機組式凹印機可視化監(jiān)控平臺的研究與開發(fā)

程倩，侯和平*，李征，劉善慧，徐卓飛，孫玉香，尹津宇

機組式凹印機可視化監(jiān)控平臺的研究與開發(fā)

程倩1，侯和平1*，李征2，劉善慧1，徐卓飛1，孫玉香1，尹津宇1

（1.西安理工大學 印刷包裝與數(shù)字媒體學院，西安 710054； 2.陜西北人印刷機械有限責任公司，陜西 渭南 714000）

為解決凹版印刷生產(chǎn)過程中監(jiān)控系統(tǒng)功能單一、可視化程度低、信息利用率低等問題，構(gòu)建一種基于數(shù)字孿生的監(jiān)控系統(tǒng)四層架構(gòu)模型。通過SolidWorks、3DS Max、Unity 3D三維建模軟件搭建凹印機虛擬場景，基于Modbus TCP/IP協(xié)議采集設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫對設(shè)備數(shù)據(jù)分類存儲，并結(jié)合凹印機虛實映射邏輯結(jié)構(gòu)，編寫C#腳本實現(xiàn)物理實體與虛擬模型間的同步映射，完成監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。該監(jiān)控平臺實現(xiàn)了凹印機的虛實同步運行、狀態(tài)監(jiān)控、套準偏差監(jiān)控和健康管理等功能，為印刷企業(yè)智能化運維提供了可行方案。與傳統(tǒng)印刷裝備監(jiān)控相比，基于數(shù)字孿生的監(jiān)控系統(tǒng)突破了時間、空間、投入成本等條件的限制，操作者可實時掌握凹印機的生產(chǎn)信息、運行狀態(tài)、歷史信息等，極大地提高了設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)的效率，降低了企業(yè)的成本。

數(shù)字孿生；監(jiān)控系統(tǒng)；實時數(shù)據(jù)；凹印機

凹版印刷作為印刷行業(yè)主要印刷方式之一，被廣泛用于煙包、化妝品包裝、藥品包裝、裝飾材料印刷等領(lǐng)域。機組式凹印機是凹版印刷中的主要設(shè)備，在我國印刷裝備中占有很大市場。受創(chuàng)新能力和經(jīng)濟發(fā)展的制約，印刷裝備發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，其數(shù)字化水平一直很低。隨著新一代信息技術(shù)在設(shè)備制造行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用，印刷裝備亟須充分融合先進技術(shù)，實現(xiàn)印刷裝備的數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級。

裝備的運維與管控是印刷生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)裝備數(shù)字化升級的關(guān)鍵過程。國內(nèi)外學者在相關(guān)研究中也取得一些成果，日本小森公司推出KP-Connect云平臺，可隨時查看印刷機的運轉(zhuǎn)信息[1]。德國海德堡的“印通”平臺，可使印刷企業(yè)對作業(yè)全流程進行實時監(jiān)控與跟蹤[2]。德國曼羅蘭公司通過Rift虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使客戶可以實時掌握印刷機印刷活件的信息[3]。在國內(nèi)，許倩[4]基于云平臺設(shè)計印刷設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可通過監(jiān)控界面高效管理印刷設(shè)備。東方精工聯(lián)合Fosber集團研發(fā)出PRO系列智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可實時掌握瓦楞紙板的生產(chǎn)情況[5]。安徽新華印刷公司建設(shè)的智能工廠，實現(xiàn)對生產(chǎn)訂單狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等實時管控[6]。印刷裝備智能化運維已取得一些成果，但仍存在著問題：系統(tǒng)功能單一，導(dǎo)致客戶體驗感較差，無法實現(xiàn)高質(zhì)量運維；設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集與聯(lián)網(wǎng)程度較低，導(dǎo)致信息化孤島問題；運維平臺開發(fā)成本高、兼容性低，無法保證運維效率和運營靈活性。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)與應(yīng)用成為實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，也為實現(xiàn)設(shè)備的智能化運維提供新的契機。數(shù)字孿生被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間[7-9]、機器人[10-11]、復(fù)雜設(shè)備[12]、能源[13]、醫(yī)療[14]、航空[15-16]等領(lǐng)域，但物理實體與虛擬模型間的實時映射成為實現(xiàn)數(shù)字孿生設(shè)備的核心問題。Luo等[17]研究了數(shù)控機床的數(shù)字孿生多領(lǐng)域建模方法，并分析了物理空間與信息空間的映射策略，有效改善了數(shù)控機床的運行模式。趙浩然等[18]構(gòu)建車間層次化映射規(guī)則，并通過實時數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬模型實現(xiàn)車間設(shè)備的同步運行。李莎莎等[19]根據(jù)斷路器生產(chǎn)車間的特點，構(gòu)建車間遞進式Petri網(wǎng)模型，并結(jié)合模型結(jié)構(gòu)分析、物理引擎開發(fā)、系統(tǒng)平臺優(yōu)化等方法，實現(xiàn)了物理車間設(shè)備與孿生車間的實時融合與同步。多數(shù)研究通過實時數(shù)據(jù)直接驅(qū)動虛擬模型實現(xiàn)虛實映射[20-22]，缺少系統(tǒng)的數(shù)字孿生虛實映射方案，因此無法滿足機組式凹印機因其內(nèi)部運行機理復(fù)雜、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜等情況下進行實時狀態(tài)監(jiān)測及運維管控的需求。

針對以上問題，借鑒數(shù)字孿生在其他領(lǐng)域的應(yīng)用思路，本文將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于凹印機實時監(jiān)控與智能管控中，通過構(gòu)建凹印機的虛擬模型，基于Modbus TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信獲取設(shè)備實時數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)管理模型實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲；基于C#腳本事件驅(qū)動實現(xiàn)凹印機虛實映射，并通過Unity 3D引擎開發(fā)凹印機三維可視化監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對凹印機的運行狀態(tài)監(jiān)控、關(guān)鍵部位監(jiān)控、設(shè)備健康管理、套色偏差監(jiān)控等功能，使設(shè)備生產(chǎn)過程更加透明高效。

1 數(shù)字孿生凹印機監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字孿生凹印機通過獲取設(shè)備生產(chǎn)過程中的實時信息，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)可視化和信息可視化，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜、行為邏輯復(fù)雜和運行狀態(tài)不可見的設(shè)備清晰地展示給用戶，便于設(shè)備用戶充分掌握設(shè)備性能、運行狀態(tài)、生產(chǎn)任務(wù)和產(chǎn)品質(zhì)量等，更好地實現(xiàn)智能化運維與管控。本文依據(jù)數(shù)字孿生五維模型[23]，提出數(shù)字孿生凹印機監(jiān)控系統(tǒng)4層架構(gòu)，分別為凹印機實體、數(shù)據(jù)信息層、虛擬空間層和應(yīng)用服務(wù)層，如圖1所示。

1）凹印機實體。機組式凹印機由收放卷單元、收放卷牽引裝置、印刷單元、干燥裝置和控制系統(tǒng)等主要部分組成，收放料料卷、收放卷牽引輥分別由各自電機驅(qū)動，印刷單元的版輥通過主電機經(jīng)過機械傳動來驅(qū)動，該機組式凹印機也配備張力自動控制系統(tǒng)和套準自動控制系統(tǒng)，設(shè)備可以實現(xiàn)自動張力控制、套準偏差調(diào)節(jié)、收放卷自動裁切、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能。

2）數(shù)據(jù)信息層。數(shù)據(jù)信息主要有狀態(tài)數(shù)據(jù)、驅(qū)動數(shù)據(jù)和動作信號3類，狀態(tài)數(shù)據(jù)主要反映設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)，包括故障狀態(tài)信息、運行狀態(tài)信息、生產(chǎn)狀態(tài)信息，如電機溫度、負載、收放卷張力等。驅(qū)動數(shù)據(jù)主要反映設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度、刮刀位置及擺輥位置，如線速度、刮刀角度等。動作信號用來描述設(shè)備當前動作，如機器啟動、聯(lián)動動作等。數(shù)據(jù)信息層是實現(xiàn)虛實映射、設(shè)備可視化監(jiān)控、設(shè)備健康管理等應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3）虛擬空間層。虛擬空間包括虛擬模型及其所處場景。虛擬模型真實描述凹印機實體的幾何參數(shù)與關(guān)系，實現(xiàn)對凹印機實體幾何層面的全面描述。為實現(xiàn)虛實之間的動態(tài)映射，虛擬空間具備信息自感知能力，可以實時感知數(shù)據(jù)信息的動態(tài)變化，以實現(xiàn)虛實同步。虛擬空間也具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力，可對設(shè)備實時數(shù)據(jù)進行分析與處理，實現(xiàn)對設(shè)備印刷過程的優(yōu)化管控。

圖1 數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)4層架構(gòu)

4）應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用服務(wù)主要包括：三維可視化監(jiān)控，在三維場景中對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時顯示與動態(tài)映射，并為用戶提供沉浸式體驗感；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，通過設(shè)計多種顯示方式向用戶展示設(shè)備生產(chǎn)信息與狀態(tài)信息，如彈窗展示、圖表顯示等；設(shè)備健康管理，實時監(jiān)控設(shè)備的故障信息，記錄故障發(fā)生的時間與狀態(tài)，監(jiān)控設(shè)備關(guān)鍵部位的健康狀況，為設(shè)備維修維護提供指導(dǎo)。

2 虛擬場景搭建

構(gòu)建虛擬場景流程分為幾何建模、模型處理和場景搭建等3步。

幾何建模的工作主要在SolidWorks中完成，首先繪制單個零件模型，根據(jù)配合約束關(guān)系對零件進行組裝，得到物理實體的幾何模型。模型處理在3DS Max中完成，設(shè)置材質(zhì)球的參數(shù)完成對幾何模型的材質(zhì)渲染，并對部分模型進行重構(gòu)與減面操作，在保持模型形狀不變的情況下盡可能減少組成模型的多邊形數(shù)量，優(yōu)化前多邊形數(shù)量為1 698 602個，優(yōu)化后的多邊形數(shù)量為1 356 078個。使用Unity 3D搭建虛擬場景，可通過C#或JavaScript等高級語言實現(xiàn)系統(tǒng)功能。場景搭建的主要過程：將處理后的三維模型以.fbx格式導(dǎo)入Unity 3D中，修改天空盒、材質(zhì)等參數(shù)，使得虛擬場景高度近似于真實場景；為部分模型添加碰撞組件，并綁定C#腳本，實現(xiàn)人機交互功能；為主相機綁定C#腳本，實現(xiàn)場景漫游功能；為實現(xiàn)物理實體與虛擬模型之間的實時映射，為虛擬場景中各個模型設(shè)置“父子”關(guān)系。

3 基于Modbus TCP/IP的設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集

實時數(shù)據(jù)是實現(xiàn)物理實體與虛擬模型實時同步的驅(qū)動源，這些數(shù)據(jù)來自于傳感器、變頻器、控制系統(tǒng)等，具有數(shù)據(jù)量大、更新頻率高等特點，為數(shù)據(jù)采集和管理帶來很大困難。基于Modbus TCP/IP的以太網(wǎng)通信作為工業(yè)通信中的常用協(xié)議，與Modbus串行通信相比，優(yōu)化了自身的通信速度、通信距離和通信穩(wěn)定性[24]。因此，本文通過Modbus TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備與PC上位機的連接，獲取設(shè)備控制部件的數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)通信過程分析

如圖2所示為數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，PC上位機與設(shè)備HMI人機界面通過以太網(wǎng)接口進行連接，獲取設(shè)備在生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)。在PC機上搭建OPC服務(wù)器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)源的整合，通過C#編寫OPC客戶端為用戶提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，最終對數(shù)據(jù)進行存儲與管理，數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫獲取實時數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

3.2 實時數(shù)據(jù)采集流程

在印刷生產(chǎn)車間，一般通過上位機或服務(wù)器來實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通信，從而獲取設(shè)備生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集主要流程如下：

1）硬件連接。選擇CAT6網(wǎng)線，將設(shè)備人機界面的ETH2網(wǎng)口與PC連接起來，并配置PC機以太網(wǎng)口的IP地址。

2）搭建OPC服務(wù)器。通過KEPServerEX搭建OPC服務(wù)器，該服務(wù)器被配置在一臺PC機上，實現(xiàn)OPC服務(wù)器與物理設(shè)備間的連接。搭建OPC服務(wù)器、組和數(shù)據(jù)項，選擇數(shù)據(jù)驅(qū)動源為Modbus TCP/IP Ethernet驅(qū)動，配置數(shù)據(jù)采集接口，通過數(shù)據(jù)通信地址找到設(shè)備上的數(shù)據(jù)源，并支持OPC客戶端對數(shù)據(jù)的監(jiān)聽、修改等操作。設(shè)備部分實時數(shù)據(jù)、類型和Modbus通信地址如表1所示。

3）數(shù)據(jù)庫連接。通過C#編寫OPC客戶端，將實時數(shù)據(jù)從OPC服務(wù)器記錄到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，并將新的數(shù)據(jù)值、時間戳和質(zhì)量測量值等發(fā)送到數(shù)據(jù)庫。OPC客戶端開發(fā)可使用OPCDAAuto.dll自動化接口來實現(xiàn)。

表1 設(shè)備部分實時數(shù)據(jù)、類型、通信地址

Tab.1 Partial real-time data, type, communication address of equipment

3.3 設(shè)備實時數(shù)據(jù)管理

根據(jù)設(shè)備虛實映射功能需求，設(shè)備生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)可以分為驅(qū)動數(shù)據(jù)、動作信號和狀態(tài)數(shù)據(jù)。圍繞這3種類型數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，定義數(shù)據(jù)的類型、標識符、約束等屬性，并建立數(shù)據(jù)周期性更新維護計劃，從而優(yōu)化數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)，提高整個監(jiān)控系統(tǒng)的實時性。數(shù)據(jù)管理模型見圖3。

4 基于腳本事件驅(qū)動的虛實映射實現(xiàn)

物理實體與虛擬模型之間的動態(tài)映射是實現(xiàn)設(shè)備三維可視化監(jiān)控的核心，主要表現(xiàn)為設(shè)備運行狀態(tài)可視化和數(shù)據(jù)可視化。如圖4所示為腳本事件驅(qū)動的虛實映射方案。將所有數(shù)據(jù)分為運動驅(qū)動數(shù)據(jù)、動作信號和設(shè)備狀態(tài)信息，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)可進一步細分為生產(chǎn)狀態(tài)信息、設(shè)備故障信息和運行狀態(tài)信息。為了充分利用實時數(shù)據(jù)驅(qū)動物理實體與虛擬模型間的同步映射，需要編寫C#腳本對不同類型的數(shù)據(jù)進行邏輯處理。

針對驅(qū)動數(shù)據(jù)，如設(shè)備當前速度、自動升降速度、自動加速時間等，可與動作信號結(jié)合，通過C#腳本事件定義虛擬模型在感知到相應(yīng)數(shù)據(jù)后所觸發(fā)的行為和動作，并將腳本掛載于對應(yīng)模型中。當凹印機實體動作發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)感知腳本對設(shè)備數(shù)據(jù)信號進行感知與解析，并將數(shù)據(jù)傳輸至運動驅(qū)動腳本中，運動驅(qū)動腳本依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對運動控制變量進行賦值，進而驅(qū)動虛擬模型。此類運動驅(qū)動腳本包括模型旋轉(zhuǎn)腳本、自動升速腳本、自動降速腳本等。

針對部分運行狀態(tài)信息（如放料報警直徑），在經(jīng)過腳本對其解析后，傳輸至三維動畫腳本中，三維動畫腳本中定義了凹印機的復(fù)雜運動，如回轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)、放料自動裁切、收料自動裁切等動作，從而驅(qū)動模型實現(xiàn)復(fù)雜動作映射。針對其他運行狀態(tài)信息、生產(chǎn)狀態(tài)信息和設(shè)備故障信息，通過定義的腳本事件實現(xiàn)相應(yīng)的功能，如總計長、非合格品計長、停機時間等，在通過數(shù)據(jù)分析腳本的運算后實現(xiàn)設(shè)備的生產(chǎn)統(tǒng)計。在此基礎(chǔ)上完成凹印機印刷過程中的三維可視化監(jiān)控及運行數(shù)據(jù)分析，從而進一步實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化管控與健康維護。

圖3 數(shù)據(jù)管理模型

圖4 凹印機虛實映射邏輯結(jié)構(gòu)

4.1 運行狀態(tài)可視化

運行狀態(tài)可視化可理解為在虛擬空間中實現(xiàn)虛擬模型與物理實體之間的動態(tài)同步。結(jié)合驅(qū)動數(shù)據(jù)與動作信號，通過控制父節(jié)點模型的動作實現(xiàn)子節(jié)點模型的同步運行，依次傳遞至末端的模型。因此在虛擬空間中，模型驅(qū)動有2種形式：將采集到的數(shù)據(jù)進行運算分析后，直接用于驅(qū)動模型；動作信號與簡單的動畫效果結(jié)合實現(xiàn)模型驅(qū)動。

一種模型驅(qū)動方式可由數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，如滾筒模型旋轉(zhuǎn)，可將設(shè)備當前速度與動作信號結(jié)合起來，驅(qū)動滾筒模型實現(xiàn)虛實同步運行。本文滾筒模型的運動主要實現(xiàn)繞自身軸旋轉(zhuǎn)，此功能通過旋轉(zhuǎn)函數(shù)transform.Rotate(Vector3.right*Time.deltaTime*speed)來實現(xiàn)，編寫腳本文件將該函數(shù)寫入Update函數(shù)中，并掛載于模型下，實現(xiàn)滾筒模型旋轉(zhuǎn)。

另一種模型驅(qū)動形式通過動畫效果來實現(xiàn)，如當設(shè)備進行“放卷自動裁切”，即料卷當前卷徑為250 mm時，設(shè)備開始進行“放卷自動裁切”動作，回轉(zhuǎn)架、切刀大臂、新料卷、接紙壓輥、切刀和切刀大臂共同配合完成換料，在正常印刷時切刀大臂的狀態(tài)如圖5所示。當切刀大臂感知到放料報警直徑為250 mm時，切刀準備自動裁切動作，此時切刀大臂的狀態(tài)如圖6所示。在換料結(jié)束后，切刀大臂的狀態(tài)恢復(fù)至圖5狀態(tài)。

圖5 放料裁切前切刀大臂的狀態(tài)

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化

在數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)中，重點對設(shè)備狀態(tài)信息進行分析處理，包括對設(shè)備運行時長統(tǒng)計、產(chǎn)品合格率分析、設(shè)備健康狀況評價等，為用戶進行智能化決策提供數(shù)據(jù)支持，并實現(xiàn)對設(shè)備透明化管理。

在虛擬空間中，數(shù)據(jù)可視化一般通過圖表來實現(xiàn)，圖表將設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)信息清晰直觀地呈現(xiàn)給用戶，創(chuàng)建Canvas畫布以不同方式為用戶展示設(shè)備數(shù)據(jù)。本文的數(shù)據(jù)可視化方案有彈窗顯示、看板顯示和大屏幕顯示方案3種。信息彈窗可視化針對凹印機重要部分的狀態(tài)信息，如烘箱溫度、烘箱風量等，通過鼠標射線點擊來實現(xiàn)，如圖7a所示?？窗屣@示針對設(shè)備生產(chǎn)信息，點擊按鈕可以控制看板的顯示時間，在三維可視化監(jiān)控的任意角度都可觀察到設(shè)備的生產(chǎn)信息，如圖7b所示。大屏幕顯示可實現(xiàn)設(shè)備張力監(jiān)控、關(guān)鍵部位監(jiān)控、套準偏差監(jiān)控和健康管理等功能，使用多種圖表展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息，如圖7c～f所示。通過對設(shè)備實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與可視化，使印刷車間的工作人員能對設(shè)備狀態(tài)進行及時查看和處理。當設(shè)備印刷生產(chǎn)出現(xiàn)故障時，及時向用戶報警并提醒工作人員處理報警信息，從而優(yōu)化設(shè)備生產(chǎn)流程。

圖6 放料裁切時切刀大臂的狀態(tài)

圖7 3種數(shù)據(jù)可視化展示方案

5 結(jié)語

本文針對印刷生產(chǎn)監(jiān)控中的問題，提出一種基于數(shù)字孿生的凹印機監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模型。該模型由凹印機實體、數(shù)據(jù)信息、虛擬空間和應(yīng)用服務(wù)等4層架構(gòu)組成，利用SolidWorks、3DS Max三維建模軟件構(gòu)建高保真模型，在Unity 3D中搭建虛擬場景，并搭建OPC服務(wù)器采集設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，最終通過編寫C#腳本來實現(xiàn)物理實體與虛擬模型間的動態(tài)映射，在此基礎(chǔ)上設(shè)計多種圖表，實現(xiàn)對設(shè)備生產(chǎn)過程的優(yōu)化管控。設(shè)備用戶可以通過該系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、套準質(zhì)量監(jiān)控和設(shè)備健康管理等功能，使設(shè)備運維管控過程更高效、更安全、更靈活。后續(xù)將重點研究設(shè)備異常狀態(tài)下的信號特征提取方法和故障預(yù)測機理，在虛擬空間中實現(xiàn)對凹印機反向控制、運行狀態(tài)預(yù)測和智能化決策。

[1] 趙瑋. 基于LabVIEW的印刷機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[D]. 西安: 西安理工大學, 2019: 1-2.

ZHAO Wei. Design of Printing Machine Fault Diagnosis System Based on LabVIEW[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2019: 1-2.

[2] 郁智宏. 傳統(tǒng)膠印企業(yè)數(shù)字化工作流程改造探析[D]. 廣州: 華南理工大學, 2020: 2-3.

YU Zhi-hong. Analysis on the Reform of Digital Workflow in Traditional Offset Printing Enterprises[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2020: 2-3.

[3] 佚名. 曼羅蘭: 體驗EVOLUTION的極致魅力[J]. 印刷工業(yè), 2015, 10(11): 83.

Anon. Manroland: Experience the Ultimate Charm of EVOLUTION[J]. Print China, 2015, 10(11): 83.

[4] 許倩. 基于云平臺的設(shè)備遠程監(jiān)控技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 西安: 西安理工大學, 2015: 1-79.

XU Qian. Research and Application of Remote Monitoring Technology for Equipment Based on Cloud Platform[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2015: 1-79.

[5] 寧廷州, 葛美芹. 智能印刷設(shè)備的歷史回顧、發(fā)展現(xiàn)狀及有效戰(zhàn)略[J]. 包裝工程, 2019, 40(19): 230-238.

NING Ting-zhou, GE Mei-qin. Historical Review, Development Status and Effective Strategy of Intelligent Printing Equipment[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(19): 230-238.

[6] 齊元勝, 高溯, 吳萌, 等. 印刷智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J]. 數(shù)字印刷, 2021(3): 1-13.

QI Yuan-sheng, GAO Su, WU Meng, et al. Research Progress on Key Technologies of Printing Intelligent Manufacturing[J]. Digital Printing, 2021(3): 1-13.

[7] TERKAJ W, GABOARDI P, TREVISAN C, et al. A Digital Factory Platform for the Design of Roll Shop Plants[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2019, 26: 88-93.

[8] 周成, 孫愷庭, 李江, 等. 基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2022, 28(3): 758-768.

ZHOU Cheng, SUN Kai-ting, LI Jiang, et al. Workshop 3D Visual Monitoring System Based on Digital Twin[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2022, 28(3): 758-768.

[9] 柳林燕, 杜宏祥, 汪惠芬, 等. 車間生產(chǎn)過程數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2019, 25(6): 1536-1545.

LIU Lin-yan, DU Hong-xiang, WANG Hui-fen, et al. Construction and Application of Digital Twin System for Production Process in Workshop[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2019, 25(6): 1536-1545.

[10] 楊艷芳, 賀煥, 舒亮, 等. 斷路器柔性裝配數(shù)字孿生機器人及其運動控制[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2020, 26(11): 2915-2926.

YANG Yan-fang, HE Huan, SHU Liang, et al. Digital Twin Robot and Its Motion Control for Flexible Assembly of Circuit Breaker[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2020, 26(11): 2915-2926.

[11] BILBERG A, MALIK A A. Digital Twin Driven Human-robot Collaborative Assembly[J]. CIRP Annals- Manufacturing Technology, 2019, 68(1): 499-502.

[12] LUO W, HU T, YE Y, et al. A Hybrid Predictive Maintenance Approach for CNC Machine Tool Driven by Digital Twin[J]. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2020, 65: 101974.

[13] 張旭輝, 張超, 王妙云, 等. 數(shù)字孿生驅(qū)動的懸臂式掘進機虛擬操控技術(shù)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2021, 27(6): 1617-1628.

ZHANG Xu-hui, ZHANG Chao, WANG Miao-yun, et al. Digital Twin-Driven Virtual Control Technology of Cantilever Roadheader[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2021, 27(6): 1617-1628.

[14] LIU Y, ZHANG L, YANG Y, et al. A Novel Cloud-based Framework for the Elderly Healthcare Services Using Digital Twin[J]. IEEE Access, 2019, 7: 49088-49101.

[15] 劉蔚然, 陶飛, 程江峰, 等. 數(shù)字孿生衛(wèi)星: 概念、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2020, 26(3): 565-588.

LIU Wei-ran, TAO Fei, CHENG Jiang-feng, et al. Digital Twin Satellite: Concept, Key Technologies and Applications[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2020, 26(3): 565-588.

[16] LI C, MAHADEVAN S, LING Y, et al. Dynamic Bayesian Network for Aircraft Wing Health Monitoring Digital Twin[J]. AIAA Journal, 2017, 55(3): 930-941.

[17] LUO W, HU T, ZHANG C, et al. Digital Twin for CNC Machine Tool: Modeling and Using Strategy[J]. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing, 2019, 10(3): 1129-1140.

[18] 趙浩然, 劉檢華, 熊輝, 等. 面向數(shù)字孿生車間的三維可視化實時監(jiān)控方法[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2019, 25(6): 1432-1443.

ZHAO Hao-ran, LIU Jian-hua, XIONG Hui, et al. 3D Visualization Real-Time Monitoring Method for Digital Twin Workshop[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2019, 25(6): 1432-1443.

[19] 李莎莎, 舒亮, 吳桂初, 等. 基于邏輯Petri網(wǎng)模型的斷路器數(shù)字孿生車間系統(tǒng)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2022, 28(2): 455-465

LI Sha-sha, SHU Liang, WU Gui-chu, et al. Digital Twin Workshop System of Circuit Breaker Based on Logic Petri Net[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2022, 28(2): 455-465

[20] REVETRIA R, TONELLI F, DAMIANI L, et al. A Real-Time Mechanical Structures Monitoring System Based on Digital Twin, IOT and Augmented Reality[C]// 2019 Spring Simulation Conference (SpringSim), IEEE, 2019: 1-10.

[21] REDELINGHUYS A J H, BASSON A H, KRUGER K. A Six-Layer Architecture for the Digital Twin: A Manufacturing Case Study Implementation[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2020, 31(6): 1383-1402.

[22] 李小龍. 基于數(shù)字孿生的機床加工過程虛擬監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 成都: 電子科技大學, 2020: 1-75.

LI Xiao-long. Research and Implementation of Virtual Monitoring System for Machine Tools Process Based on Digital Twin[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2020: 1-75.

[23] 陶飛, 劉蔚然, 張萌, 等. 數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2019, 25(1): 1-18.

TAO Fei, LIU Wei-ran, ZHANG Meng, et al. Five-Dimension Digital Twin Model and Its Ten Applications[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2019, 25(1): 1-18.

[24] 習博方, 彥軍. 工業(yè)以太網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究[J]. 微計算機信息, 2005, 21(2): 148-149.

XI Bo-fang, YAN Jun. The Development of Network Communication in Industrial Ethernet[J]. Microcomputer Information, 2005, 21(2): 148-149.

Research and Development of Visual Monitoring Platform for Unit-type Gravure Printing Machine

CHENG Qian1, HOU He-ping1*, LI Zheng2, LIU Shan-hui1, XU Zhuo-fei1, SUN Yu-xiang1, YIN Jin-yu1

(1. Faculty of Printing, Packaging Engineering and Digital Media Technology, Xi'an University of Technology, Xi'an 710054, China; 2. Shaanxi Beiren Printing Machinery Co., Ltd., Shaanxi Weinan 714000, China)

The work aims to construct a four-layer architecture model of monitoring system based on digital twin to solve the problems of single function, low visualization and low information utilization of monitoring systems in gravure printing production. On the visual monitoring platform, a virtual scene of the gravure printing machine was built with SolidWorks, 3DS Max and Unity 3D modeling software. The real-time data of the equipment were collected based on the Modbus TCP/IP protocol. The SQL Server database was used to realize classified storage of equipment data, and the virtual-real mapping logical structure of gravure printing machines was combined to write C# scripts to realize the synchronous mapping between the physical entity and the virtual model. Finally, the monitoring system was developed. The platform realized the functions of virtual-real synchronous operation, condition monitoring, register deviation monitoring and health management of gravure printing machines, which provided a feasible scheme for intelligent operation and maintenance of printing enterprises. Compared with the traditional printing equipment monitoring, the monitoring system based on digital twin breaks through the time, space, input cost and other conditions. Operators can grasp the production information, operation status and historical information of gravure printing machines in real time, which greatly improves the efficiency of stable production of equipment and reduces the cost of enterprises.

digital twin; monitoring system; real-time data; gravure printing machine

TP391.9

A

1001-3563(2023)19-0179-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.023

2023-03-02

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2019YFB1707200）；陜西省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項資助項目（2020QFY03-05）；陜西省教育廳協(xié)同創(chuàng)新中心項目（22JY047）

責任編輯：曾鈺嬋