基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線分布式近物理集成調(diào)試方法

鄧文順，劉 強(qiáng)，趙榮麗

(廣東工業(yè)大學(xué) 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006)

傳統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備及生產(chǎn)線的開發(fā)模式是從機(jī)械設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)最后到軟件驗(yàn)證的串行模式。在此模式下，各級(jí)設(shè)計(jì)問題只有到了集成調(diào)試階段才會(huì)逐漸暴露出來，因?yàn)樽詣?dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的最終驗(yàn)證，需要將各單元設(shè)備集成起來，架設(shè)管控系統(tǒng)，實(shí)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，而自動(dòng)化生產(chǎn)線所需設(shè)備通常由不同廠家提供，存在異構(gòu)異型、控制器與通訊接口不盡相同的問題。除此以外，專機(jī)設(shè)備之間、中間設(shè)備與專機(jī)設(shè)備之間需要協(xié)同作業(yè)，存在頻繁通訊的需求，這對(duì)整線的集成提出極高的要求。對(duì)于一些大型或超大型的生產(chǎn)線而言，為了避免集成測(cè)試周期過長(zhǎng)，以及降低資金與場(chǎng)地占用成本，在整線送到客戶企業(yè)前，總是希望將不同供應(yīng)商的設(shè)備之間、設(shè)備與整線之間進(jìn)行異地分段式調(diào)試 (通訊測(cè)試、控制網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、整線作業(yè)測(cè)試)。目前，尚缺少這種異地分段式的調(diào)試方法。

數(shù)字孿生 (digital twins, DT) 是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出一種在設(shè)計(jì)階段可進(jìn)行生產(chǎn)線分布式近物理集成調(diào)試的方法，即在設(shè)計(jì)階段搭建物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型，根據(jù)工藝過程對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行邏輯動(dòng)作指令編輯，并加載可編程邏輯控制器 (programmable logic controller，PLC)，搭建虛擬控制網(wǎng)絡(luò)，形成實(shí)物模型的孿生體，可模擬碰撞、滑移、跌落、變形等物理變化過程的高逼真近物理仿真。該方法支持多供應(yīng)商設(shè)備異地分段式的空載集成調(diào)試，可應(yīng)用于生產(chǎn)線規(guī)劃、設(shè)計(jì)到工程實(shí)施和驗(yàn)收。利用近物理仿真技術(shù)可提前完成部分邏輯驗(yàn)證和控制測(cè)試任務(wù)，并進(jìn)行異地集成調(diào)試，而不必等實(shí)物設(shè)備制造完成，快速排除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、規(guī)避集成瓶頸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線并行設(shè)計(jì)，縮短生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試、驗(yàn)證周期和降低開發(fā)成本。

1 制造系統(tǒng)調(diào)試方法

1.1 調(diào)試方法介紹

制造系統(tǒng)的調(diào)試可以分為虛擬調(diào)試、半實(shí)物調(diào)試和物理調(diào)試3 種，三者之間的區(qū)別如圖1 和表1所示。特別地，各研究對(duì)于“軟件在環(huán) (software in the loop, SIL) 、硬件在環(huán) (hardware in the loop, HIL)”和“虛擬調(diào)試 (virtual commissioning, VC) 、半實(shí)物調(diào)試 (semi-physical commissioning, SPC) ”的定義和對(duì)應(yīng)關(guān)系見解不一，為避免歧義，本文將依據(jù)表1進(jìn)行歸類。顯然，物理調(diào)試是最為有效的調(diào)試方式，但是會(huì)伴隨著周期長(zhǎng)、高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的代價(jià)。對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行物理調(diào)試，需要等待設(shè)備制造和控制系統(tǒng)開發(fā)都完成才能開始執(zhí)行，而在調(diào)試過程中，每次調(diào)試后都需對(duì)各單元進(jìn)行復(fù)位，且操作不當(dāng)或控制邏輯錯(cuò)誤都會(huì)造成實(shí)際損失。

表1 制造系統(tǒng)調(diào)試方法的區(qū)別Table 1 Differences among manufacturing system commissioning methods

圖1 制造系統(tǒng)集成調(diào)試方法Figure 1 Integrated commissioning methods of manufacturing systems

隨著數(shù)字孿生技術(shù)不斷發(fā)展完善，其典型應(yīng)用之一的虛擬調(diào)試技術(shù)被越來越多的制造業(yè)企業(yè)應(yīng)用到實(shí)際研發(fā)中。該技術(shù)允許在虛擬環(huán)境中對(duì)仿真模型進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)、工藝仿真和控制邏輯調(diào)試等任務(wù)的早期驗(yàn)證與優(yōu)化，減少物理樣機(jī)和物理試驗(yàn)的數(shù)量，從而降低產(chǎn)品研發(fā)和試制成本，提高研發(fā)效率。虛擬調(diào)試?yán)梅抡婺Ｐ蛯?duì)制造系統(tǒng)的自動(dòng)化控制部件進(jìn)行規(guī)劃、調(diào)試和驗(yàn)證，而半實(shí)物調(diào)試則是進(jìn)一步利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將硬件連接到仿真模型中，后者能更加準(zhǔn)確地模擬制造系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，具有較高的置信度[3]。然而，就目前技術(shù)而言，由于無法完全孿生物理空間的所有擾動(dòng)情況，仿真結(jié)果理論上都是不準(zhǔn)確的。原因是因環(huán)境變化、信號(hào)波動(dòng)、零部件受損等因素而引發(fā)的系統(tǒng)擾動(dòng)情況難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和孿生。因此，為了保證準(zhǔn)確性，物理調(diào)試是一個(gè)不可避免的過程，而借助仿真的調(diào)試方法能減少昂貴的物理調(diào)試的時(shí)間和成本，三者相輔相成。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前仿真調(diào)試技術(shù)相對(duì)比較成熟，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了許多性能良好的仿真調(diào)試軟件，比如西門子的Tecnomatix 軟件工具、羅克韋爾的Emulate3D 和美云智數(shù)的MIoT.VC 等軟件。除了成熟的仿真調(diào)試軟件外，許多學(xué)者也對(duì)仿真調(diào)試技術(shù)展開了研究。

Ruzarovsky 等[4]采用西門子Tecnomatix 工具和基于事件仿真的方法模擬機(jī)器人離線程序和PLC 代碼的控制過程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分揀不良品的控制邏輯調(diào)試與驗(yàn)證。Vermaak 等[5]通過仿真調(diào)試來規(guī)劃、驗(yàn)證和優(yōu)化可重構(gòu)裝配系統(tǒng)，肯定仿真調(diào)試是預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式、提早驗(yàn)證系統(tǒng)代碼和糾正設(shè)計(jì)缺陷的絕佳工具。他們首先利用DELMIA 軟件規(guī)范建模虛擬設(shè)備并通過虛擬調(diào)試確保虛擬設(shè)備的行為邏輯正確；然后采取半實(shí)物調(diào)試實(shí)際控制器的邏輯和執(zhí)行情況；最后通過物理調(diào)試來驗(yàn)證仿真調(diào)試的結(jié)果。Berger 等[6]闡述柔性制造系統(tǒng)的仿真調(diào)試是一項(xiàng)需要在不同的軟件環(huán)境中對(duì)低級(jí)和高級(jí)控制功能進(jìn)行建模并通過特定接口連接它們的復(fù)雜任務(wù)，針對(duì)性地提出用于高級(jí)控制虛擬調(diào)試的通用柔性制造系統(tǒng)車間仿真方法。Hofmann 等[7]描述了實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試的一般策略，并舉例說明如何將基于PDCA(Plan-Do-Check-Action) 的仿真調(diào)試方法應(yīng)用到物流控制的教育實(shí)踐中。

Dahl 等[8]提出基于模型迭代的虛擬調(diào)試框架(integrated virtual preparation and commissioning,IVPC)，該框架在生產(chǎn)準(zhǔn)備、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和虛擬調(diào)試階段之間共享相同的系統(tǒng)虛擬模型，并在整個(gè)開發(fā)過程中使用這些模型進(jìn)行驗(yàn)證。他們指出，使用虛擬調(diào)試的主要目的除了能縮短調(diào)試周期之外，還應(yīng)具備持續(xù)測(cè)試的能力以更好地應(yīng)對(duì)后期的更改。于是，在之后的研究中，Dahl 等[9]提出一種基于機(jī)器人模型及其程序的行為、控制邏輯自動(dòng)建模方法，并利用虛擬調(diào)試工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行持續(xù)分析和仿真驗(yàn)證，以測(cè)試方法的可靠性。Schamp 等[10]介紹一種在3D 虛擬模型中嵌入相關(guān)功能邏輯的規(guī)范表述的方法，實(shí)現(xiàn)控制邏輯的自動(dòng)驗(yàn)證和模型復(fù)用，從而進(jìn)一步自動(dòng)化虛擬調(diào)試步驟。他們嘗試在后續(xù)的研究中采用自動(dòng)代碼生成的方法來進(jìn)一步縮短虛擬調(diào)試的周期，致力于減少工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目在虛擬調(diào)試階段所需的人工工作量。

王春曉等[11]基于數(shù)字孿生提出一種機(jī)床多領(lǐng)域物理模型的虛擬調(diào)試解決方案，搭建了虛擬調(diào)試平臺(tái)，通過建立機(jī)床虛擬模型，從性能和功能兩個(gè)方面分別進(jìn)行虛擬調(diào)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的有效性。禹鑫燚等[12]基于.Net 插件框架，開發(fā)了面向智能制造生產(chǎn)線的交互式虛擬調(diào)試系統(tǒng)，并在RoboDK軟件中搭建三維模型進(jìn)行虛擬調(diào)試以對(duì)工控設(shè)備程序設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。鄭魁敬等[13]針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的PLC 和ABB 機(jī)器人開發(fā)了集成控制軟件，并進(jìn)行虛擬調(diào)試驗(yàn)證集成控制系統(tǒng)的有效性。

2 分布式近物理集成調(diào)試方法

為了保證整線調(diào)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)物在環(huán)的調(diào)試方法 (半實(shí)物調(diào)試和物理調(diào)試) 是必要步驟，然而，組成生產(chǎn)線的裝備通常來自不同的異地制造商，為了避免整線集成調(diào)試時(shí)出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、接口與協(xié)議不兼容等問題，優(yōu)先執(zhí)行分布式近物理集成調(diào)試是非常重要的，可快速排除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、規(guī)避設(shè)備兼容性問題，極大提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。

2.1 分布式近物理調(diào)試方法的總體框架

分布式近物理集成調(diào)試方法利用數(shù)字孿生模型對(duì)分布在異地的物理裝備進(jìn)行近物理仿真，同時(shí)可基于數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛實(shí)同步調(diào)試，主要有3 個(gè)步驟：1) 設(shè)計(jì)方案的虛擬調(diào)試；2) 控制器的半實(shí)物調(diào)試；3) 虛實(shí)同步的設(shè)備在環(huán)調(diào)試。其中，步驟1)是針對(duì)異地分布式設(shè)備的數(shù)字化集成與調(diào)試；步驟2) 和3) 是在數(shù)字化集成的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)物在環(huán)仿真調(diào)試。如圖2 所示，該方法融合了制造系統(tǒng)的3 種調(diào)試方法。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行軟件在環(huán)調(diào)試，搭建本地孿生生產(chǎn)線，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行近物理仿真調(diào)試，驗(yàn)證各單元設(shè)備間運(yùn)動(dòng)邏輯正確性，規(guī)避設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。在調(diào)試階段首先進(jìn)行分布式硬件在環(huán)調(diào)試，通過本地總控服務(wù)器以及遠(yuǎn)程通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地孿生生產(chǎn)線與異地分布的單元設(shè)備互聯(lián)，分別將異地控制器1、異地控制器2、 ……、異地控制器n連接到本地孿生生產(chǎn)線，并進(jìn)行通訊協(xié)議、控制邏輯的虛擬調(diào)試。然后進(jìn)行分布式設(shè)備在環(huán)調(diào)試，將異地單元設(shè)備1、異地單元設(shè)備2、 ……、異地單元設(shè)備n與本地孿生生產(chǎn)線互聯(lián)，以三維可視化的多視圖聯(lián)動(dòng)方式[14]來監(jiān)控物理調(diào)試的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)分布式近物理集成調(diào)試和虛實(shí)同步，再次驗(yàn)證生產(chǎn)線接口、控制邏輯、通訊協(xié)議兼容性，充分保障實(shí)物設(shè)備產(chǎn)線搭建時(shí)無設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，無兼容性問題，無控制邏輯錯(cuò)誤。采用分布式近物理調(diào)試方法，不同廠商提供的設(shè)備可以分別、分時(shí)、異地與整線進(jìn)行在線集成調(diào)試，脫離地域、場(chǎng)地和時(shí)空的限制，在分布式設(shè)備集成整線之前并行完成設(shè)備控制邏輯、生產(chǎn)線管控邏輯的集成調(diào)試與驗(yàn)證，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試次數(shù)，縮短項(xiàng)目周期，降低開發(fā)成本。

圖2 分布式近物理集成調(diào)試方法Figure 2 The distributed approximate physical integrated commissioning method

采用生產(chǎn)線分布式近物理集成調(diào)試方法使得仿真調(diào)試和物理調(diào)試同步進(jìn)行，將串行設(shè)計(jì)變?yōu)椴⑿性O(shè)計(jì)，隨著產(chǎn)線開發(fā)進(jìn)度的推進(jìn)，反復(fù)調(diào)試迭代的置信度也將逐漸提高，同時(shí)降低開發(fā)周期和成本。該調(diào)試方法支持多次調(diào)試來迭代優(yōu)化管控系統(tǒng)的邏輯，可利用迭代后的控制程序來控制仿真模型的執(zhí)行，也可利用設(shè)備迭代設(shè)計(jì)后的三維模型來快速重構(gòu)仿真模型。設(shè)計(jì)階段調(diào)試完成的仿真模型還能用于生產(chǎn)線后續(xù)運(yùn)營(yíng)階段的監(jiān)控和維護(hù)階段的調(diào)試[15]，充分利用資源，減少冗余浪費(fèi)。

2.2 設(shè)計(jì)方案的虛擬調(diào)試

為了能在虛擬空間中進(jìn)行有效的調(diào)試工作，建立高保真的數(shù)字孿生模型是關(guān)鍵的一步，該模型將貫穿整個(gè)調(diào)試周期?？紤]到生產(chǎn)線集成調(diào)試是一個(gè)反復(fù)迭代優(yōu)化的過程，需要對(duì)一些共性模塊進(jìn)行參數(shù)化與變量化建模，例如，執(zhí)行部件 (變頻電機(jī)、伺服電機(jī)、氣缸等) 、傳感器件 (激光傳感器、限位開關(guān)等) 和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)床等，使生產(chǎn)線的孿生模型具備一定的重構(gòu)調(diào)整能力以應(yīng)對(duì)多變的控制邏輯。此外，孿生模型的信號(hào)模擬、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)以及通訊接口都應(yīng)該與物理裝備保持一致，這樣才能使用孿生模型進(jìn)行后續(xù)的實(shí)物在環(huán)調(diào)試。設(shè)備的控制程序主要根據(jù)不同類型的輸入/輸出值來完成一系列操作，為此，通過預(yù)先封裝相應(yīng)的輸入觸發(fā)函數(shù)和輸出功能函數(shù)，賦予孿生模型近物理的驅(qū)動(dòng)邏輯功能，以滿足可編程邏輯控制器 (programmable logic controller,PLC) 的控制需要。對(duì)于孿生模型的控制模擬，可以通過PLC 仿真器模擬的控制程序或仿真軟件的動(dòng)作腳本實(shí)現(xiàn)，這也是最常見的虛擬調(diào)試方式。搭建生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型并實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試的具體步驟如圖3 所示。

圖3 數(shù)字孿生建模及虛擬調(diào)試Figure 3 Digital twins modeling and virtual commissioning

與單機(jī)設(shè)備的調(diào)試不同，生產(chǎn)線的集成調(diào)試不僅需要關(guān)注各設(shè)備的控制情況，還需要調(diào)試生產(chǎn)線的物料流轉(zhuǎn)、設(shè)備異構(gòu)集成等問題。為了保證生產(chǎn)線在上線后能按時(shí)保量地完成作業(yè)任務(wù)，還需對(duì)生產(chǎn)線的整體性能以及產(chǎn)線管控系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)控與優(yōu)化。為了盡可能還原實(shí)物，在孿生模型中注入異常擾動(dòng)，隨機(jī)產(chǎn)生設(shè)備故障情況，模擬設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)情況的執(zhí)行。通過產(chǎn)線管控系統(tǒng)下發(fā)過程控制指令來驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線的孿生模型，以如圖2所示的“軟件在環(huán)”方式，調(diào)試生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案所呈現(xiàn)的物流情況和產(chǎn)線性能，同時(shí)檢驗(yàn)管控系統(tǒng)和各個(gè)異構(gòu)設(shè)備模型的通訊接口的數(shù)據(jù)通訊情況，避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。后續(xù)的實(shí)物在環(huán)調(diào)試步驟也將集成產(chǎn)線管控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線的流程控制進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，以使調(diào)試結(jié)果更加趨近物理調(diào)試結(jié)果。

2.3 控制器的半實(shí)物調(diào)試

控制程序在計(jì)算機(jī)仿真中運(yùn)行的程序掃描時(shí)間和在真實(shí)PLC 中是不一樣的，并且仿真器模擬的功能有限，對(duì)程序的調(diào)試不夠全面。因此，對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景的集成調(diào)試，利用PLC 仿真器進(jìn)行虛擬調(diào)試難以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，而硬件在環(huán)的半實(shí)物調(diào)試能在此基礎(chǔ)上彌補(bǔ)不足。

本地總控服務(wù)器負(fù)責(zé)接收各個(gè)孿生設(shè)備的傳感信號(hào)，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)分發(fā)傳輸?shù)礁鱾€(gè)異地設(shè)備控制器中；設(shè)備控制器接收到傳感信號(hào)后，根據(jù)程序邏輯輸出執(zhí)行信號(hào)，上傳到服務(wù)器并轉(zhuǎn)發(fā)到孿生模型中執(zhí)行動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)如圖2 所示的分布式硬件在環(huán)調(diào)試，再次調(diào)試驗(yàn)證系統(tǒng)的過程控制邏輯?；跀?shù)字孿生的半實(shí)物調(diào)試迭代過程如圖4 所示。1) 選定PLC 控制器和通訊協(xié)議，確定輸入輸出設(shè)備及點(diǎn)位地址，設(shè)計(jì)控制程序。2) 燒錄程序，建立設(shè)備孿生模型與物理控制器的通訊并綁定點(diǎn)位。3) 明確設(shè)備的執(zhí)行部件和工藝參數(shù)，確定控制需求，配置控制方案。4) 按照需求制定仿真實(shí)驗(yàn)，為控制程序運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件，設(shè)備孿生模型模擬PLC 控制器的輸入信號(hào) (仿真輸出信號(hào))，控制程序反饋輸出信號(hào) (仿真輸入信號(hào))，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的半實(shí)物控制調(diào)試。5) 運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制邏輯是否正確，輸出結(jié)果，并分析是否滿足需求；否則，反復(fù)執(zhí)行PDCA 循環(huán)，迭代優(yōu)化控制邏輯。6) 調(diào)試驗(yàn)證無誤后，歸檔控制方案，用于后續(xù)近物理調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)整線集成。

圖4 半實(shí)物調(diào)試迭代優(yōu)化流程Figure 4 The iterative optimization process for semi-physical commissioning

各設(shè)備控制邏輯經(jīng)過上述PDCA 循環(huán)迭代后，將最終優(yōu)化的程序歸檔并燒錄到異地設(shè)備控制器中，最終完成整線全部設(shè)備的控制邏輯調(diào)試、迭代、優(yōu)化與驗(yàn)證。

2.4 虛實(shí)同步的設(shè)備在環(huán)調(diào)試

硬件在環(huán)調(diào)試難以真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的環(huán)境和一些擾動(dòng)因素，并且部分設(shè)備可能處于異地，無法直接對(duì)實(shí)物設(shè)備進(jìn)行最直接的物理調(diào)試驗(yàn)證。為此，通過虛實(shí)結(jié)合的設(shè)備在環(huán)方式，遠(yuǎn)程監(jiān)控異地設(shè)備的真實(shí)調(diào)試情況。虛實(shí)對(duì)象在環(huán)的調(diào)試方式為傳統(tǒng)的物理調(diào)試提供保護(hù)，同時(shí)也彌補(bǔ)了仿真調(diào)試的不足。

經(jīng)過前面步驟的多次調(diào)試，異地設(shè)備的控制邏輯已有效解決絕大部分的錯(cuò)誤，當(dāng)其裝配完成后，將它連接在環(huán)，接受實(shí)體控制器的控制，實(shí)現(xiàn)可視化的虛實(shí)同步調(diào)試。1) 利用虛實(shí)同步技術(shù)和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，將生產(chǎn)線孿生模型的傳感信號(hào)傳送給異地PLC 控制器，執(zhí)行控制程序邏輯，并將執(zhí)行器的控制信號(hào)發(fā)送到孿生模型和物理裝備，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)部件的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到虛實(shí)同步效果。2) 對(duì)于異地設(shè)備，異地控制器延遲下發(fā)運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，并盡量消除異地控制器與本地孿生模型的通訊延遲，以保證孿生體超前運(yùn)動(dòng)，在本地監(jiān)控發(fā)現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)中斷異地設(shè)備的動(dòng)作，避免實(shí)物設(shè)備誤動(dòng)作產(chǎn)生損失。將異地設(shè)備逐個(gè)分布式連接在環(huán)，或者生產(chǎn)線全部設(shè)備都連接上環(huán)，更進(jìn)一步調(diào)試驗(yàn)證控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)邏輯和管控系統(tǒng)的過程邏輯，提高分布式集成調(diào)試的置信度，為后續(xù)提供更有效的參考。

3 基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的電機(jī)裝配線分布式近物理集成調(diào)試應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)

生產(chǎn)線分布式近物理集成調(diào)試需要一款能實(shí)現(xiàn)近物理仿真且具備多種通訊協(xié)議接口的制造系統(tǒng)集成調(diào)試平臺(tái)，本文基于數(shù)字孿生系統(tǒng) (digital twins system, DTS) 進(jìn)行電機(jī)裝配線分布式近物理集成調(diào)試的應(yīng)用研究。DTS 集成了Bullet 物理引擎，具備碰撞檢測(cè)功能，可以模擬重力、摩擦力、加減速、沖力等對(duì)控制系統(tǒng)和物料造成的影響，能構(gòu)造出一個(gè)近似現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的孿生場(chǎng)景，這對(duì)于時(shí)序關(guān)系要求嚴(yán)格的生產(chǎn)線集成調(diào)試具有重要意義。DTS 使用Java 語言開發(fā)，允許用戶使用Java 及其豐富的開源代碼庫來進(jìn)行二次開發(fā)，豐富系統(tǒng)平臺(tái)的功能。針對(duì)集成調(diào)試，該軟件可以劃分為三維仿真模塊、通訊控制模塊和性能分析模塊3 個(gè)主要模塊。

1) 三維仿真模塊為用戶呈現(xiàn)較為逼真的三維模型，能使用Java 動(dòng)作腳本或PLC 控制程序來驅(qū)動(dòng)模型。該模塊預(yù)置了豐富的設(shè)備、工業(yè)組件模型庫，也允許用戶封裝定制化設(shè)備組件，支撐生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型的快速構(gòu)建。

2) 通訊模塊集成了部分通訊協(xié)議，例如Modbus、S7、TCP/IP 和OPCUA 等，允許用戶使用Java 語言編寫需要的協(xié)議接口。該模塊為虛擬/物理控制器與執(zhí)行引擎之間建立通道，實(shí)現(xiàn)物理裝備與孿生模型之間的交互操作以及PLC 邏輯驗(yàn)證。

3) 性能分析模塊能統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)，供用戶分析方案的優(yōu)劣，調(diào)試優(yōu)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的過程控制邏輯。

3.2 案例應(yīng)用

本文以DTS 平臺(tái)為工具，以電機(jī)裝配線為案例研究分布式近物理集成調(diào)試方法的有效性，如圖5所示。裝配線的單元裝備分別來自于不同地方，對(duì)異地單元設(shè)備分別進(jìn)行軟件在環(huán)、硬件在環(huán)、設(shè)備在環(huán)的調(diào)試：利用DTS 搭建電機(jī)裝配線數(shù)字模型，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行虛擬調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)備的動(dòng)作及邏輯；采用虛擬平臺(tái)對(duì)各供應(yīng)商廠家所提供的單元設(shè)備控制器進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證控制系統(tǒng)邏輯及系統(tǒng)兼容性；最后數(shù)字化整線上對(duì)應(yīng)的設(shè)備模型與異地實(shí)物模型進(jìn)行虛實(shí)同步集成，利用虛擬平臺(tái)與數(shù)字化整線進(jìn)行生產(chǎn)模擬，利用同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的互聯(lián)互通以及單機(jī)設(shè)備與孿生設(shè)備作業(yè)同步，測(cè)試實(shí)物設(shè)備空載作業(yè)情況是否符合既定要求。案例的集成調(diào)試分別采用傳統(tǒng)物理調(diào)試和本文方法進(jìn)行，兩種調(diào)試方式的結(jié)果對(duì)比如表2 所示。表2 中傳統(tǒng)方法的參數(shù)取值為1 (100%)，使用%來表示本文方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法的優(yōu)化程度。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的物理調(diào)試方法，本文所提出的集成調(diào)試方法能有效提高生產(chǎn)線調(diào)試效率和成本，原因在于分布式近物理調(diào)試避免了昂貴的設(shè)備運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)物理重構(gòu)。另外，按照調(diào)試情況對(duì)各設(shè)備孿生模型進(jìn)行泛化邏輯封裝，構(gòu)建電機(jī)裝配工藝專用的裝備庫，以便后續(xù)能快速搭建出數(shù)字孿生模型，減少近物理集成調(diào)試的前期準(zhǔn)備時(shí)間，進(jìn)一步縮短了調(diào)試周期。

表2 兩種調(diào)試方法的結(jié)果對(duì)比Table 2 Result comparisons of two commissioning methods

圖5 電機(jī)裝配線分布式近物理集成調(diào)試Figure 5 Distributed approximate physical integrated commissioning of a motor assembly line

4 結(jié)語

本文通過分析各類調(diào)試方法的特點(diǎn)，提出一種基于數(shù)字孿生的分布式近物理集成調(diào)試方法，并通過電機(jī)裝配線案例的調(diào)試進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了方法的可行性。此方法借助數(shù)字孿生技術(shù)和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異地設(shè)備的分布式集成，使得仿真調(diào)試和物理調(diào)試能夠同步執(zhí)行，從而將原本串行的調(diào)試過程優(yōu)化為并行。另外，該方法集成了各調(diào)試方法的優(yōu)點(diǎn)，通過虛實(shí)同步的方式提高生產(chǎn)線集成調(diào)試的迭代優(yōu)化質(zhì)量，縮短調(diào)試驗(yàn)證的周期并降低成本，減少或避免不必要的損失。最后，本文基于數(shù)字孿生系統(tǒng)驗(yàn)證了方法的可行性，為生產(chǎn)線的集成調(diào)試提供了有效的解決方案和工具平臺(tái)。