基于數(shù)字孿生的商標(biāo)紙供給管理系統(tǒng)研究

［關(guān)鍵詞］數(shù)字孿生；管理系統(tǒng)；智能化；工業(yè)物流

［中圖分類號(hào)］TP399 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）11–0079–03

目前，數(shù)字孿生概念正活躍在智能工廠建設(shè)的視野中。陶飛等[1] 分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及數(shù)字孿生在裝配環(huán)節(jié)、工業(yè)制造、工廠內(nèi)外物流等場(chǎng)景下的應(yīng)用。陶飛等[2] 提出了一種虛實(shí)結(jié)合、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生車間概念，為數(shù)字孿生智能管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論依據(jù)。

1商標(biāo)紙供給系統(tǒng)介紹

商標(biāo)紙供給系統(tǒng)是由機(jī)械手抓取堆垛上的商標(biāo)紙等物料，放至輸送小車RGV（有軌制導(dǎo)小車）上，通過(guò)提升機(jī)、輸送線體送至物料接收設(shè)備，物料接收裝置對(duì)物料進(jìn)行一系列處理操作后，將處理后的物料送至機(jī)臺(tái)，供機(jī)臺(tái)生產(chǎn)使用。堆垛來(lái)源為輔料庫(kù)，本系統(tǒng)調(diào)用輔料庫(kù)WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）的取空托盤和叫料接口，AGV（自動(dòng)導(dǎo)向輸送車）取走空托盤，并運(yùn)送滿托盤至機(jī)械手抓取位置。該系統(tǒng)包含兩臺(tái)機(jī)械手、12個(gè)供機(jī)械手抓取的托盤點(diǎn)及8 臺(tái)物料接收設(shè)備。

2基于數(shù)字孿生的商標(biāo)紙供給管理系統(tǒng)架構(gòu)

將數(shù)字孿生模型分為物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和連接5部分，即數(shù)字孿生5維模型的概念[3]，以數(shù)字孿生5 維模型為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生的商標(biāo)紙供給管理系統(tǒng)，文章結(jié)合工廠實(shí)際情況，將本系統(tǒng)劃分為物理層、虛擬層、孿生數(shù)據(jù)和應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在實(shí)現(xiàn)物料管理、任務(wù)記錄、生產(chǎn)追溯、數(shù)據(jù)采集等功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生功能，通過(guò)數(shù)字孿生可視化界面，實(shí)時(shí)展示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，并在數(shù)字孿生基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)反向控制功能，即通過(guò)操作可視化界面中的虛擬模型，在確保設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，反向控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。

2.1物理層

物理層指物理世界中商標(biāo)紙供給系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備集合，包括機(jī)械手、物料堆垛、提升機(jī)、輸送線體、RGV、AGV、物料接收設(shè)備等實(shí)體設(shè)備。

2.2虛擬層

根據(jù)商標(biāo)紙供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備動(dòng)作邏輯進(jìn)行虛擬層的搭建。利用三維建模軟件，對(duì)商標(biāo)紙供給系統(tǒng)包含的實(shí)體設(shè)備進(jìn)行1∶1 建模。結(jié)合采集到的孿生數(shù)據(jù)與設(shè)備動(dòng)作邏輯，完成物理層到虛擬層的映射，更加直觀立體地展現(xiàn)各實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀況。

2.3孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生模型中虛擬實(shí)體映射物理實(shí)體的驅(qū)動(dòng)，在本系統(tǒng)中包括物理層商標(biāo)紙供給系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、虛擬層中虛擬模型對(duì)實(shí)體設(shè)備的反向控制數(shù)據(jù)、商標(biāo)紙供給系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、外部系統(tǒng)對(duì)本系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)對(duì)讀取到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理、分析、匯總后，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供應(yīng)用層數(shù)字孿生模塊和其余功能模塊讀取使用。

2.4應(yīng)用層

應(yīng)用層包含數(shù)字孿生可視化模塊及物料管理、任務(wù)記錄、生產(chǎn)追溯、數(shù)據(jù)采集等功能模塊。三維虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，任務(wù)記錄、生產(chǎn)追溯功能模塊記錄并分析設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的歷史輸送任務(wù)、生產(chǎn)記錄，通過(guò)實(shí)時(shí)仿真與歷史記錄結(jié)合，便于生產(chǎn)人員、管理人員全生命周期的掌握設(shè)備生產(chǎn)狀況，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的狀況進(jìn)行快速響應(yīng)，更及時(shí)地優(yōu)化生產(chǎn)決策。

3系統(tǒng)功能

3.1生產(chǎn)物料管理

商標(biāo)紙供給系統(tǒng)包含12 個(gè)托盤點(diǎn)位，其中兩個(gè)托盤點(diǎn)位存放堆垛上物料層與層之間的隔板紙，其余10 個(gè)點(diǎn)位最多可放置10 種承載不同物料的托盤，同時(shí)本系統(tǒng)又對(duì)接多個(gè)物料接收設(shè)備。生產(chǎn)物料管理功能負(fù)責(zé)管理10 個(gè)托盤點(diǎn)位存放的物料種類，以及物料接收設(shè)備接收的物料種類。生產(chǎn)物料管理模塊對(duì)接調(diào)度系統(tǒng)，將各托盤點(diǎn)位存放的物料種類、物料接收裝置接收的物料種類發(fā)至調(diào)度系統(tǒng)，由調(diào)度系統(tǒng)將托盤點(diǎn)與物料接收裝置進(jìn)行匹配，接收到物料接收裝置的叫料信號(hào)后，調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)物理資源，運(yùn)送物料至物料接收裝置。

3.2任務(wù)記錄

任務(wù)記錄模塊記錄商標(biāo)紙供給系統(tǒng)中每一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行過(guò)的任務(wù)編號(hào)、任務(wù)種類、起始地、目的地、任務(wù)發(fā)生時(shí)間等信息，包含機(jī)械手的抓取任務(wù)、RGV的送料任務(wù)、AGV 取空托盤、AGV送滿托盤任務(wù)等。通過(guò)對(duì)商標(biāo)紙供給系統(tǒng)中發(fā)生的各種任務(wù)進(jìn)行記錄，分析商標(biāo)紙供給系統(tǒng)中各任務(wù)執(zhí)行設(shè)備的工作時(shí)間、空閑時(shí)間占總時(shí)間的比例，提高各執(zhí)行設(shè)備利用率，優(yōu)化車間生產(chǎn)節(jié)奏，最大程度上加快車間生產(chǎn)效率，降低設(shè)備成本。

3.3生產(chǎn)追溯

生產(chǎn)追溯模塊負(fù)責(zé)保存任務(wù)記錄模塊中記錄的每一條任務(wù)的執(zhí)行細(xì)節(jié)。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)記錄，記錄物料來(lái)源、運(yùn)輸、去向等，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的全生命周期追溯，方便生產(chǎn)者、管理者掌握生產(chǎn)狀況，為車間生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括設(shè)備狀態(tài)采集、生產(chǎn)信息采集等。設(shè)備狀態(tài)采集全方位、全覆蓋的采集商標(biāo)紙供給系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)接口發(fā)送給數(shù)字孿生模塊，供數(shù)字孿生模塊使用，實(shí)時(shí)展示設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作，對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，捕捉設(shè)備異常狀態(tài)，減少設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。生產(chǎn)信息采集負(fù)責(zé)采集商標(biāo)紙供給系統(tǒng)的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括機(jī)械手的抓取任務(wù)、RGV 的輸送任務(wù)、與輔料庫(kù)WMS 的交互記錄、物料接收裝置接收的物料記錄等。對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)采集到的設(shè)備狀態(tài)信息，記錄每一次異常狀態(tài)，便于維修人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定位問(wèn)題。對(duì)采集到的生產(chǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)信息，調(diào)用本系統(tǒng)報(bào)表模塊，生成生產(chǎn)信息報(bào)表。

3.5數(shù)據(jù)接口

數(shù)據(jù)接口模塊包含本系統(tǒng)后端與PLC 之間的接口、后端與數(shù)字孿生可視化界面的接口、本系統(tǒng)與外部系統(tǒng)（工廠MES 系統(tǒng)、輔料庫(kù)WMS 系統(tǒng)）之間的接口。通過(guò)對(duì)上述接口的實(shí)現(xiàn)，打破物理層與虛擬層之間的壁壘，建立與外部系統(tǒng)的連接，數(shù)據(jù)流完成閉環(huán)。同時(shí)讀取到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于操作人員時(shí)刻掌握生產(chǎn)狀況。

3.6數(shù)字孿生

數(shù)字孿生模塊采用數(shù)字孿生技術(shù)，虛擬模型消費(fèi)孿生數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作，實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程，完成對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的映射，使設(shè)備操作人員對(duì)設(shè)備的監(jiān)控、使用、管理不再受空間及復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)狀況所限。

3.7集中控制

本系統(tǒng)集成商標(biāo)紙供給系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制，如啟動(dòng)、急停等操作，在保證設(shè)備及人員的安全下，最大程度地方便設(shè)備操作人員控制設(shè)備及掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況。

3.8故障管理

數(shù)字孿生可視化模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，精準(zhǔn)定位故障位置，在數(shù)字孿生可視化界面模型上精準(zhǔn)定位故障位置，并第一時(shí)間發(fā)送故障詳情郵件至操作人員、維修人員郵箱。數(shù)字孿生可視化界面模型的故障表現(xiàn)形式為：在與物理設(shè)備故障位置相對(duì)應(yīng)的虛擬模型位置進(jìn)行閃爍，以警示操作人員和維修人員，更加直觀地幫助相關(guān)人員第一時(shí)間精準(zhǔn)定位問(wèn)題。在故障確認(rèn)并處理完成后，本系統(tǒng)要求維修人員登記針對(duì)本次故障維修的細(xì)節(jié)，以便于在下次出現(xiàn)相同故障時(shí)，向維修人員提供維修指導(dǎo)。該功能可高效幫助操作人員或維修人員快速定位故障、處理故障，減少設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。

3.9維保管理

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各物理設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、執(zhí)行任務(wù)次數(shù)，對(duì)比預(yù)設(shè)的各設(shè)備最佳總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間或執(zhí)行任務(wù)次數(shù)累積到一定數(shù)量后，待維保位置在數(shù)字孿生可視化界面模型上的相應(yīng)模型閃爍黃色時(shí)，發(fā)送待維保詳情短信至操作人員、維保人員郵箱，提醒操作人員或維保人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)工作。系統(tǒng)儲(chǔ)存商標(biāo)紙供給系統(tǒng)設(shè)備臺(tái)賬，依賴數(shù)字孿生可視化界面、郵件功能和系統(tǒng)采集到的孿生數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)維保管理功能。維保功能可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少設(shè)備故障停機(jī)次數(shù)。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字孿生的商標(biāo)紙供給管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)使用的技術(shù)棧包括three.js、Vue、Java、Spring" Boot、OPC UA 協(xié)議、WebSocket 協(xié)議、Web API 技術(shù)、SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示。

4.1模型搭建

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備CAD 布局圖、各物理設(shè)備模型圖，使用三維建模軟件進(jìn)行場(chǎng)景的搭建，根據(jù)設(shè)備布局圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，1∶1 還原現(xiàn)場(chǎng)狀況。完成模型的搭建后，結(jié)合物理設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作，刪除不必要的面、模型，優(yōu)化模型層級(jí)關(guān)系，減小模型體積。參考現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備的材質(zhì)、光澤，對(duì)精簡(jiǎn)后的模型進(jìn)行渲染處理，賦予模型材質(zhì)，使模型視覺(jué)效果更加真實(shí)自然。模型渲染后，導(dǎo)出.FBX 或.OBJ 等格式，供數(shù)字孿生功能使用。

4.2數(shù)據(jù)讀取

OPC UA（開放性生產(chǎn)控制和統(tǒng)一架構(gòu)）是一種在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的通信協(xié)議，采用客戶端/ 服務(wù)器架構(gòu)，使用發(fā)布/ 訂閱模式進(jìn)行通信，可以在不同設(shè)備和系統(tǒng)之間進(jìn)行安全的數(shù)據(jù)傳輸，不局限于設(shè)備的類型和種類。本系統(tǒng)利用OPC UA 協(xié)議，集結(jié)商標(biāo)紙供給系統(tǒng)中各實(shí)體設(shè)備的控制器、PLC、傳感器等設(shè)備，讀取商標(biāo)紙供給系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)OPC UA 讀取到的數(shù)據(jù)，保存在SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中一部分利用Redis 技術(shù)，供數(shù)字孿生可視化界面通過(guò)WebSocket 消費(fèi)使用。同時(shí)采用Web API 技術(shù)對(duì)接外部系統(tǒng)（ERP、MES、WMS 等）。

4.3數(shù)字孿生功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)字孿生功能采用three.js 實(shí)現(xiàn)，three.js 提供的API 可將3D 模型繪制在瀏覽器上。

4.4管理功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)前端使用Vue 框架實(shí)現(xiàn)，后端通過(guò)Java、Spring Boot 框架實(shí)現(xiàn)。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生的商標(biāo)紙供給管理系統(tǒng)，提升了商標(biāo)紙供給系統(tǒng)的智能化水平。以數(shù)字孿生模塊為核心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)管理、物料管理、設(shè)備管理等功能，實(shí)時(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)情況，使操作人員對(duì)設(shè)備的管理不受物理空間限制，幫助操作人員更高效的使用設(shè)備，幫助管理人員管理生產(chǎn)過(guò)程、優(yōu)化生產(chǎn)決策，提高車間生產(chǎn)效率。