基于數字孿生的FMS運維監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究

嚴 惠，鄧小龍，李志遠

（江蘇信息職業(yè)技術學院 集成電路制造裝備工程技術研究開發(fā)中心，無錫 214153）

0 引言

數字孿生(Digital Twin)的理念最早是由Mcihael Grieves博士在密歇根大學和NASA研討會上提出的[1]。Schleich B構建了數字孿生的參考模型，研究了數字孿生模型的全生產周期的應用問題并妥善的解決了該問題[2]。Lehmann C介紹了多模態(tài)數據傳遞解決方案，基于數字孿生建立產品生產工藝全周期流程的系統(tǒng)，進一步縮短數據交互和數字孿生系統(tǒng)之間的同步時延，實現現實物理世界與數字孿生模型之間擁有最大協(xié)同性[3]。Schluse M通過數字孿生模型與現實物理設備的數據傳輸實驗，研究了更為多維化的數字孿生控制算法[6]。數字孿生技術在國內的研究和受關注相對較晚，陶飛對物理車間與虛擬車間的融合進行深入研究，提出了基于數字孿生的車間定義[4,5]。鄭宇等人研究了OPC UA數據交互技術，構建了基于數字孿生的焊接設備模型，實現了設備對象的實時監(jiān)控[6]。何柳江對數控機床虛擬交互系統(tǒng)展開了深入調查并研究了基于孿生模型的遠程控制技術，實現了數控機床與數字孿生模型之間的映射[7]。

目前傳統(tǒng)制造業(yè)已實現向智能制造業(yè)轉變，智能設備的數字化是實現智能制造業(yè)轉型的基礎，而設備數字孿生是實現物理設備與數字化設備互聯互通的最佳途徑[8,9]。數字孿生監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相較，其擁有更好的視覺效果,并且可以達到智能設備與數字孿生之間協(xié)同性與實時性的要求。所以，在柔性制造系統(tǒng)（FMS，Flexible Manufacture System）中引入數字孿生技術，基于數字孿生模型進行設備運維監(jiān)控，可有效的實現預警、調度、回放，優(yōu)化FMS運維管理機制。

1 數字孿生運維監(jiān)控系統(tǒng)關鍵問題分析

數字孿生模型主要是以物理智能設備數字化建模為主，通過真實物體到虛擬物體實時映射和數據交互技術，來模擬在現場環(huán)境中的工作狀態(tài)和運動軌跡，也被稱為基于數字孿生的三維監(jiān)控。在數字孿生運維監(jiān)控系統(tǒng)對實際生產線加工過程的監(jiān)控下，直接通過控制數字孿生體來控制現場制造設備，這是基于數字孿生的運維監(jiān)控系統(tǒng)的核心內容。FMS運維監(jiān)控系統(tǒng)需要良好的人機交互體驗感與視覺效果，在滿足FMS實際運行規(guī)則前提下，等比例建模建立數字孿生模型。數字孿生FMS加工過程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵問題和難點主要是人機體驗感、視覺效果和高保真數字孿生模型。對于人機交互體驗感問題，要提高人機互交體驗感要在數字孿生模型上施以監(jiān)控，通過提高現實物理設備與數字孿生模型之間的實時性和協(xié)同性來提升人機互交體驗感。同時數字孿生模型設有按鈕布局，可以按動數字孿生模型的按鈕來實現控制效果，既提升了人機互交體驗感又提高了視覺效果。通過設置剛體、傳感器和碰撞體來優(yōu)化數字孿生模型，最后將虛擬數字孿生模型的控制與現場柔性生產線的控制命令耦合起來，實現數字孿生模型和現場柔性生產線的互聯互通。

2 FMS各工作站流程簡析與建模

本文所設計的柔性生產線共8個工作站，含傳送帶線單元，完成工件上料、沖壓、清洗烘干、碼垛、視覺檢測、組裝與存儲。各工作站之間既可以獨立運行，又可以聯機運行，運料小車在皮帶線上運行，將待作業(yè)工件運往各個工作站。

建模時先進行臺面的整體建模，通過UG軟件建模模塊中草圖的繪制和拉伸指令完成，在進行裝配的時候需要注意，每個零部件之間都需要使用約束指令進行約束。選定一個坐標系是構建數字孿生模型的基礎也是重中之重，系統(tǒng)中選用柔性生產線的左下角作為坐標系XY軸的原點，Z軸為XY軸的法向量方向，為后期模型的微調和位置距離的調整有前置作用，為數字孿生模型的修改和調試做鋪墊。

各工作站建模如表1所示：

表1 FMS各工作站建模

1）上料站由多個氣缸，載物臺，滑臺，機械手，步進電機等組成，首先確立轉盤步進電機與桌面相對的位置，轉盤的作用是將推料機構推出的工件依次轉動，送至機械手下方等待機械手的抓取；其次再確立機械手與轉盤步進電機的相對位置，機械手主要完成的工作是：將轉盤上的工件運送至小車上，完成建模后建立相對于的約束條件。

2）沖壓站由多個氣缸，沖壓臺，滑臺，機械手，步進電機等組成，首先確立沖壓底座相對于桌面的位置，然后確立沖壓單元的位置，沖壓單元的作用為；將機械手運輸過來的工件的鐵芯和工件外殼進行壓緊動作；最后確定機械手位置。機械手主要工作為將未壓緊的工件從小車上運送至沖壓模塊，然后將沖壓好的工件再送至檢測區(qū)域，檢測該工件是否合格，如果工件為不合格工件，去運送至末端的廢料槽，如果工件為合格工件，則運送至小車。

3）清洗烘干站由多個氣缸，水槍，烘干機，機械手，步進電機等組成，首先確定轉移機械手位置，再確定滑臺位置，然后確定機械手位置，最后確定烘干和清洗模塊位置。轉移機械手的工作為，將工件由小車運送至滑臺，再將清洗后的工件由滑臺運送回小車；滑臺的作用為。將未清洗的工件從轉移機械手下方運送至移動機械手下方等待抓取，然后將清洗的工件再運回轉移氣缸下方；機械手的作用為，將未清洗的工件分別運送至清洗水槍、烘干機下方，最后將清洗完成的工件運送至滑臺。

4）碼垛站由多個氣缸，絲桿，機械手，步進電機，伺服電機等組成，首先確定Z軸底盤的位置，然后確定縱軸位置，最后確定橫軸位置。該工作單元擁有三個方向的移動自由度，由步進電機帶動絲桿推動手爪的前后上下移動，由伺服電機帶動Z軸完成旋轉動作。

5）視覺站由多個氣缸，滑臺，機械手，步進電機，工業(yè)相機等組成，其建模流程與清洗烘干單元一致。

6）組裝站由多個氣缸，載物臺，滑臺，機械手，步進電機等組成，確定前后滑臺的底座位置后，確定物料臺位置，然后再根據前后左右位置確定兩個上料機構位置。

7）存儲站由多個氣缸，載物臺，滑臺，機械手，步進電機，三相異步電動機等組成，首先確定前后滑臺位置，然后確定上下滑臺位置，最后確定倉儲位置。倉儲位置共分為三層，每層提供4個倉儲位置。

分別完成各個單元的三維建模后，將單個工作單元組裝到一起，柔性生產線三維模型三視圖如圖1所示：

圖1 運維監(jiān)控系統(tǒng)建模

3 運維監(jiān)控系統(tǒng)硬件環(huán)境搭建

3.1 網絡架構

Signal R是APS.NET中的即時通訊技術[10]，KEPServerEX是一種通訊信服務器技術[11]，各工作站計算機、控制器、觸摸屏統(tǒng)一連接到交換機，利用融合SignalR技術的服務器與KEPServerEX的數據傳輸與存儲技術，對歷史數據的記錄、存儲和預測分析。每工作單元配置一五口交換機，計算機、控制器與觸摸屏均連接至此交換機上，后將各單元交換機連接至總交換機，總交換機上外掛WIFI無線路由器。

3.2 數據采集與信息交互通信協(xié)議

如圖2所示：柔性生產線運維監(jiān)控系統(tǒng)分為三部分，計算機與控制器之間的通訊、不同工作站控制器之間的通訊、控制器和NX-MCD與SignalR服務器之間的通訊。其中NX-MCD是西門子NX系列產品，可實現機電一體化產品零件和組建運動行為的模擬[12]。

圖2 總體架構框圖

NX-MCD與KEPServerEX安裝于計算機中，配置基于SignalR技術采集控制器信號的服務器。各工作站控制器采用西門S7-1200,觸摸屏采用TPC1570GI。觸摸屏與PLC之間通訊采用TCP/IP協(xié)議，各工作站控制器之間采用Profinet協(xié)議。采用NX-MCD開發(fā)上位機的可視化運維監(jiān)控系統(tǒng)的運行界面，KEPServerEX為NX與控制器信息交互的媒介，KEPServerEX與NX之間采用OPC協(xié)議，KEPServerEX與控制器之間采用TCP/IP協(xié)議，實現兩者之間的數據如輸入、輸出、輔助寄存器等信息實時交互。控制器數據存放于SignalR服務器中，兩者之間采用TCP/IP協(xié)議。SignalR服務器與NX之間通訊采用OPC協(xié)議。SignalR服務器中存取的歷史數據可用于狀態(tài)查詢與故障預測。

4 運維監(jiān)控系統(tǒng)數據采集和存儲

4.1 基于NX-MCD的模型映射與外部信號配置

導入三維模型、創(chuàng)建剛體和碰撞體賦予物理場特性、創(chuàng)建運動副限制執(zhí)行機構運動軌跡、設置碰撞傳感器對運行狀態(tài)進行監(jiān)控、設定速度控制、位置控制對執(zhí)行機構的運動屬性進行限制、創(chuàng)建仿真序列實現執(zhí)行機構的相關動作路徑、通過信號的添加建立NX MCD與PLC控制器的傳感器、執(zhí)行機構的信號交互，最終實現通過MCD模塊中三維模型高保真、高同步性的反饋真實世界的運動軌跡。如圖3為供料站的序列編輯界面。

圖3 序列編輯器

以供料單元轉盤為例，其余工作站與此過程相似。

1）構建物體物理屬性

使用剛體創(chuàng)建命令：分別選擇選擇對象為轉盤步進電機、轉盤、供料定位氣缸、供料定位氣缸缸體、供料機械手前手爪、供料機械手后手爪、供料機械手滑桿、供料升降氣缸、供料升降氣缸缸體、供料上料推桿、供料上料機構、供料小車、供料工件，質量屬性默認即可，分別對應命名。

2）設置物體碰撞屬性

使用碰撞體創(chuàng)建命令：分別選擇對象為轉盤上表面，碰撞形狀方塊，形狀屬性自動，命名為“供料轉盤”，碰撞高亮顯示可以在調試時勾選，完成調試后取消勾選；

選擇對象為供料工件，碰撞形狀圓柱，形狀屬性自動，命名為“供料工件”；

選擇對象為機械前手爪內壁、機械后手爪內壁、供料小車、供料料筒內壁、供料上料推桿，碰撞形狀網格面，精度系數1.00，分別對應命名。

3）固定副的建立

使用固定副創(chuàng)建命令：選擇連接件為空，選擇基本件為供料工件，命名為“供料工件”；選擇連接件為滑桿導軌，選擇基本件為滑桿，命名為“供料機械手滑桿”；選擇連接件為供料裝置側臺面，選擇基本件為供料轉盤步進電機，命名為“供料轉盤步進電機”；選擇連接件為傳送帶，選擇基本件為供料定位氣缸缸體，命名為“供料定位氣缸缸體”；選擇連接件為裝置側臺面，選擇基本件為供料上料機構，命名為“供料上料機構”。

4）滑動副、鉸鏈副的建立

使用滑動副創(chuàng)建指令：選擇連接件為供料滑軌，選擇基本件為供料升降氣缸缸體，指定軸矢量為X軸，命名為“供料升降氣缸缸體”；選擇連接件為供料上料機構，選擇基本件為供料上料推桿，指定軸矢量與供料推桿平行方向，選擇點到點工具，命名為“供料上料推桿”；選擇連接件為供料升降氣缸，選擇基本件為供料機械手前手爪，命名為“供料機械手前手爪”；選擇連接件為供料升降氣缸，選擇基本件為供料機械手后手爪，命名為“供料機械手后手爪”；

使用鉸鏈副創(chuàng)建指令：選擇連接件為供料步進電機，選擇基本件為供料轉盤，指定軸矢量為步進電機中心點Z軸方向，指定錨點為步進電機中心點，命名為供料轉盤。

4.2 運維監(jiān)控系統(tǒng)實時數據傳輸的實現

通過KEPServerEX6軟件與UG軟件MCD機電概念設計模塊進行信號映射，將PLC中的輸入、輸出變量與NX MCD中的輸入、輸出信號建立聯系，完成數據交換通道的建立，即將PLC中的輸出信號作為NX MCD的輸入信號，同理，將NX MCD中的輸出信號作為PLC的輸入信號，從而實現虛實畫面同步，實現基于數字孿生的柔性生產線的運維監(jiān)控系統(tǒng)的數據實時采集。關于PLC與MCD映射連接，需創(chuàng)建新的通道，進行對應的參數設定。設置完成后，連接控制器。

4.3 運維監(jiān)控系統(tǒng)歷史數據的逆時復現

系統(tǒng)運行的數據存放于SignalR服務器中，通過讀取其中數據，可獲得系統(tǒng)歷史狀態(tài)信息。通過AI網絡的處理，在三維模型的基礎上，利用AI網絡形成一個實際的處理系統(tǒng)，對即將發(fā)生的誤差和故障進行預測。根據問題的嚴重程度，發(fā)出正常停車、臨時停車、緊急停車等操作指令。如果系統(tǒng)發(fā)出錯誤的指令，通過大數據學習后，犯同樣類型的錯誤概率會大大減低。通過訪問KEPServerEX連接平臺，SignalR可以連接到任何設備并在不停止操作的情況下實時添加設備。SignalR與KEPServerEX建立連接步驟的函數如下：

1）連接OPCServer：dicServer.Add(_serverId,_opcServer)

2）OPC標簽值：OPCValueModel model=listValues.Find(t=>((OPCItem)t.ItemHandle).ClientHandle==(int)handles.GetValue(i))

3）斷開OPCServer：private void btnStop_Click(object sender,RoutedEventArgs e)

4）實時數據傳輸：privatevoid Group_DataChange(int TransactionID,int NumItems,ref Array ClientHandles,ref Array ItemValues,ref Array Qualities,ref Array TimeStamps)

5 測試結果分析

實時監(jiān)控功能：當設備的軟件調試完成并且能實現設備中的功能和加工之后，打開KEPServerEX6客戶端創(chuàng)建通道和添加設備，添加信號標記后打開OPC Quick Client界面檢查OPC客戶端與PLC之間是否連接成功，連接質量良好后打開UG NX 12.0中的MCD機電概念設計模塊，通過OPC KEPServerEX6客戶端將現實設備通過信號映射的方式賦予數字孿生模型物理規(guī)則。通信成功后打開UG軟件MCD模塊，按下系統(tǒng)復位按鈕，柔性生產線各個工作單元開始復位，數字孿生模型也相繼開始復位，達到了設備數字孿生實時監(jiān)控的效果。各個工作單元運行情況正常，可以實現虛擬與現實世界的高度同步性，系統(tǒng)畫面流暢，實時同步性高。

歷史數據的逆時復現：PC機可以正常連接服務器，并選擇需要復現的時間節(jié)點，完美的復現當時產線的真實運動情況。

狀態(tài)監(jiān)控與故障分析：當系統(tǒng)監(jiān)控到工作單元發(fā)送故障，會自動的進行分析處理，該故障是否會影響后續(xù)的生產流程，如果對后續(xù)生產流程影響不大，則將該部件以黃色標出并記錄，通知管理員現場確認故障，如果對后續(xù)生產流程產生影響，則將該部件以紅色標出并記錄，同時根據故障情況，選擇發(fā)送暫停和停止指令，通知管理員現場確認故障，如圖4所示。

圖4 異常情況報警

OPC KEPServerEX6客戶端的掃描率，最低可以降低至10毫秒的延時，可以將實時率從120%降低為101%從而達到高保真、高協(xié)同性與低延時的效果，實時性和協(xié)同性滿足加工過程監(jiān)控要求，實現了基于數字孿生的FMS運維監(jiān)控。