基于數(shù)字孿生的FMS 控制管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

黃 河 斯興瑤 劉福華

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644003）

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的日趨成熟，將數(shù)字孿生與智能控制技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacture System，F(xiàn)MS）、智能工廠的物理系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的交融成為未來智能制造的一個(gè)主攻方向。

柔性制造環(huán)境下，車間生產(chǎn)調(diào)度問題具有復(fù)雜性、不確定性、多目標(biāo)、多約束、多資源相互協(xié)調(diào)等特點(diǎn)。在充分吸收基于Agent 或Holon 的非集中式生產(chǎn)調(diào)度最新研究成果基礎(chǔ)上，以具有生產(chǎn)加工柔性、多單元、離散作業(yè)型制造車間（Job Shop）為研究對象[1-2]，提出了基于Holon 概念模型的集成強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制的合同網(wǎng)協(xié)議和改進(jìn)過濾定向搜索算法的自治與協(xié)商智能調(diào)度技術(shù)，也可用于解決其他組合優(yōu)化問題和復(fù)雜調(diào)度問題[3-4]。針對FMS 中存在異步、并發(fā)、共享資源和路徑柔性等復(fù)雜關(guān)系，對調(diào)度模型和優(yōu)化調(diào)度算法兩個(gè)核心問題進(jìn)行詳細(xì)研究[5-6]，建立了轎車曲軸FMS 生產(chǎn)調(diào)度非確定性Petri 網(wǎng)模型，同時(shí)利用啟發(fā)式調(diào)度算法和分層調(diào)度實(shí)現(xiàn)了曲軸FMS 生產(chǎn)優(yōu)化決策。

數(shù)字孿生涉及的多物理尺度和多物理量建模、結(jié)構(gòu)化的健康管理、高性能計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)比較成熟[7-8]，但實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生需要集成和融合跨領(lǐng)域、跨專業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)，從而有效評估裝備的健康狀況，并且通過現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向空間數(shù)字化模型反饋，可以真正在全生命周期范圍內(nèi)保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)一致，如圖1 所示。通過基于數(shù)字化模型進(jìn)行的各類仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應(yīng)用，可確保它與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的適用性。在國內(nèi)，數(shù)字孿生的研究直到2019 年才受到重視，主要集中在數(shù)字孿生車間、單元體對接、工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃與仿真、虛擬調(diào)試等方面[9-10]。

圖1 數(shù)字孿生的現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合

針對柔性作業(yè)車間出現(xiàn)的問題，在綜合利用智能控制、智能檢測和數(shù)據(jù)分析等共性技術(shù)構(gòu)建FMS 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建FMS 的數(shù)字孿生虛擬模型，實(shí)現(xiàn)FMS 現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的交融，從而滿足FMS 的生產(chǎn)無人化、過程管理智能化和可視化需求，促進(jìn)制造企業(yè)體質(zhì)增效，加速實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高企業(yè)核心競爭力。

1 FMS 控制管理系統(tǒng)開發(fā)流程

綜合利用信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和控制技術(shù)，開發(fā)一套具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、生產(chǎn)排程、數(shù)字化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）三維虛擬仿真等功能的FMS 數(shù)字化控制系統(tǒng)。

該FMS 數(shù)字化管理和控制系統(tǒng)采用大量數(shù)據(jù)采集裝置和通信線路，實(shí)現(xiàn)FMS 的實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集。系統(tǒng)采用用戶層、應(yīng)用層、信息層與實(shí)時(shí)控制層、設(shè)備層4 層體系結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。用戶層便捷的界面切換和數(shù)據(jù)交互可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。應(yīng)用層提供并行計(jì)算方式，提升運(yùn)算速度。信息層與實(shí)時(shí)控制層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與設(shè)備層之間的通信。設(shè)備層包括加工設(shè)備、物流設(shè)備、機(jī)器人、交換設(shè)備和自動(dòng)倉庫。

圖2 FMS 數(shù)字化控制與管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2 FMS 控制管理技術(shù)

2.1 混連接口匹配與信息交互技術(shù)

混連接口匹配與信息交互技術(shù)主要針對FMS 在搭建完成后存在的數(shù)字信號(hào)有效性混亂、實(shí)時(shí)通信與非實(shí)時(shí)通信接口混用、安全性開關(guān)存在無效情況等潛在危險(xiǎn)進(jìn)行改造，達(dá)到數(shù)字信號(hào)有效統(tǒng)一、實(shí)時(shí)通信與非實(shí)時(shí)通信隔離和安全開關(guān)的效果。

（1）數(shù)字信號(hào)有效性統(tǒng)一。生產(chǎn)線設(shè)備多且每臺(tái)設(shè)備的電氣原理不同，導(dǎo)致信號(hào)有效性不同且電流流向不同，出現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部隔離不徹底和設(shè)備間電壓無隔離的情況，同時(shí)信號(hào)傳輸會(huì)因距離不同出現(xiàn)信號(hào)波動(dòng)。

（2）實(shí)時(shí)通信與非實(shí)時(shí)通信隔離。FMS 數(shù)字信息系統(tǒng)將原來實(shí)時(shí)通信控制的現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等非實(shí)時(shí)傳輸總線進(jìn)行物理隔離，提升實(shí)時(shí)通信的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)防止實(shí)時(shí)總線搶占非實(shí)時(shí)總線的資源，解決非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)延誤問題。

（3）安全性開關(guān)技術(shù)。不同設(shè)備間采用繼電器進(jìn)行隔離，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)、接觸不良，安全性信號(hào)無法在有效時(shí)間內(nèi)送達(dá)，存在設(shè)備、人員事故的潛在危害。FMS 數(shù)字信息系統(tǒng)控制底層設(shè)備需要的急停等安全性信號(hào)。

2.2 數(shù)字式AR 在線監(jiān)測仿真技術(shù)

數(shù)字式AR 虛擬監(jiān)測仿真實(shí)現(xiàn)過程如圖3 所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、AR 虛擬顯示及運(yùn)動(dòng)控制仿真3 大部分。

圖3 數(shù)字式AR 在線監(jiān)測仿真技術(shù)

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)研究各設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)及采集，為虛擬仿真、在線監(jiān)測提供基礎(chǔ)核心數(shù)據(jù)，著重研究各設(shè)備運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提升在線監(jiān)測的時(shí)間精度。

針對AR 虛擬顯示開展3 個(gè)方面的研究。第一，三維建模。在制定零件命名規(guī)則的基礎(chǔ)上，利用SolidWorks、3D Max 生產(chǎn)線進(jìn)行三維建模。第二，三維渲染。使用3D Max、C4D（切忌使用KeyShot）進(jìn)行三維渲染，過程中注意每個(gè)零件的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的放置，并在此基礎(chǔ)上使用Unity 3D 和C#軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制預(yù)編程。第三，運(yùn)動(dòng)預(yù)編程需要將各個(gè)零件從局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系，建立局部坐標(biāo)系與其他零件坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并利用Unity 3D 自帶的以太網(wǎng)通信模塊與MySQL、Oracle 等數(shù)據(jù)庫通信。

運(yùn)動(dòng)控制仿真主要開展防碰撞仿真和加工質(zhì)量預(yù)估的研究。防碰撞仿真利用Unity 3D 進(jìn)行。先根據(jù)模型存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)計(jì)算表面各點(diǎn)坐標(biāo)，掌握加工程序G 代碼的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)則，提前預(yù)估碰撞，再利用實(shí)際參數(shù)進(jìn)行判斷（Unity 3D 網(wǎng)絡(luò)延遲可以做到毫秒級）。加工質(zhì)量預(yù)估是通過加工程序解析刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，由制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）的刀具管理模塊提供刀具相關(guān)參數(shù)，結(jié)合質(zhì)量管理模塊進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、算法預(yù)估以及預(yù)判零件加工質(zhì)量。

2.3 生產(chǎn)排程智能化技術(shù)

生產(chǎn)排程智能化技術(shù)可針對倉庫、物流、零件識(shí)別、中間緩存等存在的系統(tǒng)不健全、部分設(shè)備缺少、人工搬運(yùn)等情況進(jìn)行自動(dòng)排程。

一方面，分層延時(shí)Petri 網(wǎng)模型的建立。傳統(tǒng)Petri 網(wǎng)在建議生產(chǎn)線模型時(shí)會(huì)因?yàn)楣に嚨膹?fù)雜性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)指數(shù)性增長，同時(shí)無法對多工藝的并行加工提供理論指導(dǎo)。分層延時(shí)Petri 網(wǎng)可將節(jié)點(diǎn)指數(shù)型增長變?yōu)榫€性，同時(shí)對多工藝并線加工提供理論支撐。

另一方面，基于遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）的多目標(biāo)優(yōu)化。FMS 在加工不同零件、不同工藝時(shí)，物流、加工系統(tǒng)的載荷不同。自動(dòng)排程的優(yōu)化需要考慮物流時(shí)間、加工時(shí)間、總時(shí)間以及等待時(shí)間，最終目標(biāo)優(yōu)先考慮能力較弱的環(huán)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

首先，通過分析FMS 機(jī)電信息的電氣特性、數(shù)字化三維模型的物理機(jī)械參數(shù)、智能化生產(chǎn)排程的Petri 網(wǎng)理論，從根本上闡述FMS 生產(chǎn)的理論依據(jù)。其次，根據(jù)理論分析結(jié)果，建立FMS 的數(shù)字信息系統(tǒng)的電氣原理圖（電氣隔離模塊的電氣圖，實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)通信隔離模塊圖）、Petri 網(wǎng)模型、基于GA 的多目標(biāo)優(yōu)化模型、數(shù)字化三維仿真的物理模型。最后，在數(shù)字化三維模型上仿真電氣特性、生產(chǎn)調(diào)度，提前知道現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)、模型存在的不足以及理論缺陷。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在剎車盤智能制造柔性智能生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正理論的不足，添加模型缺少的信息。

3.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

生產(chǎn)線智能化控制與管理方面開展部分研發(fā)工作，包括總控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選型以及總控電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等?；跀?shù)字孿生的FMS 控制管理系統(tǒng)解決后續(xù)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線存在數(shù)字信號(hào)有效性混亂、實(shí)時(shí)通信與非實(shí)時(shí)通信接口混用、安全性開關(guān)存在無效情況等潛在安全隱患。

現(xiàn)有剎車盤自動(dòng)化生產(chǎn)線布局如圖4 所示，其只能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)線的大批量、單零件、單工藝加工。小批量定制是今后生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢，因此對該生產(chǎn)線的工藝流程進(jìn)行建模，解決小批量定制問題。采用分層延時(shí)Petri 網(wǎng)的通用模型對生產(chǎn)線進(jìn)行建模，其中分層延時(shí)Petri 網(wǎng)模型如圖5 所示，圖中P為工藝流程，T為每個(gè)過程的變遷過程，P、T之間添加有向流。

圖4 剎車片自動(dòng)化生產(chǎn)線布局圖

圖5 分層延時(shí)Petri 網(wǎng)模型

4 結(jié)語

針對柔性作業(yè)車間出現(xiàn)的問題，列出FMS 控制系統(tǒng)開發(fā)流程，介紹基于數(shù)字孿生的FMS 控制管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，并進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。FMS 數(shù)字信息系統(tǒng)的機(jī)電信息從電氣理論上解決了潛在安全隱患。使用分層隔離的方式實(shí)現(xiàn)各層通信的物理模型的隔離和電氣特性的分離，大大提高了FMS 數(shù)字信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性。普適性的零件命名規(guī)則、渲染配色和模型與數(shù)據(jù)庫之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，提高了數(shù)字式AR在線監(jiān)測仿真模型的效率，實(shí)現(xiàn)了物理模型和虛擬模型的同步控制。FMS 的通用Petri 網(wǎng)理論模型，利用GA 進(jìn)行多目標(biāo)動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)混工藝、混零件以及在線增刪零件的動(dòng)態(tài)智能調(diào)度和FMS 生產(chǎn)排程。