自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)字孿生可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

姜闊勝，范再川，侯佳淑

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.陜汽淮南專(zhuān)用汽車(chē)有限公司博士后工作站，安徽 淮南 232001）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，以“智能制造”為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來(lái)。為此，各個(gè)國(guó)家相繼提出工業(yè)4.0[1]、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[2]等制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略[3]。這些戰(zhàn)略核心目標(biāo)之一就是構(gòu)建物理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息化的虛擬世界的交互與融合，從而實(shí)現(xiàn)智能制造[4]。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)為此提供了新的方案。數(shù)字孿生是數(shù)字化描述物理實(shí)體，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線等物理實(shí)體進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5-7]的基礎(chǔ)。近年來(lái)也涌現(xiàn)了一大批相關(guān)的研究，陶飛等[8]針對(duì)如何完成物理世界和信息世界之間的交互與共融這一難題，提出了數(shù)字孿生車(chē)間的概念，論述了數(shù)字孿生車(chē)間的系統(tǒng)構(gòu)成、基本特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)等。趙浩然等[9]設(shè)計(jì)了一種多層次的三維可視化監(jiān)控模式和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬車(chē)間運(yùn)行模式，分析了數(shù)字孿生車(chē)間與三維可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控之間的關(guān)系，解決了數(shù)字孿生車(chē)間的實(shí)時(shí)三維可視化監(jiān)控難題。劉志峰等[10]針對(duì)零件制造車(chē)間中工作要素路徑的未知性、時(shí)間的不確定性，以及生產(chǎn)要素信息的孤立性，基于數(shù)字孿生技術(shù)提出一種解決零件智能制造車(chē)間調(diào)度問(wèn)題的新方法——調(diào)度云平臺(tái)，構(gòu)建了調(diào)度云平臺(tái)的框架模型以及調(diào)度工作流程。

綜上所述，目前圍繞車(chē)間可視化監(jiān)控取得的研究成果大多應(yīng)用于飛機(jī)裝配、船舶建造等大型企業(yè)，較少考慮數(shù)字孿生技術(shù)的通用化。針對(duì)傳統(tǒng)中小型自動(dòng)化生產(chǎn)線，本文提出了數(shù)字孿生可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)更新數(shù)字孿生模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化”、“可視化”的生產(chǎn)，該系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)具有投入周期短、實(shí)施成本低、門(mén)檻低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體技術(shù)框架

基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)框架分為五層，即物理層、數(shù)據(jù)采集層、孿生模型層、功能層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體技術(shù)框架

物理層是客觀存在的實(shí)體集合，主要由PLC、轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)、無(wú)桿氣缸等自動(dòng)化設(shè)備組成，是完成生產(chǎn)活動(dòng)、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的物理實(shí)體。數(shù)據(jù)采集層是實(shí)時(shí)采集自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中無(wú)桿氣缸的實(shí)時(shí)位置以及實(shí)時(shí)速度，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生模型由數(shù)字模型及孿生數(shù)據(jù)組成，其中數(shù)字模型是物理實(shí)體特征的真實(shí)寫(xiě)照，由孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新驅(qū)動(dòng)。數(shù)字孿生模型是對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化重建，旨在使虛擬的數(shù)字化空間實(shí)時(shí)呈現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程。功能層主要是從可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求出發(fā)，以數(shù)字孿生模型為基礎(chǔ)，提供轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程監(jiān)控模塊、轉(zhuǎn)運(yùn)統(tǒng)計(jì)模塊等功能模塊，利用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)，還可以提供歷史數(shù)據(jù)報(bào)表模塊。應(yīng)用層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的最終表現(xiàn)形式，生產(chǎn)管理人員可以通過(guò)監(jiān)控面板或者PC客戶(hù)端實(shí)時(shí)了解自動(dòng)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況。

2 可視化監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)字孿生模型搭建

搭建自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，旨在構(gòu)建與物理生產(chǎn)線外觀高度相似、設(shè)備運(yùn)動(dòng)完全一致的虛擬三維模型，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)交互提供平臺(tái)。本文使用Solidworks、3D MAX和Unity 3D[11]共同建模的方式，降低數(shù)字孿生模型制作的復(fù)雜性，同時(shí)也提高仿真效果的真實(shí)性。數(shù)字孿生模型的搭建融合了三維設(shè)計(jì)模型和虛擬樣機(jī)仿真模型，如圖2所示。

圖2 可視化模型搭建流程

三維設(shè)計(jì)模型包括裝配體的結(jié)構(gòu)以及幾何描述等信息，這些數(shù)據(jù)信息采集完成后，利用Solidworks軟件建立設(shè)備的三維模型，并進(jìn)行機(jī)械裝配。為避免Solidworks模型過(guò)于精細(xì)，運(yùn)行時(shí)造成電腦負(fù)荷過(guò)大，將建立好的模型以Step格式導(dǎo)入3D MAX軟件進(jìn)行輕量化處理。虛擬樣機(jī)仿真模型即將制作好的三維設(shè)計(jì)模型以FBX的格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件中添加光感設(shè)計(jì)等進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建，并借助軟件自帶的腳本編程和物理引擎對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和交互設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取

自動(dòng)化生產(chǎn)線中存在各種來(lái)自不同生產(chǎn)廠家的電子設(shè)備，它們的接口協(xié)議也不盡相同，為解決自動(dòng)化生產(chǎn)線中設(shè)備異構(gòu)的兼容性問(wèn)題，需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議。而OPC UA協(xié)議獨(dú)立于平臺(tái)、配置維護(hù)方便、通信范圍廣以及通信可靠，被廣泛應(yīng)用于企業(yè)的控制系統(tǒng)，因此建立了如圖3所示的基于OPC UA的可視化監(jiān)控系統(tǒng)

圖3 可視化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在可視化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，OPC UA服務(wù)器與可編程控制設(shè)備之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)[12]連接，獲取I/O端口數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線底層設(shè)備數(shù)據(jù)采集。將自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為支持OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)，為OPC UA客戶(hù)端即孿生模型提供數(shù)據(jù)支撐。孿生模型從服務(wù)端獲取相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，可驅(qū)動(dòng)各類(lèi)要素模型，更新實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等。

為了高效快捷地獲取自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，需要構(gòu)建實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)采集模型。以如圖4所示的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模型為例，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)由可PLC和兩個(gè)無(wú)桿氣缸組成，構(gòu)建數(shù)字孿生模型，需要采集PLC的電源狀態(tài)、I/O端口信號(hào)、工作溫度，無(wú)桿氣缸的運(yùn)動(dòng)速度、位置、氣壓以及轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)等數(shù)據(jù)。OPC UA服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并對(duì)數(shù)字孿生模型提供服務(wù)接口，對(duì)場(chǎng)景中所有實(shí)體的模擬變量以同一層次關(guān)系進(jìn)行組織，獲取物理實(shí)體的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)發(fā)送的一部分信號(hào)為短脈沖形式，很容易無(wú)法被采集。因此，為了提高孿生模型對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度，從客戶(hù)端到服務(wù)器端應(yīng)采用“變量變化時(shí)更新”的更新模式，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

圖4 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模型

2.3 自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)時(shí)映射

自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)時(shí)映射邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示，自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)映射主要分為五個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)，即產(chǎn)品質(zhì)量信息、設(shè)備狀態(tài)信息、人員位置信息、系統(tǒng)生產(chǎn)信息以及環(huán)境信息。通過(guò)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集后傳輸給數(shù)字孿生模型，服務(wù)器以多線程并行的處理方式實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字空間中的映射，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)。

圖5 自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)時(shí)映射邏輯結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)例

以某汽車(chē)裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線為對(duì)象，其部分生產(chǎn)流程如圖6所示。該部分生產(chǎn)線的工作流程為：①將汽車(chē)車(chē)架吊裝至裝配線小車(chē)上，隨著裝配線小車(chē)的前進(jìn)安裝各種零件，安裝完成后吊裝至另一條裝配線進(jìn)行安裝；②裝配線小車(chē)由左側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)從軌道1轉(zhuǎn)運(yùn)至軌道2；③右側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將軌道2的裝配線小車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至軌道1，進(jìn)行汽車(chē)車(chē)架的零件安裝。根據(jù)上述生產(chǎn)線工作流程以及本文的方法設(shè)計(jì)了可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便汽車(chē)裝配線管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的異常動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

圖6 工作流程圖

3.1 數(shù)字孿生模型搭建

根據(jù)裝配線小車(chē)、機(jī)械式無(wú)桿氣缸、直線軌道、轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)、汽車(chē)車(chē)架等實(shí)體設(shè)備搭建對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，如圖7所示，利用Solidworks、3D MAX以及Unity 3D聯(lián)合建模，保證數(shù)字孿生模型和物理實(shí)體在結(jié)構(gòu)形狀、尺寸信息和動(dòng)作狀態(tài)等方面的一致性。

圖7 某汽車(chē)裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊構(gòu)建

采用KEPServerEX6構(gòu)建自動(dòng)化生產(chǎn)線的OPC UA服務(wù)器，如圖8所示為KEPServerEX6的數(shù)據(jù)變量界面。在該OPC UA服務(wù)器中構(gòu)建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，利用地址空間找到物理實(shí)體的數(shù)據(jù)源，對(duì)機(jī)械式無(wú)桿氣缸的動(dòng)作信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)模型通過(guò)OPC通信接口與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，實(shí)現(xiàn)各個(gè)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，為縮短通信延時(shí)時(shí)間，數(shù)據(jù)掃描周期設(shè)定為50 ms。

圖8 KEPServerEX6的數(shù)據(jù)變量界面

3.3 實(shí)時(shí)映射構(gòu)建

通過(guò)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型進(jìn)行高度擬真化的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)線一致，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行可視化展示。某時(shí)刻自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及大屏可視化如圖9所示，上部分是自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，下部分是展示生產(chǎn)相關(guān)的圖表信息，如轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備狀態(tài)等。

圖9 自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及大屏可視化

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生作為重大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一，是實(shí)現(xiàn)物理世界與信息化虛擬世界交互融合的最佳途徑。本文通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)搭建物理世界與虛擬世界的融合通道，有效地解決傳統(tǒng)中小型自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)信息掌握困難、可視化程度低等問(wèn)題，為生產(chǎn)管理者提供可視化的手段，改善生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。本文就某汽車(chē)裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線，提出了一種面向中小型自動(dòng)化生產(chǎn)線的數(shù)字孿生可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的三大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述及實(shí)例驗(yàn)證。本文提出的可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)框架降低了物理實(shí)體模塊、數(shù)字孿生模型模塊以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信模塊的耦合復(fù)雜度，具有很好的可擴(kuò)展性，后續(xù)可在此研究基礎(chǔ)上進(jìn)行基于孿生大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)智能決策等工作。