基于數(shù)字孿生的虛擬數(shù)字化工廠平臺(tái)

文/王德權(quán) 大連邁思信息技術(shù)有限公司

數(shù)字化工廠是指通過建立現(xiàn)代數(shù)字制造體系、網(wǎng)絡(luò)化配置實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造流程的全面數(shù)字化管理。數(shù)字化工廠建設(shè)需要把現(xiàn)代管理理論、智能生產(chǎn)理論、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等深度融為一體，全面整合車間生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)行控制系統(tǒng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)等各種信息系統(tǒng)，形成由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與生產(chǎn)執(zhí)行所構(gòu)成的新型生產(chǎn)組織方式。大連邁思信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)基于Web的數(shù)字孿生的虛擬數(shù)字化工廠平臺(tái)，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、布局規(guī)劃、虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生等，實(shí)現(xiàn)企業(yè)全流程智能化。

1 數(shù)字孿生的數(shù)字化工廠組成

數(shù)字孿生的數(shù)字化工廠系統(tǒng)主要由物理車間、虛擬車間及它們之間的孿生數(shù)據(jù)組成。數(shù)字孿生的智能車間系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生的智能車間系統(tǒng)組成

物理車間包括生產(chǎn)車間所有的制造資源，例如裝配線、加工線、機(jī)器人等設(shè)備。

虛擬車間是物理車間的孿生模型、動(dòng)作規(guī)則等在虛擬空間的真實(shí)反映。虛擬車間的構(gòu)建主要包括設(shè)備三維模型導(dǎo)入、模型輕量化、綁定設(shè)備的工藝、定義設(shè)備的邏輯行為、現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)可視化等步驟。

孿生數(shù)據(jù)包括物理車間采集的所有制造資源的數(shù)據(jù)。主要完成孿生模型在虛擬車間的動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的映射。

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)作為新的生產(chǎn)要素，成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與優(yōu)質(zhì)發(fā)展的重要生產(chǎn)力。數(shù)字孿生數(shù)字化工廠的建設(shè)和運(yùn)行離不開有效和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是數(shù)字化工廠的血液。生產(chǎn)車間匯聚大量復(fù)雜的制造信息資源，數(shù)據(jù)種類眾多，類型繁雜，通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式豐富多樣，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集及融合方法將異構(gòu)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，并與人員、工序、訂單等相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、料、法、環(huán)的連接和整合。

2.2 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是利用物理模型、傳感器更新及運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，集成多物理量、多尺度的仿真過程。數(shù)字孿生通過構(gòu)建物理車間與虛擬車間之間的有效映射并實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)物理車間與虛擬車間之間的互聯(lián)、互通、互操作，數(shù)字孿生建立虛擬車間對(duì)物理車間的描述、診斷、預(yù)測(cè)和決策新體系。

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠在不改變?cè)性O(shè)備的情況下，克隆出與之對(duì)應(yīng)的完全相同的虛擬設(shè)備，這些設(shè)備可以完全映射真實(shí)的工作場(chǎng)景。在虛擬設(shè)備中，執(zhí)行設(shè)置好的程序，通過模擬和測(cè)試可以在早期階段發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，使現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試速度更快，風(fēng)險(xiǎn)更低。同時(shí)縮短上市時(shí)間，降低成本，提高靈活性和生產(chǎn)力。

數(shù)字孿生示意圖如圖2所示，展現(xiàn)了物理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與虛擬孿生模型同步。其中左下角表示設(shè)備在物理車間的運(yùn)行姿態(tài)，右側(cè)表示設(shè)備在虛擬車間中運(yùn)行狀態(tài)，兩者之間是虛實(shí)同步關(guān)系。

圖2 數(shù)字孿生示意圖

2.3 虛實(shí)同步

使用WebSocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)物理車間與虛擬車間之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并使用孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)物理車間設(shè)備與虛擬車間設(shè)備模型進(jìn)行同步映射。使用基于WebGL開發(fā)的three.js三維引擎載入孿生模型文件，通過Web服務(wù)，將車間的生產(chǎn)過程三維場(chǎng)景渲染至瀏覽器上。不需要安裝任何插件就能在Web端展示三維模型。

3 基于數(shù)字孿生的虛擬數(shù)字化工廠平臺(tái)功能

基于數(shù)字孿生數(shù)字化工廠所需的主要業(yè)務(wù)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，系統(tǒng)的主要功能包括：布局規(guī)劃、工藝仿真、生產(chǎn)過程仿真、虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)可視化等。

3.1 布局規(guī)劃

生產(chǎn)線布局仿真是根據(jù)一定的規(guī)則，在滿足設(shè)備與車間空間約束條件下，把車間的各個(gè)構(gòu)成單元及生產(chǎn)設(shè)備，加以適當(dāng)?shù)陌才牛蛊湎嗷ブg的配合效率最佳，設(shè)備的利用率最大。

虛擬車間布局是在實(shí)際車間布局實(shí)施之前，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真并驗(yàn)證其合理性。通過模擬設(shè)計(jì)，為車間布置提供數(shù)字化環(huán)境，將車間內(nèi)各生產(chǎn)線上的基本要素(設(shè)備、裝置、工裝、產(chǎn)品的3D模型）及車間環(huán)境(維修通道、參觀通道、管線布局等）按1∶1方式進(jìn)行實(shí)際尺寸空間布局，通過使用1∶1沉浸式虛擬環(huán)境，高質(zhì)量的三維空間展示效果，可以真正感受車間內(nèi)設(shè)備布置的效果，對(duì)生產(chǎn)車間的整體布局及其之間的拓?fù)潢P(guān)系、產(chǎn)品生產(chǎn)工藝約束、工位的產(chǎn)品型號(hào)約束、物料配送及轉(zhuǎn)運(yùn)路徑及其它各要素間約束進(jìn)行分析，并提前檢測(cè)及調(diào)整，從而可以給后續(xù)的車間實(shí)際建造工程起到更好的指導(dǎo)作用，為車間數(shù)字化規(guī)劃布局和分析提供可靠的交互支持。

3.2 設(shè)備工藝仿真

根據(jù)設(shè)備的三維模型，高度還原設(shè)備的外觀及復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。設(shè)備動(dòng)作的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備模型運(yùn)行狀態(tài)，使得設(shè)備的外部變化及內(nèi)部的每一個(gè)零部件的工作狀態(tài)能夠在虛擬車間中真實(shí)復(fù)現(xiàn)。同時(shí)能夠在設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警，輔助管理者直觀掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患。

3.3 生產(chǎn)過程仿真

1）裝配過程仿真。在虛擬環(huán)境中，按照裝配流程，通過對(duì)零部件、組件及成品之間的移動(dòng)、定位、夾緊等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與工裝之間的干涉檢查，如發(fā)生干涉情況，產(chǎn)生報(bào)警提示，協(xié)助工藝設(shè)計(jì)人員分析干涉原因。

2）加工過程仿真。按照實(shí)際生產(chǎn)的加工過程，在虛擬環(huán)境下再現(xiàn)生產(chǎn)的加工過程。加工過程仿真主要解決工藝過程中刀具的碰撞、干涉、運(yùn)動(dòng)路徑、和機(jī)床后置代碼生成等問題。

3）機(jī)器人仿真。利用機(jī)器人的仿真建模技術(shù)，通過機(jī)器人仿真模擬能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人虛擬示教、機(jī)器人工作站布局、機(jī)器人工作姿態(tài)優(yōu)化，確認(rèn)系統(tǒng)方案、機(jī)器人型號(hào)、機(jī)器人/工件安裝位置、機(jī)器人動(dòng)作范圍和可達(dá)到性等，對(duì)夾具提出修改意見。進(jìn)而通過工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真方法進(jìn)行產(chǎn)線控制。

3.4 虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試是通過把虛擬世界的車間模型與物理世界的真實(shí)控制設(shè)備進(jìn)行連接，目的是對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。虛擬設(shè)備的模型是指通過數(shù)字化技術(shù)建立完全相同的模型，這些模型可以完全映射真實(shí)的工作場(chǎng)景，執(zhí)行設(shè)置好的程序，也就是說仿真模型的動(dòng)作可以和現(xiàn)實(shí)的動(dòng)作一模一樣，通過模擬和測(cè)試可以在早期階段驗(yàn)證機(jī)械部件、電氣設(shè)備和自動(dòng)化之間的交互作用。虛擬調(diào)試如圖3所示。

圖3 虛擬調(diào)試

3.5 數(shù)字孿生

將車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、MES、WMS等與虛擬空間中的三維模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的三維可視化。通過傳感器、PLC等設(shè)備實(shí)時(shí)回傳的信息，實(shí)時(shí)映射到虛擬空間三維模型的工位、傳感器位置以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，并在超過預(yù)設(shè)值后做出預(yù)警提示。通過生產(chǎn)過程數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控車間的生產(chǎn)狀態(tài)。

1）設(shè)備監(jiān)控。在虛擬車間孿生系統(tǒng)中，每臺(tái)虛擬設(shè)備頭頂會(huì)有指示燈，展示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所處狀態(tài)，如：空閑（黃），加工（綠），停機(jī)（藍(lán)），報(bào)警(紅）、關(guān)機(jī)(黑）等。同時(shí)展示車間當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)、計(jì)劃產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量等信息及生產(chǎn)和設(shè)備的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。

2）設(shè)備屬性查詢功能。在虛擬場(chǎng)景中可以通過點(diǎn)擊多個(gè)對(duì)象查看其屬性，包含人員信息、設(shè)備信息、物料信息等。對(duì)車間內(nèi)主要設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

3）Andon系統(tǒng)集成。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以集成Andon系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)，以及利用總覽圖及時(shí)提供物料呼叫、質(zhì)量呼叫、設(shè)備呼叫，具體工位可以實(shí)時(shí)同步三色燈狀態(tài)。通過收集報(bào)警數(shù)據(jù)，并顯示報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊報(bào)警數(shù)據(jù)可自動(dòng)定位到設(shè)備上，從而快速查詢系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)在報(bào)警系統(tǒng)上顯示醒目的預(yù)警標(biāo)志。

4）設(shè)備信息可視化管理功能。采用三維數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)維模式，完成各種獨(dú)立設(shè)備及附屬設(shè)備的三維搭建，能夠迅速查找、確定目標(biāo)裝置，方便檢索設(shè)備數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)和相關(guān)操作手冊(cè)，運(yùn)維員工無須頻繁出入車間就能清晰了解車間設(shè)備的運(yùn)行情況。數(shù)字孿生整體界面如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生整體界面

3.6 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)分析的總體原則是充分挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，輔助運(yùn)營(yíng)決策。分析報(bào)表包括計(jì)劃執(zhí)行情況、訂單生產(chǎn)進(jìn)度、在制品統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)信息、設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息、生產(chǎn)異常信息等，并應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及管理需要進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化和更新。

平臺(tái)的功能包含建立三維數(shù)字孿生工廠三維情景，通過三維現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)景視點(diǎn)控制、特定路徑查詢、對(duì)象位置和三維交互查詢、設(shè)備定位等功能。

3.7 與其他系統(tǒng)之間的融合

根據(jù)車間生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行疏理和優(yōu)化，通過流程與其他上位系統(tǒng)融合在一起，基于流程在系統(tǒng)之間的“進(jìn)”和“出”來設(shè)計(jì)系統(tǒng)間的接口、使得各系統(tǒng)之間有機(jī)、密切的融合在一起，讓系統(tǒng)互動(dòng)起來、在功能上起到互為增補(bǔ)的作用。實(shí)現(xiàn)整體資源有效利用、充分整合，不浪費(fèi)資源、閑置資源，業(yè)務(wù)流程暢通無阻、提高整體生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生數(shù)字化工廠系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)應(yīng)用的全流程管理，從產(chǎn)線部署之前的預(yù)期行為到生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生可視化，更好地實(shí)現(xiàn)制造車間現(xiàn)場(chǎng)全流程全要素的自感知，提升生產(chǎn)質(zhì)量、效率和資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)水平，賦能企業(yè)提質(zhì)增效。