基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)研究

張曉萍，竇金生，宋天麟，趙呈治，金曉東，范利輝

（1.蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇昆山 215300；2.蘇州網(wǎng)禾科技服務(wù)有限公司，江蘇常熟 215004；3.北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)股份有限公司，北京 101100）

0 引言

隨著智能制造業(yè)的不斷發(fā)展，新型信息技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)和大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)給生產(chǎn)系統(tǒng)賦能了更多分布式增強(qiáng)型智能特性，對(duì)生產(chǎn)單元的精準(zhǔn)化運(yùn)行管控可以提升生產(chǎn)過程的智能化管理水平。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從多角度對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的可視化監(jiān)控系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究。吳鵬興等針對(duì)車間監(jiān)控信息透明度低、實(shí)時(shí)性差和管理不透明等問題，分別采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄌ岢隽嘶跀?shù)字孿生的離散制造車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控方法、基于實(shí)時(shí)信息的生產(chǎn)車間三維可視化監(jiān)控方法、基于數(shù)字孿生的凈水廠運(yùn)維管控平臺(tái)架構(gòu)體系和研究了面向數(shù)字孿生的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)［1-4］；馬靖等基于數(shù)字孿生技術(shù)的虛實(shí)融合特性，研究了基于數(shù)字孿生的虛實(shí)映射建模方法，構(gòu)建了復(fù)雜多維時(shí)空下制造過程及數(shù)據(jù)建模方法［5-6］；魏一雄等［7］為滿足智能車間生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控、健康管理和故障診斷等需求，提出一種基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生車間體系架構(gòu)與技術(shù)路線；邱楓等［8］針對(duì)離散制造機(jī)加車間數(shù)控加工中心故障維修響應(yīng)滯后，制約設(shè)備能力發(fā)揮的問題，進(jìn)行三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)研究；ZHANG等［9］分析了數(shù)字孿生車間與可視化監(jiān)控間的關(guān)系，提出多層次三維可視化監(jiān)控模式，并在Unity上開發(fā)了原型系統(tǒng)；陶飛等首次提出數(shù)字孿生車間概念，闡述了其組成、運(yùn)行機(jī)制、特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)等［10-15］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞車間數(shù)字孿生系統(tǒng)和可視化監(jiān)控方面取得了許多有價(jià)值的研究成果，但目前仍存在以下問題：數(shù)字孿生技術(shù)在智能車間和生產(chǎn)線運(yùn)行系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值可以逐次分為監(jiān)視控制、分析診斷、故障預(yù)測(cè)和智能決策4個(gè)層級(jí)，目前的研究成果尚停留在第一層級(jí)即監(jiān)視控制層，還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的報(bào)警診斷、故障原因分析、自主學(xué)習(xí)故障預(yù)測(cè)和排產(chǎn)經(jīng)營(yíng)智能決策等功能。因此，研制新型高智能化和高數(shù)字化的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)有廣闊的市場(chǎng)前景。

本文采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)層、模型層與應(yīng)用層的動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)灌裝生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)字化，再結(jié)合仿真技術(shù)為管理人員提供形象直觀、數(shù)據(jù)同步和協(xié)同共享的數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，可以對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行報(bào)警診斷和故障原因分析等智能化管理［16-18］。

1 灌裝生產(chǎn)線及其監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 灌裝生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

灌裝生產(chǎn)線主要由理瓶單元、貼標(biāo)單元、數(shù)粒單元（3個(gè)）、旋蓋單元和裝盤倉(cāng)儲(chǔ)單元組成，能夠?qū)崿F(xiàn)從智能上料、貼標(biāo)、數(shù)粒裝瓶、旋蓋到裝盤入庫(kù)的實(shí)際生產(chǎn)流程。灌裝生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 灌裝產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)Fig.1 Filling production line training platform

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的灌裝生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)模型監(jiān)控系統(tǒng)，總體架構(gòu)包括設(shè)備層、感知層、數(shù)據(jù)模型層和應(yīng)用層，如圖2所示。其中：（1）設(shè)備層包括生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類設(shè)備，如理瓶機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)機(jī)構(gòu)、灌裝機(jī)構(gòu)、旋蓋機(jī)構(gòu)和倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)構(gòu)等。這些設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生生產(chǎn)線系統(tǒng)運(yùn)行提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）感知層用于生產(chǎn)線異構(gòu)多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和預(yù)處理，包括設(shè)備運(yùn)動(dòng)信息采集、運(yùn)輸行為感知、生產(chǎn)線上物料信息感知、設(shè)備狀態(tài)感知和環(huán)境感知等。感知層利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊，通過數(shù)據(jù)通訊協(xié)議讀取和存儲(chǔ)設(shè)備層多品牌、多接口和多協(xié)議的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。對(duì)于沒有相關(guān)數(shù)據(jù)接口的設(shè)備，通過布置傳感器測(cè)算其相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集。（3）數(shù)據(jù)模型層負(fù)責(zé)對(duì)上游感知層數(shù)據(jù)的映射，并通過構(gòu)建面向真實(shí)物理行為高仿真映射的虛擬仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)物理生產(chǎn)線與虛擬生產(chǎn)線的同步映射。數(shù)據(jù)模型層包括解析數(shù)據(jù)、變量匹配、運(yùn)動(dòng)控制和故障診斷等過程。（4）應(yīng)用層基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線生產(chǎn)資源的三維可視化導(dǎo)航以及生產(chǎn)線物理動(dòng)作的仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)通過觸發(fā)虛擬信號(hào)，有針對(duì)性地在三維模型上顯示、分析和管理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)信息、物流過程、產(chǎn)品質(zhì)量信息以及設(shè)備故障的管理診斷信息等，形成面向生產(chǎn)線的虛擬監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)透明化生產(chǎn)、故障問題重現(xiàn)與仿真，滿足使用者對(duì)生產(chǎn)線的追溯分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷等需求。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的灌裝生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)模型監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of dynamic model monitoring system for filling production line based on digital twin technology

2 感知層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 感知層硬件結(jié)構(gòu)組成

灌裝生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)功能明確，感知層硬件結(jié)構(gòu)主要由GE PAC、觸摸屏和上位機(jī)，各類傳感器和各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖3所示。生產(chǎn)線工作時(shí)，PAC將各個(gè)傳感器狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分類整理，再通過場(chǎng)地內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)接受上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)和指令，控制壓力和位移等模擬量和開關(guān)量。上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的操作、數(shù)據(jù)采集分析和存儲(chǔ)、決策等功能，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)控管理數(shù)據(jù)可視化。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Hardware structure composition of monitoring system

2.2 感知層異構(gòu)多源數(shù)據(jù)組成

灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)異構(gòu)多源數(shù)據(jù)包括控制模式按鈕、啟停按鈕，位置信號(hào)和顏色識(shí)別等數(shù)字量；以及電流、電壓，溫度和壓力等模擬量。系統(tǒng)共有21個(gè)輸入信號(hào)和19個(gè)輸出信號(hào)，采用GE RX3i型PAC 作為主控制器，既滿足基本需求又可為后續(xù)功能的開發(fā)留有充足的余量。

3 數(shù)據(jù)模型層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)模型層主要包括數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)可視化4個(gè)模塊。

（1）數(shù)據(jù)建模模塊采集并記錄生產(chǎn)線實(shí)時(shí)操作的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（包括材料信息、設(shè)備狀況和生產(chǎn)數(shù)據(jù)等），為數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)管理模塊用于管理系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)探索與預(yù)處理、存儲(chǔ)、清洗、分析和增值等。數(shù)據(jù)建模管理流程示意如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)建模管理流程Fig.4 Data modeling management process

傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)常依托獨(dú)立模型單元，僅僅聚焦于需求的關(guān)鍵問題，傾向于對(duì)實(shí)體的抽象和問題簡(jiǎn)單化。而在此數(shù)據(jù)管理模塊中，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合化，使不同領(lǐng)域的問題在同一個(gè)模型上研究，并不斷動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互、進(jìn)化迭代模型，趨向于生產(chǎn)線實(shí)體的復(fù)刻和多維度多尺度的模型耦合。

（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊通過OPC UA數(shù)據(jù)通信協(xié)議連接多個(gè)數(shù)據(jù)接口和融合多個(gè)協(xié)議讀取并接收數(shù)據(jù)，并通過虛擬模擬設(shè)備來(lái)捕獲物理工作場(chǎng)所和虛擬工作場(chǎng)所之間的同步。

（4）數(shù)據(jù)可視化模塊將灌裝生產(chǎn)線運(yùn)行的真實(shí)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示（如圖5）?；跀?shù)字孿生的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控不只是對(duì)物理空間的單向映射，還在不斷積累實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，推理生產(chǎn)運(yùn)行內(nèi)在規(guī)律與演化生產(chǎn)過程。

圖5 灌裝生產(chǎn)線數(shù)據(jù)可視化模塊Fig.5 Data visualization module of filling production line

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)采用最新自動(dòng)化技術(shù)，融合“智能制造、智慧工廠”理念，采用“模塊化、簡(jiǎn)易化”設(shè)計(jì)方法，將PAC技術(shù)、SCADA技術(shù)以及MES技術(shù)集成于一體。其中，GE PAC具有強(qiáng)大控制功能，iFIX組態(tài)軟件具有數(shù)據(jù)采集與“過程可視化”等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)灌裝生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，完成灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的配置，實(shí)現(xiàn)可視化界面和遠(yuǎn)程控制的功能。軟件系統(tǒng)包括PAC程序設(shè)計(jì)與人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)2部分，其組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.6 Software structure of the production line monitoring system

4.1 PAC程序設(shè)計(jì)

控制器GE PAC采用PME軟件進(jìn)行參數(shù)配置和梯形圖程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)思路：固體顆粒灌裝自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)有本地和遠(yuǎn)程2種控制方式。本地控制是使用現(xiàn)場(chǎng)的操作面板，通過按鈕和開關(guān)來(lái)控制整條生產(chǎn)線上的各種機(jī)構(gòu)以及自動(dòng)模式的啟動(dòng)停止。遠(yuǎn)程控制是通過通信網(wǎng)絡(luò)的連接，由上位機(jī)來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)和本地控制類似效果。固體顆粒灌裝自動(dòng)化生產(chǎn)線在本地和遠(yuǎn)程控制的選擇后，還需要進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)工作模式的選擇。手動(dòng)模式用于生產(chǎn)線的各類設(shè)備的調(diào)試和系統(tǒng)復(fù)位。自動(dòng)模式用于生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行和停止。自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕，傳送帶正向運(yùn)行，各設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式。固體顆粒灌裝產(chǎn)線工藝流程如圖7所示。

圖7 灌裝生產(chǎn)線工藝PAC程序流程Fig.7 PAC program flow of the filling production line

4.2 監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)

使用iFIX組態(tài)軟件，將實(shí)際生產(chǎn)線中的各種動(dòng)作以及各類參數(shù)以圖形和數(shù)值的形式在上位機(jī)呈現(xiàn)出來(lái)。在確定控制要求后，預(yù)設(shè)計(jì)“可視化界面”。整體設(shè)計(jì)可視化程序，分別為：登錄界面、生產(chǎn)線總覽、標(biāo)簽區(qū)域、灌裝區(qū)域、旋蓋區(qū)域、控制面板界面、標(biāo)題欄，報(bào)警界面和趨勢(shì)曲線。組態(tài)系統(tǒng)能完成包括用戶權(quán)限管理、生產(chǎn)線總覽、生產(chǎn)線分區(qū)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)線故障報(bào)警管理、歷史趨勢(shì)儲(chǔ)存分析等功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集、快速傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理以及面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能模塊如下：

（1）用戶權(quán)限管理：用戶有“登錄”和“進(jìn)入”2種進(jìn)入系統(tǒng)的方式，“登錄”方式需要輸入賬號(hào)和密碼；“進(jìn)入”方式可以直接進(jìn)入系統(tǒng)，但是操作權(quán)限受限。

（2）生產(chǎn)線總覽：包括傳送帶、標(biāo)簽區(qū)域、灌裝區(qū)域、旋蓋區(qū)域和控制臺(tái)等生產(chǎn)狀態(tài)總覽，如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)線工作狀態(tài)總覽Fig.8 Overview of production status of the production line

（3）生產(chǎn)線分區(qū)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集：標(biāo)簽區(qū)域主要完成對(duì)容器位置的檢測(cè)，并控制操作機(jī)構(gòu)粘貼二維碼標(biāo)簽；灌裝區(qū)域的主要功能是控制容器的位置，進(jìn)行計(jì)數(shù)，將預(yù)設(shè)數(shù)量的固體顆粒灌裝到瓶體內(nèi)；旋蓋區(qū)域的主要功能是將完成灌裝的瓶體旋上瓶蓋，完成封裝，并采集封裝完成率和故障數(shù)據(jù)（如圖9所示）。

圖9 貼標(biāo)單元?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)采集Fig.9 Dynamic data acquisition of labeling unit

（4）生產(chǎn)線故障報(bào)警管理：記錄生產(chǎn)線故障數(shù)據(jù)源、時(shí)間和名稱等，通過各數(shù)據(jù)源的變化和動(dòng)作，分析故障原因并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。

（5）歷史趨勢(shì)儲(chǔ)存分析：儲(chǔ)存生產(chǎn)狀態(tài)歷史趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)各工序的產(chǎn)品數(shù)量，計(jì)算分析產(chǎn)品合格率等。

5 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)灌裝生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用GE PAC可編程控制器和iFIX組態(tài)軟件，運(yùn)用Microsoft.NET Framework 3.5和OPC UA技術(shù)，開發(fā)基于數(shù)字孿生的灌裝生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已在蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院正式上線運(yùn)行，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、產(chǎn)線故障報(bào)警和歷史趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用效果良好。

系統(tǒng)面向試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集、快速傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理以及生產(chǎn)全過程的管控，后臺(tái)數(shù)據(jù)可視度高，可以對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行有效的智能化管理。為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用滲透到資產(chǎn)、車間和企業(yè)各個(gè)層級(jí)夯實(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)基于數(shù)字孿生技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的積極發(fā)展。

隨著故障數(shù)據(jù)的積累，可以采用專家系統(tǒng)進(jìn)一步研究自主學(xué)習(xí)故障預(yù)測(cè)；根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)還可以拓展輔助排產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的智能決策等功能。