基于數(shù)字孿生的全周期智慧車間系統(tǒng)

肖慶陽(yáng)，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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)的目的是實(shí)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(gè)和真實(shí)物理車間生產(chǎn)要素完全一致的映射空間，借助實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在實(shí)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(yù)測(cè)性維護(hù)等功能，面向產(chǎn)品全生命周期過(guò)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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(wèn)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(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一[5]，洛克希德馬丁、達(dá)索、西門子、PTC等近年來(lái)都穩(wěn)步推進(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多種可視化技術(shù)融合到美國(guó)海軍的電子系統(tǒng)，達(dá)索公司專注于復(fù)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(jì)與生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，讓數(shù)字孿生體更具有真實(shí)感和工作場(chǎng)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(rèn)為數(shù)字孿生車間是未來(lái)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(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、連接五個(gè)維度進(jìn)一步探討在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，學(xué)術(shù)界及工業(yè)界對(duì)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(chǎng)展示的全生命周期智慧車間的實(shí)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(dòng)仿真—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實(shí)控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真方式對(duì)數(shù)字孿生體功能及產(chǎn)線規(guī)劃效果進(jìn)行驗(yàn)證，接著采用OPC UA通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)交互”，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)數(shù)字孿生體對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)“虛實(shí)交互”數(shù)字孿生車間的基礎(chǔ)是虛擬組件設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和虛擬產(chǎn)線規(guī)劃。

1.1 虛擬組件設(shè)計(jì)

虛擬組件設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)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(dòng)程序，虛擬組件的基本組成單元為組件節(jié)點(diǎn)、行為、屬性和特征，虛擬組件的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 虛擬組件設(shè)計(jì)流程圖

每個(gè)虛擬組件都擁有一個(gè)唯一的ID用以對(duì)虛擬組件進(jìn)行區(qū)分，都包含一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)是構(gòu)建特征、屬性、行為和其他子節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)屬性，是組件為完成特定任務(wù)的動(dòng)作。子節(jié)點(diǎn)是與根節(jié)點(diǎn)的屬性、特征和行為不同的其他組成部分，子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序控制。

1.2 數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)

產(chǎn)品數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)包括數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和數(shù)字化工藝裝備設(shè)計(jì)[9]，數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計(jì)主要有數(shù)字化工藝過(guò)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(jì)包括夾具虛擬組件、刀具虛擬組件、模具虛擬組件和工位機(jī)虛擬組件設(shè)計(jì)。

1.3 虛擬產(chǎn)線規(guī)劃

虛擬產(chǎn)線規(guī)劃是指對(duì)物理生產(chǎn)車間進(jìn)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(guò)數(shù)字孿生體內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序、虛擬組件間信號(hào)交互、虛擬控制器或真實(shí)控制器對(duì)虛擬產(chǎn)線進(jìn)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(jì)和數(shù)字化工藝裝備設(shè)計(jì)，以達(dá)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(jì)為“內(nèi)部仿真調(diào)試—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實(shí)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(guò)虛擬組件內(nèi)部的Python驅(qū)動(dòng)腳本驅(qū)動(dòng)虛擬組件運(yùn)動(dòng)，利用虛擬組件間的接口完成虛擬組件間的聯(lián)動(dòng)，驗(yàn)證虛擬產(chǎn)線是否能夠按照設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，對(duì)虛擬組件、產(chǎn)品工藝、產(chǎn)線規(guī)劃進(jìn)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(yàn)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(dòng)程序是否能夠無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間的精確控制。

2.3 與真實(shí)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(guò)OPC UA協(xié)議連接真實(shí)PLC控制器與數(shù)字孿生體再次調(diào)試，并驗(yàn)證梯形圖控制程序與真實(shí)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(jìn)行數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行產(chǎn)線規(guī)劃，緊接著進(jìn)行“內(nèi)部仿真調(diào)試—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實(shí)控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真調(diào)試，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，最終滿足產(chǎn)線規(guī)劃的預(yù)期效果。

圖3 聯(lián)合仿真流程圖

3 虛實(shí)產(chǎn)線信號(hào)交互

虛實(shí)產(chǎn)線信號(hào)交互的目的是將物理產(chǎn)線的生產(chǎn)情況、報(bào)警信息和設(shè)備狀態(tài)等信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到虛擬產(chǎn)線，根據(jù)故障診斷和預(yù)測(cè)算法或生產(chǎn)管理人員的決策，將虛擬產(chǎn)線中對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備狀態(tài)和計(jì)劃產(chǎn)量等的調(diào)整信號(hào)實(shí)時(shí)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(shí)際進(jìn)行產(chǎn)品加工制造的實(shí)體產(chǎn)線，包括機(jī)床、專用設(shè)備、傳送帶、操作人員、零件等生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行虛實(shí)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(guò)程數(shù)據(jù)和異常故障數(shù)據(jù)，車間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是高頻、連續(xù)、異構(gòu)、數(shù)據(jù)量大且實(shí)時(shí)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(guò)PLC控制器統(tǒng)一獲取物理車間各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及位姿數(shù)據(jù)。因?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備來(lái)自于不同廠家，接口協(xié)議也各不相同，對(duì)于PLC控制的設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)接口連接控制器及上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)上安裝的與PLC設(shè)備相兼容的集成軟件平臺(tái)及OPC UA 客戶端完成PLC設(shè)備信號(hào)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(hào)同步于PLC，然后將所有信號(hào)整合到一個(gè)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(hào)。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(fù)雜數(shù)據(jù)內(nèi)置、跨平臺(tái)操作，提供統(tǒng)一的地址空間和服務(wù)，促進(jìn)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(dòng)虛擬產(chǎn)線運(yùn)行，數(shù)據(jù)分為位姿數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。虛實(shí)數(shù)據(jù)映射模塊發(fā)送請(qǐng)求到存儲(chǔ)數(shù)字孿生體客戶端所訂閱數(shù)據(jù)的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)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(duì)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(shí)更新，保證產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中虛實(shí)同步的一致性，狀態(tài)數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)作用：第一個(gè)作用是在產(chǎn)線啟動(dòng)后，虛擬產(chǎn)線根據(jù)采集到的狀態(tài)值進(jìn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)和加工狀態(tài)保持完全一致；第二個(gè)作用是在運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)采集到的物理產(chǎn)線狀態(tài)值對(duì)虛擬產(chǎn)線的物料狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和加工狀態(tài)進(jìn)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(lái)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和物理車間運(yùn)行故障，數(shù)據(jù)可視化模塊發(fā)送請(qǐng)求到數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)照數(shù)據(jù)列表查找所需數(shù)據(jù)，從信號(hào)采集到虛實(shí)產(chǎn)線信號(hào)交互整體流程如圖4所示。

圖4 虛實(shí)同步模塊流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例：減速器殼體生產(chǎn)車間

采用上述方法，以UG8.0對(duì)某型號(hào)汽車減速器殼體生產(chǎn)車間的所有生產(chǎn)要素進(jìn)行參數(shù)化建模，對(duì)模型進(jìn)行輕量化，突出重點(diǎn)，簡(jiǎn)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(shí)時(shí)性，在Visual Components中進(jìn)行虛擬組件設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、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(shí)控制器聯(lián)調(diào)，搭建物理產(chǎn)線，通過(guò)OPC UA協(xié)議進(jìn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)搭建數(shù)字孿生體，將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Visual Components作為虛擬組件的根節(jié)點(diǎn)，根據(jù)對(duì)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(diǎn)，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(diǎn)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(jì)數(shù)據(jù)、傳感器信號(hào)、伺服驅(qū)動(dòng)器和Python驅(qū)動(dòng)腳本等,子節(jié)點(diǎn)Link_1是轉(zhuǎn)向單元中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳送帶。

數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)包括數(shù)字化工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和數(shù)字化工藝裝備設(shè)計(jì)(夾具虛擬組件、刀具虛擬組件、模具虛擬組件和工位機(jī)虛擬組件)，如圖6所示為安裝在機(jī)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(jì)結(jié)果對(duì)減速器殼體生產(chǎn)車間進(jìn)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(guò)程，圖中的每一個(gè)虛擬組件都有一個(gè)或多個(gè)Python腳本驅(qū)動(dòng)完成相應(yīng)的功能，組件間的交互通過(guò)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(jī)械臂間的信號(hào)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(lái)控制數(shù)字孿生體的寄存器信號(hào)，在數(shù)字孿生體中將S7-PLCSIM V14的控制信號(hào)與虛擬組件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(chǎng)真實(shí)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(shí)PLC控制器SIEMENS S7-1500，通過(guò)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(yùn)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(hào)發(fā)布出來(lái)，數(shù)字孿生體內(nèi)的客戶端訂閱信號(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生體生產(chǎn)。

圖9 與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)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(shí)映射的部分映射信號(hào)對(duì)照表，通過(guò)OPC UA協(xié)議將物理產(chǎn)線的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)采集并傳輸?shù)綌?shù)字孿生體，保證實(shí)時(shí)同步運(yùn)行。

圖10 虛實(shí)映射的部分映射信號(hào)對(duì)照表

5 結(jié)束語(yǔ)

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(wú)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(dòng)仿真—虛擬控制器聯(lián)調(diào)—真實(shí)控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真方式，通過(guò)數(shù)字孿生體與物理產(chǎn)線的信息交互，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)線規(guī)劃到生產(chǎn)過(guò)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(yàn)證的效率，實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)情況和故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于智能制造具有重要意義。

DOI：10.1007/s00170-017-0233-1.