架，其次探讨了钢管生产车间应用“5G+工业互联网”的组网方式、关键工序改造和技术集成，最后研究了钢管全生命周期的唯一标识及应用数字孪生技术建构虚拟生产和物流系统，包括钢板和成品物流、钢管加工成型、质检及交互操作等场景。结果证明，“5G+工业互联网”满足钢管生产数字化转型的需要和智能化升级的需求，也为制造行业建构虚拟生产线提供了参考。
关键词：“5G+工业互联网”；数字孪生；直缝钢管生产；二维码喷涂；射频识别技术
0 引言
直缝埋弧焊管因缺陷概率小、管形好、尺寸精确等特点,常用于液体和气体输送，广泛应用在建筑、石油化工、机械制造等领域。并且，其生产线自动化程度高、生产成本低，适合用于5G全连接工厂的试点工作。为实现智能制造、虚拟工厂等目标，突破的重点包括钢管生产线应用“5G+工业互联网”组网和生产设备的5G改造，钢管生产物流和商用全生命周期的唯一精确识别，以及可交互的虚拟生产线构建。本文将在直缝钢管生产过程中应用“5G+工业互联网”以实现虚拟生产和物流的框架设计，首先针对连续工艺过程、成品物流过程中的关键工序进行5G组网和重要设备的5G改造，其次研究了钢管全生命周期的唯一识别和虚拟生产物流关键技术的集成，并构建堆场原材料/成品管理系统、虚拟钢管生产线管理系统、钢管成品缺陷评审协同系统等典型场景说明其应用效果，最后展望了“5G+工业互联网”的数字孪生钢管生产线技术在5G全连接工厂和数字化转型中的应用前景。
1 “5G+工业互联网”虚拟钢管生产技术分析
1.1 钢管生产物流现状和数字化转型目标
直缝钢管的生产从堆场中调拨钢板开始，经过初焊、内外焊、扩径、探伤、水压试验等工序的加工和检测，形成合格成品钢管，再调拨堆场存放。其中,生产车间有用于排班的生产管理系统和用于工序加工管理的制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）；焊接工序有点焊机器人；喷标工序有喷涂机器人；自动测量设备有超声波探伤检测、管端测量和钢管称重设备；扩径前后有样品的理化检验等；钢板的板探和铣边、被冲压成“O”型的预弯边和成型、钢管水压试验等工序都装有可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等工控设备。以国内某直缝钢管厂为例，生产和物流的自动化和信息化程度逐年提高，但仍保留了部分人工操作，如生产车间的每个工序（近30 个）都至少有一两人操作和维护。根据数字化转型目标和智能制造要求，有望进一步提高其自动化和智能化水平。例如，从堆场中调拨钢板到合格成品钢管进入堆场的过程保持钢管可唯一准确识别，从而做到钢管全生命周期（包括钢管的生产物流过程和最终用户现场使用过程）的质量可追溯和“无缝”快速安装连接。
在当前钢管生产线智能制造的现状中，马朝辉[1]等利用可远距离快速识别标签的射频识别技术自动读取钢管管号，总体效果良好。王文娟[2]等证明了二维码标识面在磨损、划伤以及锈蚀等情况下，其识别功能与识别效率都受到了影响。刘荣[3]等对钢管的全生命周期管理和跟踪钢管的二维码技术和方法进行了研究。柯巍[4]等将当前的智能设备和二维码技术相结合，阐述了二维码在工艺生产流程中的应用。白岩柏[5]采用二维码对零部件进行标识，实现了装配数据的远程可视化。
龚敏[6]应用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术模拟各工序,同时结合数字孪生技术构建了虚拟加工过程，实现了向施工最前线传递信息的可视化。王振声[7]等研究了管道智能化、智慧互联大管网指引下，支撑管道“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”的关键技术及阶段性成果。李明昊[8]等分析了数字孪生与增强现实融合驱动的地下管网结构安全评价方法，可为提升现场即时处置能力提供技术支持。陈继文[9]等探讨了基于数字孪生技术的检测方法，可有效实现机械故障预警和诊断。
按照标签的供电方式不同，钢管号射频识别技术可分为无源射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、有源RFID与半有源RFID三类。采用无源RFID方式的标签可应用喷涂工艺在钢管上喷涂二维码；采用有源RFID方式的标签是带有磁性外壳的高频抗金属电子标签，同时要求具有耐强酸、耐强碱、耐高温等特性。两种标签都可以用固定扫描器或手持扫描枪自动识别。但也可能产生以下问题，如钢板边缘双面铣削、打磨、水洗造成二维码缺损或不清晰；冲压钢管造成二维码变形；钢管全长扩径导致二维码丢失；管端切削导致二维码缺损；加工过程中水洗和废弃油污染二维码；水压试验过程中大量水汽导致识别障碍；冷加工过程要求喷涂材料不易燃；钢管的防腐和涂层工序导致二维码失效；成品钢管露天易锈蚀；加之车间环境工业无线网的信号强度不均匀以及受到堆积材料和天车运行的影响，导致各工序的MES终端信息共享能力低等。因此对钢管的唯一识别是钢管生产线数字化转型的关键，生产数字孪生及虚实互动操作、可视化质检和钢管质量可控可追溯是数字化转型的另一个重要目标。
1.2 “5G+工业互联网”钢管生产框架设计
随着5G技术演进和企业数字化转型，应用“5G+工业互联网”构建虚拟钢管生产涉及产线、车间、工厂等不同区域，基于工业互联网网络、平台、安全等体系，基础设施将形成“云—边—端”架构（见图1）。
首先，用于钢管生产制造的“5G+工业互联网”组网将基于5G公网架构的虚拟专网形式，主要利用5G接入信息技术（Information Technology，IT）和运营技术（Operational Technology，OT）网络，加快IT-OT网络的融合，从而支撑现有的工业现场总线、工业以太网和工业无线网的网络互通。
前端设备涉及人员和终端、生产设备、物料和半成品、资源和能源、环境和监控、质控和测量等，5G网络与工厂现有网络及设备的接入方式包括5G工业网关、5G客户前置设备、内置5G通信模组3种，可改造有线网络、工厂总线、工业以太网、工业无线网的联网和设备，其中5G多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）可以支撑工业互联网应用调用5G网络的位置服务、分流等能力，并支持制造执行系统MES、数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）和工业应用系统机器视觉的部署。
在产线、车间、工厂3个层面分别部署边缘计算节点，用于实时业务、应用智能、安全与隐私保护。在产线部署边缘控制器，可提升钢管生产过程中数据的采集与传输能力和智能化应用的可控能力；在车间部署边缘网关，可开展工业协议转换、数据预处理，提升工业数据质量。
产线的典型加工设备及其控制软件和管理系统采用云化部署,包括现场设备、控制系统、工业软件、企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning，ERP）等。云化部署是在不同生产物流分支和物联等场景下，将人、物、数据和应用尽可能连接起来，然后在一个开放、安全、可靠的工业云平台，借助云端管理实现资源的集中调度。其中，云端资源的开放意味着便捷高效共享的同时要具备高可靠性和安全性。结合钢管生产实践，可将产线上的机器人、PLC、SCADA、MES、机器视觉检测平台、企业资产管理系统等安全上云，通过远程调用、资源共享、高算力性能可实现本地设备、系统的轻量化；此外，可以通过边缘计算、人工智能等技术，在生产端就近提供智能化服务。
1.3 “5G+工业互联网”数字化转型的重要技术1.3.1 钢管生产过程的唯一标识和识别技术图2是国内某直缝钢管厂生产加工示意图，其中红色框线的工序首次喷涂和补充喷涂二维码。在钢板上料和加工过程中主要采用固定扫描器或者工业相机拍摄二维码，识别的钢板标识进入MES系统。在预焊工序首次使用喷涂机器人喷涂二维码，其中包含钢板编号、钢管唯一标号（具有128位编码）、喷涂机器人编号和加工时间、岗位编号等生产信息。分别在内焊、外焊、1号射线探伤、机械扩径、扩径后椭圆度测量、水压试验、2号超声波探伤、2号射线管端拍片、管端测量、称重测长、钢管喷标、成品管进入堆场等工序采用固定扫描器自动识别钢管；而在1号超声波探伤、补焊、火焰平头管端切削、管端倒棱、2号手动探伤等工序使用手持扫描枪。在机械扩径、水压试验等工序易导致二维码缺陷或丢失，需要重新喷涂二维码。在水压试验工序，由于水汽和油污大，需采用高清晰工业相机连续拍照，利用计算机视觉技术识别二维码；而在一些对火敏感的工序则采用磁性外壳的耐高温抗金属有源标签（2.4G）辅助标识，采用高频读写器接收钢管号。所有识别钢管编号的设备和喷涂设备均云化部署，并由云化的MES共同管理。
若在探伤和射线检查或水压试验工序发现质量不合格的钢管，要通过车间的天车将钢管运抵其他岗位或工序进行修复，或经鉴定是否报废处理。天车装有5G网关，可以与发现钢管质量不合格的工序上的MES终端，通过工业云平台同步钢管编号、扫描设备编号、工序编号等信息，天车按照指令运行到钢管所在工位上空，同时天车上的扫描设备识别钢管号并发往车间边缘服务器，与前面获得的缺陷钢管号信息进行匹配以保障天车作业位置正确。以探伤工序上的缺陷钢管为例，当被修复的钢管重新进入加工队列时，天车将识别的钢管号发送到车间MES系统，此时车间将重新安排加工计划和调度，修复钢管的编号发送到探伤工序上的MES终端，与缺陷钢管编号进行匹配。然后，天车将按照指令把修复钢管送到探伤工序位置，被修复钢管将按照新的调度计划重新进行加工。这样采用多种传感器技术和多工序设置统一标识可保障钢管在生产过程中编号的唯一性，为后续钢管质量跟踪和预测提供数据基础。
1.3.2 “5G+工业互联网”组网和设备5G改造考虑到钢管厂存在向上级单位上传重要生产信息的需求，采用5G切片技术定制部署适合该厂的网络和边缘云服务，同时保障用户的安全。为实现钢管生产物流过程的统一标识和识别，需要在车间层面部署时延低、实时性好、稳定性高、并发数高、安全优化的现场工业MEC[10-12]。以下对5G简化组网、设备5G改造和两类典型5G改造场景进行简单介绍。
简化的5G融合组网。主要利用5G大带宽特性接入IT网络，同时利用5G低时延、高可靠的特性接入OT网络，加快融合形成星型网络架构，构建虚拟产线的5G融合网络基础。其中，5G相当于IT和OT的“融合载体”，可以克服传统“两层三级”ISA-95和车间OT 2-4级有线组网的传输效率低的缺陷。车间内的原有现场设备通过加装远程输入输出（Input/Output，I/O）模块和5G移动终端可以直接接入5G融合组网，原有控制多设备协同工作的PLC（这里指主控PLC）或者被部署在车间的边缘服务器端和MES一起工作，通过MES与被控设备的IO模块进行5G通信，或者将主控PLC进行5G改造。考虑减少PLC硬件设备和通信层级的需求，现场设备尽可能直接通过5G与主控PLC通信，进行实时数据采集等，满足工艺优化需求。同时，5G MEC自身具备边缘计算服务能力，可以部署SCADA、数据分析服务器等应用，既能简化设备和网络的部署安装，也能优化分流点到应用的路径。在设备层一次性部署5G终端，满足OT实时控制。这样同一5G网络下每个用户设备组将同时支持实时及非实时业务流，实现实时及非实时通信。图3为国内某直缝钢管厂5G改造生产线示意图。
厂区设备5G改造。钢管厂的厂区升级改造要利用有线或无线网络，原有的数控机床、压缩机、电动机、精密检测、离心泵、喷涂设备和二维码固定扫描器等设备可采用有线方式，必要时也可以加装5G网关进行改造；而叉车、天车、机器人、工业相机、除尘器、手持扫描枪等有移动需求的设备优先采用5G方式。生产现场包括多种通信需求的生产业务流，通过5G网络可传输的数据（如视频、声音、高清晰图片、海量的文字数据、时延和可靠性要求较高的指令信息等）作为构建虚拟产线的数据基础。如焊接工序有低速、大容量的电流电压数据，水压试验或X射线探伤有大带宽的视觉图像与监控视频、类办公业务的数据访问业务等。从生产现场的设备来看，存在同一设备同时连接多种不同业务的需求，如喷涂机器人控制器需要访问主控PLC的同时分析半成品质量数据。在终端、设备、物料、成品等进行5G联网后，便可通过人工输入、系统导入、自动感知、设备读取、视频采集、系统生成等方式采集各类生产运营管理所需的数据（如研发数据、生产数据、运维数据、管理数据、外部数据等）。
两类典型5G改造场景包括多工位共享人机界面（Human Machine Interface，HMI）和云化PLC。
多工位共享HMI：产线的预焊、内焊、外焊和补焊由于在不同工序上，且受操作视野或者物料设备堆放对无线信号的影响，通常在各自独立的生产安全区均安装一个HMI，执行本工位的安全操作（如急停、使能按钮等）。图4展现了5G超高可靠和超低时延通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）改造前后的HMI应用场景。常规的工业无线无法解决多工位共用一个HMI实时安全信号的可靠性要求，5G支撑的无线方式能提供可靠安全信号传输，在多个工序上共用一个HMI，预计减少HMI数量近75%，如将原来距离较近的几个焊接工序上的HMI合成一个，不仅增加了HMI的可靠工作范围，而且能够降本增效。
云化PLC：产线的机器人、水压试验、喷涂打码、激光打码、管端测量、成品称重、成品在堆场的码垛等，都会利用到云化PLC。传统通信方式中，这些设备必须通过网线与PLC进行连接，网线布线繁琐、磨损高，同时生产过程中需要采集的压力、焊接电流、钢板材料化学成分等参数也需要使用专用传感器连接网线后上报到PLC才能进行反馈控制，组网架构成多级化。如图5所示，云化PLC方式通过加装5G通讯网关将Modbus、Ethernet等通用PLC协议转换为5G通信网络协议，借助5G网络提供高速的数据通道打通云端与电焊机器人、激光机器人、检测装置等设备的通讯，可实现工控设备的实时数据采集、协议转换、数据边缘计算处理、远程控制指令下发等。
“5G+工业互联网”的组网架构趋于扁平化，利用5G URLLC的低时延特性可实现车间各生产线、各类生产设备之间的无线柔性连接，降低了传统通信中数据采集的丢包率，实现了数据采集从有线到无线、本地到云端的转化。
1.3.3 钢管生产过程数字孪生技术数字孪生技术以数字化方式处理物理对象，提供了物理对象的全息映射、虚拟空间和交互操作[13]。利用三维模型模拟钢管产线设备与车间在现实环境中的行为，对钢管的设计、工艺、制造、物流乃至整个工厂进行虚拟仿真，实现产线及其状态的实时映射，同时融合生产、质量、物流和设备等任务的报警信息，进行实时可视化智能监控[12]。
建立虚拟的钢管产线要用到钢管设计和工艺加工模型、基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的生产车间模型、设备的三维模型以及相互融合形成的数字孪生底座。通常包括以下步骤。
首先，针对钢管生产过程、堆场出入库以及存放管理涉及到的典型工位（如焊接、水压试验、堆场分区等）设备的物理组成、功用、特点和区域环境，建立三维模型。按照数字孪生的国际标准和技术要求，为三维模型分离可运动部件、配置接口等。将直缝钢管成型工艺设备的三维模型搭建成仿真虚拟产线，实现真实生产线和虚拟生产线一一对应。
其次，进行数据同步，利用本文设计的云化PLC的5G改造方式驱动真实的生产设备，读取生产数据并传递到虚拟生产线，为典型工位设计数据流向和操作行为流程。利用设备采集的数据驱动虚拟环境下相应的设备模型进行同样的既定动作，实现真实设备与虚拟设备实时联动，便能实现真实生产线的实时监控。
再次，利用每个工位现有的MES终端，融合该工位设备采集的数据，进行设备故障预警；使用基于5G网络的应用层OPC UA协议，让MES终端与云化PLC进行交互，云化PLC通常和SCADA系统同步部署并且信息同步。虚拟产线已经同步并兼容SCADA的故障呈现功能，这样报警信息传到虚拟产线中，在相应的虚拟三维模型上呈现报警信息，由于接受同一工位处的设备故障信息，故分别在MES终端、包含车间的SCADA系统故障呈现功能的虚拟生产线以及厂区端的MES系统上报警。从而证明虚拟生产线与实际生产线的一致性，实现数字孪生。
最后，厂区端MES系统下达任务，虚拟产线接收该任务，可利用虚拟产线上的工位模拟终端，远程启动该工位的任务。通过云化PLC和指定工位上的设备底层PLC进行通信执行任务。同时该任务也显示在指定工位的MES终端上，虚拟产线按照前述步骤读取数据更新指定工位的加工状况和设备的运行状态。最终虚拟产线和真实工位被下达的任务同步影响，而虚拟产线同步反应真实产线的状态，并可以控制工位的动作。
2 “5G+工业互联网”虚拟钢管生产应用效果
在钢管生产和物流应用“5G+工业互联网”并融合数字孪生将加快生产和管理的智能化。本文以集成技术应用效果的中等口径钢管进行测试。
2.1 堆场原材料/成品管理系统该系统可视化管理原材料进出场及调度生产成品发货运输等（如图6所示）。堆场管理人员在办公室便能随时了解堆场内的钢板、钢管的数量变化。系统提供某一时段内不同区域钢板的使用、钢管的发货以及利用率，整体上钢板上料节省30%的时间，钢管发货时间缩短近50%，堆场的利用率大大提高。通过评估预测来优化生产，生产效率平均提高约10%。
2.2 虚拟钢管生产线管理系统钢管虚拟产线模拟了钢板冲压成型的生产过程，包含工序的辅助设备、天车模型和运输规则等。虚拟产线导入工艺图纸和数据从而还原真实车间，物理车间与虚拟产线共同积累生产数据，实现了高效集约生产控制，产线集控指数大大提高，优化人员比例在25%左右。
2.3 钢管成品缺陷评审协同系统钢管的外观尺寸和缺陷检测组合形成可视化评审协同系统，车间负责人可以直观地看到产线上的多个质量检测缺陷统计数据，质量修磨降级率降低50%。
3 结束语
本文提出了基于“5G+工业互联网”和数字孪生的钢管生产线的顶层设计，设计了直缝埋弧焊管全生命周期的统一识别方案，利用5G组网方式改造钢管的生产车间和物流堆场，并在此基础上进行全面数据采集，利用数字孪生技术设计了钢管的虚拟产线和物流堆场，最后在实际应用场景，以物流堆场原材料/成品管理系统、虚拟钢管生产线管理系统以及钢管成品缺陷评审协同系统为例说明了虚拟生产线集成技术的应用价值。基于“5G+工业互联网”的虚拟生产线融合应用场景为装备制造行业的智能化提升和应用提供了新思路，具有参考价值。
Research on digital twin steel pipe production integration technology of 5G + Industrial Internet
XU Ming
(CETC Taiji Computer Co., Ltd., Beijing 100012, China)
Abstract: 5G + Industrial Internet is an important approach for equipment manufacturing enterprises to achieve the digital transformation. This paper first designs a digital framework for steel pipe production. Then, it discusses the networking mode, key process transformation, and technology integration of 5G + Industrial Internet applied in steel pipe production workshops. Finally, this paper studies the unique identification of the entire life cycle of steel pipes, and constructs virtual production and logistics systems by using digital twin technology. The application scenarios include steel plate and finished steel pipe logistics, steel pipe processing and forming, quality inspection, and interactive operation. The results show that 5G + Industrial Internet meets the requirements of digital transformation and intelligent upgrading in steel pipe production. It also provides reference for the manufacturing industry to construct virtual production lines.Keywords: 5G + Industrial Internet; digital twin; straight seam steel pipes production; QR code spraying; radio frequency identification technology
本文刊于《信息通信技术与政策》2023年 第11期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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