基于數(shù)字孿生的FMS運維監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

嚴 惠，鄧小龍，李志遠

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 集成電路制造裝備工程技術(shù)研究開發(fā)中心，無錫 214153）

0 引言

數(shù)字孿生(Digital Twin)的理念最早是由Mcihael Grieves博士在密歇根大學(xué)和NASA研討會上提出的[1]。Schleich B構(gòu)建了數(shù)字孿生的參考模型，研究了數(shù)字孿生模型的全生產(chǎn)周期的應(yīng)用問題并妥善的解決了該問題[2]。Lehmann C介紹了多模態(tài)數(shù)據(jù)傳遞解決方案，基于數(shù)字孿生建立產(chǎn)品生產(chǎn)工藝全周期流程的系統(tǒng)，進一步縮短數(shù)據(jù)交互和數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的同步時延，實現(xiàn)現(xiàn)實物理世界與數(shù)字孿生模型之間擁有最大協(xié)同性[3]。Schluse M通過數(shù)字孿生模型與現(xiàn)實物理設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸實驗，研究了更為多維化的數(shù)字孿生控制算法[6]。數(shù)字孿生技術(shù)在國內(nèi)的研究和受關(guān)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(shù)字孿生的車間定義[4,5]。鄭宇等人研究了OPC UA數(shù)據(jù)交互技術(shù)，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的焊接設(shè)備模型，實現(xiàn)了設(shè)備對象的實時監(jiān)控[6]。何柳江對數(shù)控機床虛擬交互系統(tǒng)展開了深入調(diào)查并研究了基于孿生模型的遠程控制技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)控機床與數(shù)字孿生模型之間的映射[7]。

目前傳統(tǒng)制造業(yè)已實現(xiàn)向智能制造業(yè)轉(zhuǎn)變，智能設(shè)備的數(shù)字化是實現(xiàn)智能制造業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，而設(shè)備數(shù)字孿生是實現(xiàn)物理設(shè)備與數(shù)字化設(shè)備互聯(lián)互通的最佳途徑[8,9]。數(shù)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(shè)備與數(shù)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，F(xiàn)lexible Manufacture System）中引入數(shù)字孿生技術(shù)，基于數(shù)字孿生模型進行設(shè)備運維監(jiān)控，可有效的實現(xiàn)預(yù)警、調(diào)度、回放，優(yōu)化FMS運維管理機制。

1 數(shù)字孿生運維監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析

數(shù)字孿生模型主要是以物理智能設(shè)備數(shù)字化建模為主，通過真實物體到虛擬物體實時映射和數(shù)據(jù)交互技術(shù)，來模擬在現(xiàn)場環(huán)境中的工作狀態(tài)和運動軌跡，也被稱為基于數(shù)字孿生的三維監(jiān)控。在數(shù)字孿生運維監(jiān)控系統(tǒng)對實際生產(chǎn)線加工過程的監(jiān)控下，直接通過控制數(shù)字孿生體來控制現(xiàn)場制造設(shè)備，這是基于數(shù)字孿生的運維監(jiān)控系統(tǒng)的核心內(nèi)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(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生FMS加工過程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵問題和難點主要是人機體驗感、視覺效果和高保真數(shù)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(shù)字孿生模型上施以監(jiān)控，通過提高現(xiàn)實物理設(shè)備與數(shù)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(shù)字孿生模型設(shè)有按鈕布局，可以按動數(shù)字孿生模型的按鈕來實現(xiàn)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(shè)置剛體、傳感器和碰撞體來優(yōu)化數(shù)字孿生模型，最后將虛擬數(shù)字孿生模型的控制與現(xiàn)場柔性生產(chǎn)線的控制命令耦合起來，實現(xiàn)數(shù)字孿生模型和現(xiàn)場柔性生產(chǎn)線的互聯(lián)互通。

2 FMS各工作站流程簡析與建模

本文所設(shè)計的柔性生產(chǎn)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(lián)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(gòu)建數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)也是重中之重，系統(tǒng)中選用柔性生產(chǎn)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(diào)和位置距離的調(diào)整有前置作用，為數(shù)字孿生模型的修改和調(diào)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(zhuǎn)盤步進電機與桌面相對的位置，轉(zhuǎn)盤的作用是將推料機構(gòu)推出的工件依次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤步進電機的相對位置，機械手主要完成的工作是：將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)前后左右位置確定兩個上料機構(gòu)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Signal R是APS.NET中的即時通訊技術(shù)[10]，KEPServerEX是一種通訊信服務(wù)器技術(shù)[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(shù)的服務(wù)器與KEPServerEX的數(shù)據(jù)傳輸與存儲技術(shù)，對歷史數(shù)據(jù)的記錄、存儲和預(yù)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(shù)據(jù)采集與信息交互通信協(xié)議

如圖2所示：柔性生產(chǎn)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(wù)器之間的通訊。其中NX-MCD是西門子NX系列產(chǎn)品，可實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品零件和組建運動行為的模擬[12]。

圖2 總體架構(gòu)框圖

NX-MCD與KEPServerEX安裝于計算機中，配置基于SignalR技術(shù)采集控制器信號的服務(wù)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(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)如輸入、輸出、輔助寄存器等信息實時交互。控制器數(shù)據(jù)存放于SignalR服務(wù)器中，兩者之間采用TCP/IP協(xié)議。SignalR服務(wù)器與NX之間通訊采用OPC協(xié)議。SignalR服務(wù)器中存取的歷史數(shù)據(jù)可用于狀態(tài)查詢與故障預(yù)測。

4 運維監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和存儲

4.1 基于NX-MCD的模型映射與外部信號配置

導(dǎo)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(gòu)運動軌跡、設(shè)置碰撞傳感器對運行狀態(tài)進行監(jiān)控、設(shè)定速度控制、位置控制對執(zhí)行機構(gòu)的運動屬性進行限制、創(chuàng)建仿真序列實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相關(guān)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(gòu)的信號交互，最終實現(xiàn)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(zhuǎn)盤為例，其余工作站與此過程相似。

1）構(gòu)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(zhuǎn)盤步進電機、轉(zhuǎn)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(gòu)、供料小車、供料工件，質(zhì)量屬性默認即可，分別對應(yīng)命名。

2）設(shè)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(zhuǎn)盤上表面，碰撞形狀方塊，形狀屬性自動，命名為“供料轉(zhuǎn)盤”，碰撞高亮顯示可以在調(diào)試時勾選，完成調(diào)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(nèi)壁、機械后手爪內(nèi)壁、供料小車、供料料筒內(nèi)壁、供料上料推桿，碰撞形狀網(wǎng)格面，精度系數(shù)1.00，分別對應(yīng)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(dǎo)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(cè)臺面，選擇基本件為供料轉(zhuǎn)盤步進電機，命名為“供料轉(zhuǎn)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(cè)臺面，選擇基本件為供料上料機構(gòu)，命名為“供料上料機構(gòu)”。

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(gòu)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)盤。

4.2 運維監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

通過KEPServerEX6軟件與UG軟件MCD機電概念設(shè)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(lián)系，完成數(shù)據(jù)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(xiàn)虛實畫面同步，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的柔性生產(chǎn)線的運維監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時采集。關(guān)于PLC與MCD映射連接，需創(chuàng)建新的通道，進行對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定。設(shè)置完成后，連接控制器。

4.3 運維監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的逆時復(fù)現(xiàn)

系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)存放于SignalR服務(wù)器中，通過讀取其中數(shù)據(jù)，可獲得系統(tǒng)歷史狀態(tài)信息。通過AI網(wǎng)絡(luò)的處理，在三維模型的基礎(chǔ)上，利用AI網(wǎng)絡(luò)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(yù)測。根據(jù)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(shù)據(jù)學(xué)習(xí)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(shè)備并在不停止操作的情況下實時添加設(shè)備。SignalR與KEPServerEX建立連接步驟的函數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)果分析

實時監(jiān)控功能：當設(shè)備的軟件調(diào)試完成并且能實現(xiàn)設(shè)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(shè)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(zhì)量良好后打開UG NX 12.0中的MCD機電概念設(shè)計模塊，通過OPC KEPServerEX6客戶端將現(xiàn)實設(shè)備通過信號映射的方式賦予數(shù)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(fù)位按鈕，柔性生產(chǎn)線各個工作單元開始復(fù)位，數(shù)字孿生模型也相繼開始復(fù)位，達到了設(shè)備數(shù)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(xiàn)虛擬與現(xiàn)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(shù)據(jù)的逆時復(fù)現(xiàn)：PC機可以正常連接服務(wù)器，并選擇需要復(fù)現(xiàn)的時間節(jié)點，完美的復(fù)現(xiàn)當時產(chǎn)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(chǎn)流程，如果對后續(xù)生產(chǎn)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(xiàn)場確認故障，如果對后續(xù)生產(chǎn)流程產(chǎn)生影響，則將該部件以紅色標出并記錄，同時根據(jù)故障情況，選擇發(fā)送暫停和停止指令，通知管理員現(xiàn)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(xiàn)了基于數(shù)字孿生的FMS運維監(jiān)控。