淺談制造領(lǐng)域數(shù)字化雙胞胎應(yīng)用的四個(gè)層次

中國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的一項(xiàng)總體結(jié)構(gòu)是，通過(guò)信息化和工業(yè)化兩化深度融合來(lái)引領(lǐng)和帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展。提到兩化融合，在工廠層面尤其是汽車行業(yè)，自動(dòng)化已經(jīng)非常的成熟和完善，但是信息化和數(shù)字化相對(duì)比較弱。

數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）一詞，業(yè)界一般認(rèn)為，是由密西根大學(xué)Michael Grieves教授于2002年針對(duì)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）提出的一個(gè)概念，當(dāng)初并不叫Digital Twin，而是叫“鏡像空間模型”（Mirrored Space Model， MSM），后來(lái)NASA的John Vickers將其命名為“Digital Twin”。

廣義上講，數(shù)字化雙胞胎，包含產(chǎn)品的數(shù)字化雙胞胎、性能的數(shù)字化雙胞胎、工廠的數(shù)字化雙胞胎及運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化雙胞胎等多種數(shù)字化雙胞胎，立體而又豐富的定義著各種模型。這里把范圍縮小到制造領(lǐng)域，討論一下數(shù)字化雙胞胎在制造領(lǐng)域的應(yīng)用。本文主要討論使用西門子Tecnomatix軟件，利用制造的數(shù)字化雙胞胎仿真模型，進(jìn)行虛擬調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、反復(fù)迭代和預(yù)測(cè)維護(hù)四個(gè)層面的應(yīng)用。

虛實(shí)結(jié)合——虛擬調(diào)試

制造領(lǐng)域數(shù)字化雙胞胎應(yīng)用的第一個(gè)層次是虛擬調(diào)試。虛擬調(diào)試，按照調(diào)試的對(duì)象不同，通常可以從宏觀工廠層面到微觀設(shè)備控制層面，分為四個(gè)層級(jí)：工廠級(jí)虛擬調(diào)試、生產(chǎn)線級(jí)虛擬調(diào)試、設(shè)備級(jí)虛擬調(diào)試和元器件級(jí)虛擬調(diào)試。以汽車行業(yè)焊裝生產(chǎn)線項(xiàng)目為例，介紹制造領(lǐng)域數(shù)字化雙胞胎應(yīng)用的第一個(gè)層次虛實(shí)結(jié)合的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的制造企業(yè)，其生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃，是串行組織的。以汽車生產(chǎn)白車身項(xiàng)目啟動(dòng)為例，產(chǎn)線供應(yīng)商接到項(xiàng)目后，需要依次進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、機(jī)器人仿真、控制程序開發(fā)以及集成調(diào)試等幾個(gè)環(huán)節(jié)，來(lái)驗(yàn)證生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的可行性。

其中，工裝設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要由機(jī)械工程師執(zhí)行設(shè)計(jì)；機(jī)器人仿真屬于機(jī)器人應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域，主要由機(jī)器人仿真工程師完成機(jī)器人路徑規(guī)劃，機(jī)器人離線編程等相關(guān)工作；控制程序開發(fā)屬于工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，主要由控制工程師完成可編程控制器（后面簡(jiǎn)稱PLC）的編程，以及整個(gè)工作單元的邏輯控制工作。設(shè)備、機(jī)器人、控制往往獨(dú)立開展，項(xiàng)目集成調(diào)試的時(shí)候，同時(shí)對(duì)設(shè)備、機(jī)器人、控制等組成的生產(chǎn)線進(jìn)行驗(yàn)證。

串行工作，最大的問(wèn)題是消耗時(shí)間，質(zhì)量可靠性差。往往在集成階段還有數(shù)據(jù)需要更改，反饋鏈長(zhǎng)，更改成本高。

虛擬調(diào)試，在計(jì)算機(jī)環(huán)境中搭建和生產(chǎn)線相一致的生產(chǎn)線數(shù)字化模型，通過(guò)PLC程序控制數(shù)字化模型的動(dòng)作，來(lái)真實(shí)模擬實(shí)際生產(chǎn)線的運(yùn)行。進(jìn)行虛擬調(diào)試的前提條件是完成整條生產(chǎn)線內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器人仿真、控制程序編制。這就要求不同的工程師之間盡可能地并行工作，以縮短項(xiàng)目周期。虛擬調(diào)試可以分為全軟件調(diào)試，又稱軟件在環(huán)（見(jiàn)圖1）；或者使用部分硬件配合仿真軟件進(jìn)行生產(chǎn)線調(diào)試，又稱硬件在環(huán)（見(jiàn)圖2）。

圖1 虛擬調(diào)試軟件在環(huán)

圖2 虛擬調(diào)試硬件在環(huán)

例如汽車行業(yè)知名生產(chǎn)線制造商柯馬制作的某車身生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試項(xiàng)目，如圖3所示，左側(cè)為實(shí)際生產(chǎn)線，右側(cè)為仿真環(huán)境下數(shù)字化模型。在該虛擬調(diào)試項(xiàng)目中，使用PLC程序驅(qū)動(dòng)模型在西門子ProcessSimulate仿真軟件中運(yùn)行整個(gè)生產(chǎn)線，驗(yàn)證PLC邏輯，執(zhí)行機(jī)器人動(dòng)作、互鎖，檢查機(jī)器人軌跡，驗(yàn)證工位時(shí)間，在設(shè)備/機(jī)器人/PLC交互信號(hào)，按照生產(chǎn)線真實(shí)的生產(chǎn)模式對(duì)產(chǎn)線各個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。虛擬調(diào)試技術(shù)，集機(jī)械、機(jī)器人和控制于一體，大大提高了以往控制邏輯可視性差的問(wèn)題，作為從設(shè)計(jì)到實(shí)際設(shè)備安裝調(diào)試的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證整體工藝的可行性，為項(xiàng)目安裝調(diào)試奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如果能夠把虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，完全整改解決掉，那么在物理設(shè)備安裝后，可以直接下載程序到PLC，導(dǎo)入機(jī)器人離線程序到機(jī)器人，快速啟動(dòng)生產(chǎn)線，解約大量的生產(chǎn)線集成、啟動(dòng)的時(shí)間。

圖3 虛擬調(diào)試與實(shí)際生產(chǎn)對(duì)比示意

錦上添花——現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

如果說(shuō)虛擬調(diào)試是制造領(lǐng)域數(shù)字化雙胞胎的基礎(chǔ)，緊密地把辦公室的設(shè)計(jì)仿真與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合起來(lái)，那么，做完虛擬調(diào)試的生產(chǎn)線，把虛擬調(diào)試中制作的仿真模型作為過(guò)程數(shù)據(jù)束之高閣，實(shí)在是可惜。因此，引入制造領(lǐng)域數(shù)字化雙胞胎的第二個(gè)層次“現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控”。

生產(chǎn)線的生產(chǎn)監(jiān)控可以有許多種類，使用高分辨率照相機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行錄像，就是最簡(jiǎn)單的一種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控辦法，它使用生產(chǎn)線的數(shù)字化雙胞胎仿真模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

虛擬調(diào)試技術(shù)，使得我們可以使用PLC硬件控制仿真模型。

在正式生產(chǎn)中，把仿真模型作為真實(shí)生產(chǎn)線的數(shù)字化雙胞胎，監(jiān)聽(tīng)PLC控制信號(hào)，作為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的附加回路（見(jiàn)圖4）。結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)的記錄功能，可以把現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)通過(guò)仿真模型記錄下來(lái)。不僅可以記錄設(shè)備故障，停機(jī)停線，而且還可以存儲(chǔ)故障信號(hào)，故障代碼等額外的信息。

圖4 使用數(shù)字化雙胞胎仿真模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

有了這些數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，監(jiān)控回放，可以深入地研究故障發(fā)生的原因，在數(shù)字環(huán)境中驗(yàn)證故障解決的辦法。通過(guò)仿真模型記錄的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，還可以開展新的操作工、維修工的培訓(xùn)等工作。例如，結(jié)合虛擬調(diào)試技術(shù)，針對(duì)監(jiān)控到的生產(chǎn)線故障實(shí)例，培訓(xùn)維修工在虛擬環(huán)境中使用WinCC中的虛擬人機(jī)交互界面（HMI）解除故障。

避實(shí)就虛——反復(fù)迭代

生產(chǎn)線是一筆費(fèi)用巨大的固定投資，能夠盡可能地重用生產(chǎn)線設(shè)備，可以幫助客戶解約大量的資金。因此，焊裝車間非常重視生產(chǎn)線的柔性，希望每條生產(chǎn)線能夠盡可能多地生產(chǎn)不同型號(hào)的產(chǎn)品。在前一個(gè)產(chǎn)品還在正常生產(chǎn)的時(shí)候，同一條生產(chǎn)線引入一個(gè)新的產(chǎn)品是風(fēng)險(xiǎn)很高的改造項(xiàng)目。與新項(xiàng)目比，改造項(xiàng)目需要兼顧之前產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，還需要對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)啟動(dòng)。以往，改造項(xiàng)目耗時(shí)長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高，往往需要一段時(shí)間的停產(chǎn)來(lái)進(jìn)行新老項(xiàng)目的啟動(dòng)。也正是因?yàn)楦脑祉?xiàng)目的復(fù)雜性，主機(jī)廠往往希望擁有前一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的供應(yīng)商繼續(xù)進(jìn)行改造項(xiàng)目，這也是改造項(xiàng)目的費(fèi)用較高的原因。

如果主機(jī)廠擁有之前產(chǎn)品生產(chǎn)線的全部制造數(shù)字化雙胞胎模型，擁有所有的三維工裝設(shè)備模型和生產(chǎn)線仿真模型，能夠在虛擬的環(huán)境中對(duì)新產(chǎn)品，老產(chǎn)品的工藝進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示，那么改造項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)大大降低，改造項(xiàng)目的費(fèi)用也會(huì)減少，項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)間會(huì)大大縮短。首先，在虛擬的環(huán)境中，加載已有生產(chǎn)線的信息，導(dǎo)入更改的工裝設(shè)備模型，上傳已有產(chǎn)品機(jī)器人的程序，創(chuàng)建新產(chǎn)品工藝對(duì)應(yīng)的機(jī)器人路徑機(jī)器程序，進(jìn)行新一輪的虛擬調(diào)試，驗(yàn)證更新過(guò)的PLC程序，在仿真模型中，完成生產(chǎn)線引入新產(chǎn)品的所有迭代工作。然后在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，完成安裝新設(shè)備后，快速下載新的機(jī)器人離線程序到機(jī)器人本體，下載控制程序到現(xiàn)場(chǎng)PLC，最后進(jìn)行生產(chǎn)啟動(dòng)。

圖5 使用數(shù)字化雙胞胎仿真模型進(jìn)行產(chǎn)品的同步工程

生產(chǎn)線的反復(fù)迭代，除了用于引入新產(chǎn)品，驗(yàn)證新產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)線的沖擊，還可以用于在產(chǎn)品開發(fā)前期，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可制造性能分析。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可制造性能分析，屬于產(chǎn)品同步工程的一部分，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或者產(chǎn)品更改早期，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師開發(fā)新產(chǎn)品的同時(shí)，制造工程師分析新產(chǎn)品的可制造性和易制造性，能夠有效減少后期的制造投資，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。制造工程師分析新產(chǎn)品的可制造性和易制造性的一個(gè)重要依據(jù)，就是虛擬生產(chǎn)線，即生產(chǎn)線的數(shù)字化雙胞胎——各種仿真模型。在虛擬的生產(chǎn)線數(shù)字化雙胞胎模型中，驗(yàn)證產(chǎn)品的可制造性易制造性，是成本最低，效率最高，結(jié)果最準(zhǔn)確的解決方案。

未雨綢繆——預(yù)測(cè)維護(hù)

著名的質(zhì)量學(xué)家愛(ài)德華茲·戴明博士說(shuō)過(guò)“檢查太遲了”——品質(zhì)，無(wú)論是好是壞，已經(jīng)在產(chǎn)品中體現(xiàn)出來(lái)了。同理可以認(rèn)為，故障發(fā)生后再去調(diào)試設(shè)備太遲了，故障已經(jīng)發(fā)生了，最好是對(duì)設(shè)備能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控分析，對(duì)將要發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)。

技術(shù)上，通過(guò)OPC等數(shù)據(jù)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。采集來(lái)的數(shù)據(jù)，結(jié)合故障發(fā)生的情況，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，找到數(shù)據(jù)與故障的關(guān)系，就可以進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)了。其中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量非常大，通常會(huì)通過(guò)邊緣計(jì)算的辦法，對(duì)采集來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，快速反饋設(shè)備后，然后再把數(shù)據(jù)打包傳到云上，進(jìn)行進(jìn)一步的分析和數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)設(shè)備可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而在設(shè)備故障發(fā)生前進(jìn)行維護(hù)，減少生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的停機(jī)（見(jiàn)圖6）。例如，升降滾床，零件落位沖擊產(chǎn)生的沖擊力會(huì)造成設(shè)備的損壞，那么可以通過(guò)布置在滾床上的震動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)控滾床的運(yùn)行狀態(tài)。

采集的數(shù)據(jù)，尤其是生產(chǎn)線各種設(shè)備的信號(hào)，看起來(lái)非常不直觀，如果把數(shù)據(jù)和數(shù)字化雙胞胎仿真模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，通過(guò)數(shù)字化雙胞胎的仿真模型來(lái)展示可能發(fā)生故障的設(shè)備、位置，將會(huì)大幅提高設(shè)備預(yù)測(cè)維護(hù)的可視性。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化雙胞胎在制造領(lǐng)域可以發(fā)揮巨大的作用，生產(chǎn)線層面，生產(chǎn)線的數(shù)字化雙胞胎，在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試以及使用的各個(gè)不同階段，可以發(fā)揮不同的作用。高效的利用數(shù)字化雙胞胎，挖掘仿真數(shù)據(jù)的潛能，能夠給生產(chǎn)帶來(lái)很多的好處，在制造的不同階段發(fā)揮不同的作用，為日常生產(chǎn)、產(chǎn)品迭代保駕護(hù)航。