數(shù)字化雙胞胎技術(shù)淺析

崔錦泉 冷洽 王智磊 王廷勇

摘 要 近年來，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)日趨成熟，打破了信息空間和物理空間信息交互融合的界限，為實現(xiàn)智能制造提供了新的方法和途徑。本文對數(shù)字化雙胞胎技術(shù)概念和組成進(jìn)行了概述，針對單機(jī)設(shè)備如何創(chuàng)建基于數(shù)字化雙胞胎的虛擬調(diào)試環(huán)境進(jìn)行了分析和研究，探討了數(shù)字化雙胞胎技術(shù)在縮短研發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面的優(yōu)勢。在制造業(yè)競爭壓力不斷增強(qiáng)的今天，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)必定是企業(yè)數(shù)字化變革中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化雙胞胎;智能化;制造業(yè);虛擬調(diào)試

前言

隨著信息科學(xué)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，智能制造逐漸成為制造業(yè)發(fā)展的新方向。一個國家的制造業(yè)水平和規(guī)模直接決定其科技水平和經(jīng)濟(jì)實力，為了在數(shù)字化浪潮到來之時抓住智能制造的機(jī)遇，許多國家針對國內(nèi)以及國際制造業(yè)形勢，提出了各種促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，包括德國提倡的“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”，旨在推動制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的出現(xiàn)，為制造業(yè)數(shù)字化改革提供了新的方法和方向。2003年美國密歇根大學(xué)Michael Grieves提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的觀點[1-2]，被認(rèn)為是數(shù)字孿生的雛形;2011年美國空軍研究所在飛行器維護(hù)問題及壽命預(yù)測問題的研究計劃中提出了數(shù)字孿生的概念[3]，即數(shù)字化雙胞胎的前身;隨著數(shù)字化進(jìn)程推進(jìn)，西門子正式提出“數(shù)字化雙胞胎”概念，并于2017年漢諾威工業(yè)博覽會上，演示了在基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的虛擬環(huán)境中設(shè)計、優(yōu)化產(chǎn)品，模擬產(chǎn)線制造工藝流程等，有助于生產(chǎn)制造類企業(yè)大幅度提高產(chǎn)品創(chuàng)新速度和生產(chǎn)能力。

1什么是數(shù)字化雙胞胎

數(shù)字化雙胞胎技術(shù)是依靠數(shù)字化技術(shù)，模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，虛擬出與現(xiàn)實世界完全一致的數(shù)字化鏡像。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)能夠幫助客戶完成從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、工程組態(tài)、生產(chǎn)制造直到服務(wù)的全數(shù)字化方案，形成基于數(shù)字化技術(shù)的虛擬工廠[4]。

數(shù)字化雙胞胎技術(shù)主要包含三大部分：“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)工藝流程雙胞胎”、“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”。在生產(chǎn)設(shè)計階段，主要運用如NX UG、Simcenter等計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行完成，構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)字化虛擬模型，并對其進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化。在生產(chǎn)管理階段，將數(shù)字化模型在生產(chǎn)管理平臺上運營調(diào)試，該階段的重點在于生產(chǎn)車間的配備和設(shè)計，具體涉及車間的整體布局和優(yōu)化、產(chǎn)線的配置和優(yōu)化以及人員的分配和優(yōu)化等等。在設(shè)備管理階段，通過設(shè)備模型仿真設(shè)備的運行工作狀態(tài)，模擬機(jī)械部件與電氣部件間的聯(lián)動，將產(chǎn)品的全生命周期實現(xiàn)管理運營，創(chuàng)建全數(shù)字化的生產(chǎn)管理模式。

2創(chuàng)建單機(jī)設(shè)備數(shù)字化雙胞胎

在數(shù)字化雙胞胎對于單機(jī)設(shè)備的虛擬仿真中，根據(jù)真實機(jī)械設(shè)備創(chuàng)建物理模型，根據(jù)真實的電氣設(shè)備創(chuàng)建電氣模型，最終進(jìn)行聯(lián)合仿真，如圖1所示。

第一步，創(chuàng)建設(shè)備物理和運動學(xué)模型，運用NX Mechatronics Concept Designer （NX MCD）軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計和仿真測試。NX MCD仿真技術(shù)基于游戲物理場引擎，可以基于簡化數(shù)學(xué)模型將實際物理行為引入虛擬環(huán)境，定義其位置、方向、目標(biāo)和速度等物理場，并指定時間、位置和操作順序，對機(jī)械環(huán)節(jié)進(jìn)行一系列的模擬仿真，包括運動學(xué)、動力學(xué)、碰撞、物料流等方面。運用MCD軟件實現(xiàn)對物理實體的3D模型設(shè)計，定義模型的物理屬性及運動屬性，由此實現(xiàn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的測試仿真，驗證不同設(shè)計方案的可行性。NX MCD可通過眾多通信接口與控制器和仿真控制器連接。

第二步，創(chuàng)建電氣和動作模型，通過運用SIMIT Simulation Framework （SIMIT）軟件創(chuàng)建電機(jī)、閥門、繼電器等驅(qū)動部件和各類開關(guān)及傳感器的仿真模型，即可仿真除PLC控制模塊外的電氣元件。SIMIT軟件包含仿真模型接口和自動化系統(tǒng)接口，通過SIMIT UNIT可與一個或多個總線系統(tǒng)通信，實現(xiàn)與西門子S系列的PLC相連接，通過眾多的通信接口與PLCSIM Advanced軟件和NX MCD 應(yīng)用程序通信。

第三步，創(chuàng)建自動化控制模型，通過PLCSIM Advanced、WinCC以及TIA Portal等軟件編寫PLC控制程序、設(shè)計觸摸屏HMI畫面以及組態(tài)配置等，驗證控制方案的可行性及控制邏輯的準(zhǔn)確性，由此搭建起完整的虛擬調(diào)試環(huán)境，構(gòu)建起軟件、硬件同時在環(huán)的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的虛擬仿真調(diào)試。在虛擬調(diào)試過程中，構(gòu)建真實樣機(jī)前運用NX MCD進(jìn)行模型設(shè)計，提前驗證了整套系統(tǒng)不同的設(shè)計方案。NX MCD運用PROFINET（或OPC Server）可實現(xiàn)TIA Portal間的雙向數(shù)據(jù)傳遞，通過TIA Portal對設(shè)備模型運動序列編譯控制程序，完成設(shè)備模型虛擬仿真運動，其中，NX MCD的輸出數(shù)據(jù)也可作為PLC控制器的輸入控制參數(shù)。運用TIA Portal內(nèi)含的WinCC模塊，設(shè)計模擬HMI控制屏幕，更加方便快捷的實現(xiàn)對MCD數(shù)字化模型的控制和監(jiān)測。當(dāng)虛擬環(huán)網(wǎng)建成后，通過HMI可對NX MCD發(fā)送控制指令，并實時監(jiān)測虛擬模型的運動數(shù)據(jù)，NX MCD將控制指令轉(zhuǎn)化成具體的仿真運動，完成虛擬模型的仿真動作。在電子元器件裝配的虛擬調(diào)試中，運用NX MCD進(jìn)行模型設(shè)計，提前驗證了設(shè)備的設(shè)計方案，設(shè)計階段時間縮短了10%以上;通過進(jìn)行虛擬碰撞試驗，節(jié)省了大量的資金成本;通過進(jìn)行虛擬調(diào)試試驗，大幅度縮短了整體系統(tǒng)調(diào)試的時間周期，進(jìn)而減少了調(diào)試過程中需要的工作量，確保了設(shè)備的按時保質(zhì)交付。

3數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 縮短設(shè)備調(diào)試周期

對比在工廠現(xiàn)場使用實際的機(jī)器進(jìn)行調(diào)試，虛擬調(diào)試可以在辦公室的數(shù)字開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)，機(jī)器仿真過程中的模擬測試能夠識別和消除設(shè)計中錯誤，通過虛擬調(diào)試相較于實際調(diào)試可將時間縮短50%以上。

3.2 提升工程設(shè)計質(zhì)量