基于數(shù)字孿生的全周期智慧車間系統(tǒng)

肖慶陽，方建儒，王 龍，李金鐘，劉 冬

(1.大連亞明汽車部件股份有限公司，遼寧 大連 116041；2.大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)的目的是實現(xiàn)智能制造的物理世界和信息世界互聯(lián)互通、信息交互[1]，創(chuàng)造一個和真實物理車間生產(chǎn)要素完全一致的映射空間，借助實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)模擬物理實體在實際環(huán)境中的行為[2]，完成交互反饋、數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)線優(yōu)化、預測性維護等功能，面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用[3-4]。

近年來，國內(nèi)外對于數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)注度持續(xù)提升，全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2016年和2017年連續(xù)兩年將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一[5]，洛克希德馬丁、達索、西門子、PTC等近年來都穩(wěn)步推進在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研發(fā)與布局[6]，洛克希德馬丁公司專注于利用機器學習和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多種可視化技術(shù)融合到美國海軍的電子系統(tǒng)，達索公司專注于復雜結(jié)構(gòu)的三維建模、仿真模擬和協(xié)作管理，西門子作為“數(shù)字孿生”的提出者主要關(guān)注設(shè)計與生產(chǎn)過程中海量數(shù)據(jù)的管理與分析，PTC側(cè)重于“數(shù)字孿生體+增強現(xiàn)實技術(shù)”，讓數(shù)字孿生體更具有真實感和工作場景感。陶飛教授于2017年首先提出數(shù)字孿生車間的概念[7]，認為數(shù)字孿生車間是未來解決物理空間與信息空間交互融合的新模式，又于2019年提出數(shù)字孿生五維模型[8]，從物理實體、虛擬實體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、連接五個維度進一步探討在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，學術(shù)界及工業(yè)界對于數(shù)字孿生技術(shù)的研究都局限于產(chǎn)品全生命周期的某一部分，缺乏將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于從產(chǎn)線規(guī)劃到現(xiàn)場展示的全生命周期智慧車間的實踐。本文首先基于數(shù)字孿生技術(shù)建立汽車減速器殼體生產(chǎn)車間的數(shù)字孿生體，然后采用“內(nèi)部驅(qū)動仿真—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真方式對數(shù)字孿生體功能及產(chǎn)線規(guī)劃效果進行驗證，接著采用OPC UA通信協(xié)議實現(xiàn)“虛實交互”，最終實現(xiàn)對物理產(chǎn)線的實時監(jiān)控，根據(jù)數(shù)字孿生體對實際生產(chǎn)過程進行指導和改進，提高生產(chǎn)效率，避免生產(chǎn)安全事故。

1 數(shù)字孿生體建立流程

實現(xiàn)“虛實交互”數(shù)字孿生車間的基礎(chǔ)是虛擬組件設(shè)計、數(shù)字化工藝設(shè)計和虛擬產(chǎn)線規(guī)劃。

1.1 虛擬組件設(shè)計

虛擬組件設(shè)計模塊設(shè)計各生產(chǎn)要素的三維模型、設(shè)置組件屬性、編寫內(nèi)部驅(qū)動程序，虛擬組件的基本組成單元為組件節(jié)點、行為、屬性和特征，虛擬組件的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 虛擬組件設(shè)計流程圖

每個虛擬組件都擁有一個唯一的ID用以對虛擬組件進行區(qū)分，都包含一個根節(jié)點，根節(jié)點是構(gòu)建特征、屬性、行為和其他子節(jié)點的基礎(chǔ)，屬性是組件的變量，特征是靜態(tài)特性，包括組件的幾何特征、外觀狀態(tài)，行為是動態(tài)屬性，是組件為完成特定任務(wù)的動作。子節(jié)點是與根節(jié)點的屬性、特征和行為不同的其他組成部分，子節(jié)點的運動通過內(nèi)部驅(qū)動程序控制。

1.2 數(shù)字化工藝設(shè)計

產(chǎn)品數(shù)字化工藝設(shè)計包括數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計和數(shù)字化工藝裝備設(shè)計[9]，數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計主要有數(shù)字化工藝過程卡、數(shù)字化工藝卡，數(shù)字化工序卡。數(shù)字化工藝裝備設(shè)計包括夾具虛擬組件、刀具虛擬組件、模具虛擬組件和工位機虛擬組件設(shè)計。

1.3 虛擬產(chǎn)線規(guī)劃

虛擬產(chǎn)線規(guī)劃是指對物理生產(chǎn)車間進行整體規(guī)劃，縮短生產(chǎn)周期，提高設(shè)備整體產(chǎn)出能力，提高空間利用率，減少作業(yè)量，改善工作環(huán)境。

2 虛擬產(chǎn)線仿真調(diào)試

通過數(shù)字孿生體內(nèi)部驅(qū)動程序、虛擬組件間信號交互、虛擬控制器或真實控制器對虛擬產(chǎn)線進行仿真調(diào)試，優(yōu)化虛擬組件的屬性、特征和行為，完善數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計和數(shù)字化工藝裝備設(shè)計，以達到最優(yōu)的產(chǎn)線規(guī)劃效果。虛擬產(chǎn)線仿真調(diào)試被設(shè)計為“內(nèi)部仿真調(diào)試—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真模式，如圖2所示。

圖2 虛擬產(chǎn)線聯(lián)合仿真示意圖

2.1 數(shù)字孿生體內(nèi)部仿真調(diào)試

通過虛擬組件內(nèi)部的Python驅(qū)動腳本驅(qū)動虛擬組件運動，利用虛擬組件間的接口完成虛擬組件間的聯(lián)動，驗證虛擬產(chǎn)線是否能夠按照設(shè)計目標進行產(chǎn)品生產(chǎn)，對虛擬組件、產(chǎn)品工藝、產(chǎn)線規(guī)劃進行優(yōu)化。

2.2 與虛擬控制器聯(lián)調(diào)

PLC編程軟件編寫的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)線的整體控制邏輯，虛擬PLC仿真軟件控制數(shù)字孿生體，驗證PLC控制程序是否滿足控制要求，PLC控制程序與數(shù)字孿生體內(nèi)部驅(qū)動程序是否能夠無縫銜接，實現(xiàn)對生產(chǎn)車間的精確控制。

2.3 與真實控制器聯(lián)調(diào)

為排除仿真軟件中所忽略因素的影響，通過OPC UA協(xié)議連接真實PLC控制器與數(shù)字孿生體再次調(diào)試，并驗證梯形圖控制程序與真實PLC控制器的兼容性。

虛擬產(chǎn)線聯(lián)合仿真調(diào)試方法如圖3所示，首先建立虛擬組件模型并進行數(shù)字化工藝設(shè)計，然后根據(jù)實際情況進行產(chǎn)線規(guī)劃，緊接著進行“內(nèi)部仿真調(diào)試—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真調(diào)試，根據(jù)驗證結(jié)果對設(shè)計進行調(diào)整，最終滿足產(chǎn)線規(guī)劃的預期效果。

圖3 聯(lián)合仿真流程圖

3 虛實產(chǎn)線信號交互

虛實產(chǎn)線信號交互的目的是將物理產(chǎn)線的生產(chǎn)情況、報警信息和設(shè)備狀態(tài)等信號實時反饋到虛擬產(chǎn)線，根據(jù)故障診斷和預測算法或生產(chǎn)管理人員的決策，將虛擬產(chǎn)線中對生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備狀態(tài)和計劃產(chǎn)量等的調(diào)整信號實時反饋到物理產(chǎn)線。

3.1 搭建物理產(chǎn)線

物理產(chǎn)線是指實際進行產(chǎn)品加工制造的實體產(chǎn)線，包括機床、專用設(shè)備、傳送帶、操作人員、零件等生產(chǎn)過程所涉及的所有生產(chǎn)要素，最重要的是為各生產(chǎn)設(shè)備安裝進行虛實映射所需傳感器，使各生產(chǎn)設(shè)備具備數(shù)據(jù)輸出的能力，物理車間輸出的數(shù)據(jù)主要包括工件狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和異常故障數(shù)據(jù)，車間數(shù)據(jù)的特點是高頻、連續(xù)、異構(gòu)、數(shù)據(jù)量大且實時性要求高。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

采用OPC UA通信協(xié)議通過PLC控制器統(tǒng)一獲取物理車間各設(shè)備的實時運行狀態(tài)及位姿數(shù)據(jù)。因為生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備來自于不同廠家，接口協(xié)議也各不相同，對于PLC控制的設(shè)備，通過以太網(wǎng)接口連接控制器及上位機，通過上位機上安裝的與PLC設(shè)備相兼容的集成軟件平臺及OPC UA 客戶端完成PLC設(shè)備信號的采集，非PLC控制的設(shè)備采用與PLC互通的數(shù)據(jù)接口將信號同步于PLC，然后將所有信號整合到一個OPC UA服務(wù)器重新發(fā)布，最后數(shù)字孿生體中的OPC UA客戶端訂閱服務(wù)器發(fā)布的信號。OPC UA協(xié)議為工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的通信協(xié)議，支持絕大多數(shù)工業(yè)控制器，支持復雜數(shù)據(jù)內(nèi)置、跨平臺操作，提供統(tǒng)一的地址空間和服務(wù)，促進服務(wù)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的連通[10]。

3.3 數(shù)據(jù)映射

數(shù)據(jù)映射即用物理產(chǎn)線數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬產(chǎn)線運行，數(shù)據(jù)分為位姿數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。虛實數(shù)據(jù)映射模塊發(fā)送請求到存儲數(shù)字孿生體客戶端所訂閱數(shù)據(jù)的Oracle數(shù)據(jù)庫，對照數(shù)據(jù)列表查找所需數(shù)據(jù)，將位姿數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)到虛擬車間中虛擬組件的相應(yīng)屬性值。位姿數(shù)據(jù)即時更新，保證產(chǎn)線運行過程中虛實同步的一致性，狀態(tài)數(shù)據(jù)主要有兩個作用：第一個作用是在產(chǎn)線啟動后，虛擬產(chǎn)線根據(jù)采集到的狀態(tài)值進行初始化，保證虛擬產(chǎn)線能夠與物理產(chǎn)線的物料狀態(tài)、運動狀態(tài)和加工狀態(tài)保持完全一致；第二個作用是在運行過程中，可以通過采集到的物理產(chǎn)線狀態(tài)值對虛擬產(chǎn)線的物料狀態(tài)、運行狀態(tài)和加工狀態(tài)進行調(diào)整，避免因位姿數(shù)據(jù)的誤差造成虛擬產(chǎn)線與物理產(chǎn)線間的累積誤差越來越大。

3.4 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化主要作用是顯示數(shù)字孿生體及各生產(chǎn)要素在物理車間和虛擬車間的實時運行數(shù)據(jù)和物理車間運行故障，數(shù)據(jù)可視化模塊發(fā)送請求到數(shù)據(jù)庫，對照數(shù)據(jù)列表查找所需數(shù)據(jù)，從信號采集到虛實產(chǎn)線信號交互整體流程如圖4所示。

圖4 虛實同步模塊流程圖

4 應(yīng)用實例：減速器殼體生產(chǎn)車間

采用上述方法，以UG8.0對某型號汽車減速器殼體生產(chǎn)車間的所有生產(chǎn)要素進行參數(shù)化建模，對模型進行輕量化，突出重點，簡化模型，避免不必要的內(nèi)存消耗影響數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)映射的實時性，在Visual Components中進行虛擬組件設(shè)計、數(shù)字化工藝設(shè)計、虛擬產(chǎn)線規(guī)劃、數(shù)字孿生體內(nèi)部仿真調(diào)試、與虛擬控制器聯(lián)調(diào)和與真實控制器聯(lián)調(diào)，搭建物理產(chǎn)線，通過OPC UA協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)映射和數(shù)據(jù)可視化。

實現(xiàn)過程如下：

(1)搭建數(shù)字孿生體，將簡化后的模型導入Visual Components作為虛擬組件的根節(jié)點，根據(jù)對虛擬組件的功能要求設(shè)定虛擬組件的特征、屬性、行為并添加其他的子節(jié)點，如圖5所示為減速器殼體生產(chǎn)車間的轉(zhuǎn)向單元虛擬組件。

圖5 轉(zhuǎn)向單元虛擬組件

以轉(zhuǎn)向單元虛擬組件的特征、屬性、行為及子節(jié)點為例，特征包括轉(zhuǎn)向單元的外觀形狀，幾何構(gòu)成等，屬性包括轉(zhuǎn)向單元的顏色、材料等，行為包括轉(zhuǎn)向單元的物料接口、路徑、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、傳感器信號、伺服驅(qū)動器和Python驅(qū)動腳本等,子節(jié)點Link_1是轉(zhuǎn)向單元中往復運動的傳送帶。

數(shù)字化工藝設(shè)計包括數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計和數(shù)字化工藝裝備設(shè)計(夾具虛擬組件、刀具虛擬組件、模具虛擬組件和工位機虛擬組件)，如圖6所示為安裝在機械臂上用于夾持工件的專用夾具虛擬組件，最后根據(jù)數(shù)字化工藝設(shè)計結(jié)果對減速器殼體生產(chǎn)車間進行整體規(guī)劃。

圖6 專用夾具虛擬組件

(2)虛擬產(chǎn)線仿真調(diào)試，如圖7所示為組件內(nèi)部仿真調(diào)試過程，圖中的每一個虛擬組件都有一個或多個Python腳本驅(qū)動完成相應(yīng)的功能，組件間的交互通過接口完成，比如上料單元中傳送帶與轉(zhuǎn)向單元的路徑接口，傳送帶與機械臂間的信號接口等。

圖7 組件內(nèi)部仿真調(diào)試示意圖

如圖8所示為與虛擬PLC控制器聯(lián)調(diào)，由TIA Portal V14編寫的梯形圖控制程序?qū)崿F(xiàn)整體的控制邏輯，將程序?qū)懭氲絊7-PLCSIM V14虛擬控制器，并在S7-PLCSIM V14中挑選出用來控制數(shù)字孿生體的寄存器信號，在數(shù)字孿生體中將S7-PLCSIM V14的控制信號與虛擬組件的驅(qū)動信號一一映射。

圖8 與虛擬PLC控制器聯(lián)調(diào)示意圖

如圖9所示為與生產(chǎn)現(xiàn)場真實PLC聯(lián)調(diào)，將由TIA Portal V14編寫的梯形圖控制程序下載到真實PLC控制器SIEMENS S7-1500，通過控制器上的以太網(wǎng)接口連接搭建數(shù)字孿生體的終端，在終端運行OPC UA服務(wù)端，服務(wù)端將從SIEMENS S7-1500控制器獲取的寄存器信號發(fā)布出來，數(shù)字孿生體內(nèi)的客戶端訂閱信號，驅(qū)動數(shù)字孿生體生產(chǎn)。

圖9 與生產(chǎn)現(xiàn)場真實PLC聯(lián)調(diào)示意圖

(3)如圖10所示為汽車減速器殼體生產(chǎn)車間虛實映射的部分映射信號對照表，通過OPC UA協(xié)議將物理產(chǎn)線的實時狀態(tài)信號采集并傳輸?shù)綌?shù)字孿生體，保證實時同步運行。

圖10 虛實映射的部分映射信號對照表

5 結(jié)束語

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，綜合現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等，建立汽車減速器殼體生產(chǎn)車間的數(shù)字孿生體，提出“內(nèi)部驅(qū)動仿真—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真方式，通過數(shù)字孿生體與物理產(chǎn)線的信息交互，實現(xiàn)從產(chǎn)線規(guī)劃到生產(chǎn)過程監(jiān)控的產(chǎn)品全生命周期管理，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提高了產(chǎn)線規(guī)劃、仿真驗證的效率，實現(xiàn)了車間生產(chǎn)情況和故障的實時監(jiān)控，對于智能制造具有重要意義。

DOI：10.1007/s00170-017-0233-1.