機組式凹印機可視化監控平臺的研究與開發

程倩，侯和平*，李征，劉善慧，徐卓飛，孫玉香，尹津宇

機組式凹印機可視化監控平臺的研究與開發

程倩1，侯和平1*，李征2，劉善慧1，徐卓飛1，孫玉香1，尹津宇1

（1.西安理工大學 印刷包裝與數字媒體學院，西安 710054； 2.陜西北人印刷機械有限責任公司，陜西 渭南 714000）

為解決凹版印刷生產過程中監控系統功能單一、可視化程度低、信息利用率低等問題，構建一種基于數字孿生的監控系統四層架構模型。通過SolidWorks、3DS Max、Unity 3D三維建模軟件搭建凹印機虛擬場景，基于Modbus TCP/IP協議采集設備的實時數據，使用SQL Server數據庫對設備數據分類存儲，并結合凹印機虛實映射邏輯結構，編寫C#腳本實現物理實體與虛擬模型間的同步映射，完成監控系統的開發。該監控平臺實現了凹印機的虛實同步運行、狀態監控、套準偏差監控和健康管理等功能，為印刷企業智能化運維提供了可行方案。與傳統印刷裝備監控相比，基于數字孿生的監控系統突破了時間、空間、投入成本等條件的限制，操作者可實時掌握凹印機的生產信息、運行狀態、歷史信息等，極大地提高了設備穩定生產的效率，降低了企業的成本。

數字孿生；監控系統；實時數據；凹印機

凹版印刷作為印刷行業主要印刷方式之一，被廣泛用于煙包、化妝品包裝、藥品包裝、裝飾材料印刷等領域。機組式凹印機是凹版印刷中的主要設備，在我國印刷裝備中占有很大市場。受創新能力和經濟發展的制約，印刷裝備發展基礎薄弱，其數字化水平一直很低。隨著新一代信息技術在設備制造行業的發展與應用，印刷裝備亟須充分融合先進技術，實現印刷裝備的數字化、信息化、智能化轉型升級。

裝備的運維與管控是印刷生產中的重要環節，也是實現裝備數字化升級的關鍵過程。國內外學者在相關研究中也取得一些成果，日本小森公司推出KP-Connect云平臺，可隨時查看印刷機的運轉信息[1]。德國海德堡的“印通”平臺，可使印刷企業對作業全流程進行實時監控與跟蹤[2]。德國曼羅蘭公司通過Rift虛擬現實技術，使客戶可以實時掌握印刷機印刷活件的信息[3]。在國內，許倩[4]基于云平臺設計印刷設備遠程監控系統，管理人員可通過監控界面高效管理印刷設備。東方精工聯合Fosber集團研發出PRO系列智能化生產管理系統，可實時掌握瓦楞紙板的生產情況[5]。安徽新華印刷公司建設的智能工廠，實現對生產訂單狀態數據、設備狀態數據等實時管控[6]。印刷裝備智能化運維已取得一些成果，但仍存在著問題：系統功能單一，導致客戶體驗感較差，無法實現高質量運維；設備數據自動采集與聯網程度較低，導致信息化孤島問題；運維平臺開發成本高、兼容性低，無法保證運維效率和運營靈活性。

數字孿生的出現與應用成為實現智能制造的關鍵技術之一，也為實現設備的智能化運維提供新的契機。數字孿生被廣泛應用于生產車間[7-9]、機器人[10-11]、復雜設備[12]、能源[13]、醫療[14]、航空[15-16]等領域，但物理實體與虛擬模型間的實時映射成為實現數字孿生設備的核心問題。Luo等[17]研究了數控機床的數字孿生多領域建模方法，并分析了物理空間與信息空間的映射策略，有效改善了數控機床的運行模式。趙浩然等[18]構建車間層次化映射規則，并通過實時數據驅動虛擬模型實現車間設備的同步運行。李莎莎等[19]根據斷路器生產車間的特點，構建車間遞進式Petri網模型，并結合模型結構分析、物理引擎開發、系統平臺優化等方法，實現了物理車間設備與孿生車間的實時融合與同步。多數研究通過實時數據直接驅動虛擬模型實現虛實映射[20-22]，缺少系統的數字孿生虛實映射方案，因此無法滿足機組式凹印機因其內部運行機理復雜、組成結構復雜等情況下進行實時狀態監測及運維管控的需求。

針對以上問題，借鑒數字孿生在其他領域的應用思路，本文將數字孿生技術應用于凹印機實時監控與智能管控中，通過構建凹印機的虛擬模型，基于Modbus TCP/IP協議的以太網通信獲取設備實時數據，并建立數據管理模型實現對數據的存儲；基于C#腳本事件驅動實現凹印機虛實映射，并通過Unity 3D引擎開發凹印機三維可視化監控平臺，實現對凹印機的運行狀態監控、關鍵部位監控、設備健康管理、套色偏差監控等功能，使設備生產過程更加透明高效。

1 數字孿生凹印機監控系統架構設計

數字孿生凹印機通過獲取設備生產過程中的實時信息，通過數據驅動技術實現設備運行狀態可視化和信息可視化，將結構復雜、行為邏輯復雜和運行狀態不可見的設備清晰地展示給用戶，便于設備用戶充分掌握設備性能、運行狀態、生產任務和產品質量等，更好地實現智能化運維與管控。本文依據數字孿生五維模型[23]，提出數字孿生凹印機監控系統4層架構，分別為凹印機實體、數據信息層、虛擬空間層和應用服務層，如圖1所示。

1）凹印機實體。機組式凹印機由收放卷單元、收放卷牽引裝置、印刷單元、干燥裝置和控制系統等主要部分組成，收放料料卷、收放卷牽引輥分別由各自電機驅動，印刷單元的版輥通過主電機經過機械傳動來驅動，該機組式凹印機也配備張力自動控制系統和套準自動控制系統，設備可以實現自動張力控制、套準偏差調節、收放卷自動裁切、網絡互聯等功能。

2）數據信息層。數據信息主要有狀態數據、驅動數據和動作信號3類，狀態數據主要反映設備的內部狀態，包括故障狀態信息、運行狀態信息、生產狀態信息，如電機溫度、負載、收放卷張力等。驅動數據主要反映設備的運轉速度、刮刀位置及擺輥位置，如線速度、刮刀角度等。動作信號用來描述設備當前動作，如機器啟動、聯動動作等。數據信息層是實現虛實映射、設備可視化監控、設備健康管理等應用的基礎。

3）虛擬空間層。虛擬空間包括虛擬模型及其所處場景。虛擬模型真實描述凹印機實體的幾何參數與關系，實現對凹印機實體幾何層面的全面描述。為實現虛實之間的動態映射，虛擬空間具備信息自感知能力，可以實時感知數據信息的動態變化，以實現虛實同步。虛擬空間也具備數據統計分析能力，可對設備實時數據進行分析與處理，實現對設備印刷過程的優化管控。

圖1 數字孿生監控系統4層架構

4）應用服務層。應用服務主要包括：三維可視化監控，在三維場景中對設備的運行狀態進行實時顯示與動態映射，并為用戶提供沉浸式體驗感；設備狀態監控，通過設計多種顯示方式向用戶展示設備生產信息與狀態信息，如彈窗展示、圖表顯示等；設備健康管理，實時監控設備的故障信息，記錄故障發生的時間與狀態，監控設備關鍵部位的健康狀況，為設備維修維護提供指導。

2 虛擬場景搭建

構建虛擬場景流程分為幾何建模、模型處理和場景搭建等3步。

幾何建模的工作主要在SolidWorks中完成，首先繪制單個零件模型，根據配合約束關系對零件進行組裝，得到物理實體的幾何模型。模型處理在3DS Max中完成，設置材質球的參數完成對幾何模型的材質渲染，并對部分模型進行重構與減面操作，在保持模型形狀不變的情況下盡可能減少組成模型的多邊形數量，優化前多邊形數量為1 698 602個，優化后的多邊形數量為1 356 078個。使用Unity 3D搭建虛擬場景，可通過C#或JavaScript等高級語言實現系統功能。場景搭建的主要過程：將處理后的三維模型以.fbx格式導入Unity 3D中，修改天空盒、材質等參數，使得虛擬場景高度近似于真實場景；為部分模型添加碰撞組件，并綁定C#腳本，實現人機交互功能；為主相機綁定C#腳本，實現場景漫游功能；為實現物理實體與虛擬模型之間的實時映射，為虛擬場景中各個模型設置“父子”關系。

3 基于Modbus TCP/IP的設備實時數據采集

實時數據是實現物理實體與虛擬模型實時同步的驅動源，這些數據來自于傳感器、變頻器、控制系統等，具有數據量大、更新頻率高等特點，為數據采集和管理帶來很大困難?；贛odbus TCP/IP的以太網通信作為工業通信中的常用協議，與Modbus串行通信相比，優化了自身的通信速度、通信距離和通信穩定性[24]。因此，本文通過Modbus TCP/IP協議實現設備與PC上位機的連接，獲取設備控制部件的數據。

3.1 數據通信過程分析

如圖2所示為數字孿生監控系統數據傳輸架構，PC上位機與設備HMI人機界面通過以太網接口進行連接，獲取設備在生產過程中的實時數據。在PC機上搭建OPC服務器實現對數據源的整合，通過C#編寫OPC客戶端為用戶提供相應的數據服務，最終對數據進行存儲與管理，數字孿生監控系統從數據庫獲取實時數據。

圖2 數據傳輸架構

3.2 實時數據采集流程

在印刷生產車間，一般通過上位機或服務器來實現與控制系統的通信，從而獲取設備生產過程中的實時數據。數據采集主要流程如下：

1）硬件連接。選擇CAT6網線，將設備人機界面的ETH2網口與PC連接起來，并配置PC機以太網口的IP地址。

2）搭建OPC服務器。通過KEPServerEX搭建OPC服務器，該服務器被配置在一臺PC機上，實現OPC服務器與物理設備間的連接。搭建OPC服務器、組和數據項，選擇數據驅動源為Modbus TCP/IP Ethernet驅動，配置數據采集接口，通過數據通信地址找到設備上的數據源，并支持OPC客戶端對數據的監聽、修改等操作。設備部分實時數據、類型和Modbus通信地址如表1所示。

3）數據庫連接。通過C#編寫OPC客戶端，將實時數據從OPC服務器記錄到SQL Server數據庫中，并將新的數據值、時間戳和質量測量值等發送到數據庫。OPC客戶端開發可使用OPCDAAuto.dll自動化接口來實現。

表1 設備部分實時數據、類型、通信地址

Tab.1 Partial real-time data, type, communication address of equipment

3.3 設備實時數據管理

根據設備虛實映射功能需求，設備生產過程中的數據可以分為驅動數據、動作信號和狀態數據。圍繞這3種類型數據進行數據庫設計，定義數據的類型、標識符、約束等屬性，并建立數據周期性更新維護計劃，從而優化數據庫存儲結構，提高整個監控系統的實時性。數據管理模型見圖3。

4 基于腳本事件驅動的虛實映射實現

物理實體與虛擬模型之間的動態映射是實現設備三維可視化監控的核心，主要表現為設備運行狀態可視化和數據可視化。如圖4所示為腳本事件驅動的虛實映射方案。將所有數據分為運動驅動數據、動作信號和設備狀態信息，設備狀態數據可進一步細分為生產狀態信息、設備故障信息和運行狀態信息。為了充分利用實時數據驅動物理實體與虛擬模型間的同步映射，需要編寫C#腳本對不同類型的數據進行邏輯處理。

針對驅動數據，如設備當前速度、自動升降速度、自動加速時間等，可與動作信號結合，通過C#腳本事件定義虛擬模型在感知到相應數據后所觸發的行為和動作，并將腳本掛載于對應模型中。當凹印機實體動作發生變化時，數據感知腳本對設備數據信號進行感知與解析，并將數據傳輸至運動驅動腳本中，運動驅動腳本依據相關數據對運動控制變量進行賦值，進而驅動虛擬模型。此類運動驅動腳本包括模型旋轉腳本、自動升速腳本、自動降速腳本等。

針對部分運行狀態信息（如放料報警直徑），在經過腳本對其解析后，傳輸至三維動畫腳本中，三維動畫腳本中定義了凹印機的復雜運動，如回轉架旋轉、放料自動裁切、收料自動裁切等動作，從而驅動模型實現復雜動作映射。針對其他運行狀態信息、生產狀態信息和設備故障信息，通過定義的腳本事件實現相應的功能，如總計長、非合格品計長、停機時間等，在通過數據分析腳本的運算后實現設備的生產統計。在此基礎上完成凹印機印刷過程中的三維可視化監控及運行數據分析，從而進一步實現設備的優化管控與健康維護。

圖3 數據管理模型

圖4 凹印機虛實映射邏輯結構

4.1 運行狀態可視化

運行狀態可視化可理解為在虛擬空間中實現虛擬模型與物理實體之間的動態同步。結合驅動數據與動作信號，通過控制父節點模型的動作實現子節點模型的同步運行，依次傳遞至末端的模型。因此在虛擬空間中，模型驅動有2種形式：將采集到的數據進行運算分析后，直接用于驅動模型；動作信號與簡單的動畫效果結合實現模型驅動。

一種模型驅動方式可由數據直接驅動，如滾筒模型旋轉，可將設備當前速度與動作信號結合起來，驅動滾筒模型實現虛實同步運行。本文滾筒模型的運動主要實現繞自身軸旋轉，此功能通過旋轉函數transform.Rotate(Vector3.right*Time.deltaTime*speed)來實現，編寫腳本文件將該函數寫入Update函數中，并掛載于模型下，實現滾筒模型旋轉。

另一種模型驅動形式通過動畫效果來實現，如當設備進行“放卷自動裁切”，即料卷當前卷徑為250 mm時，設備開始進行“放卷自動裁切”動作，回轉架、切刀大臂、新料卷、接紙壓輥、切刀和切刀大臂共同配合完成換料，在正常印刷時切刀大臂的狀態如圖5所示。當切刀大臂感知到放料報警直徑為250 mm時，切刀準備自動裁切動作，此時切刀大臂的狀態如圖6所示。在換料結束后，切刀大臂的狀態恢復至圖5狀態。

圖5 放料裁切前切刀大臂的狀態

4.2 數據統計與可視化

在數字孿生監控系統中，重點對設備狀態信息進行分析處理，包括對設備運行時長統計、產品合格率分析、設備健康狀況評價等，為用戶進行智能化決策提供數據支持，并實現對設備透明化管理。

在虛擬空間中，數據可視化一般通過圖表來實現，圖表將設備的生產狀態信息清晰直觀地呈現給用戶，創建Canvas畫布以不同方式為用戶展示設備數據。本文的數據可視化方案有彈窗顯示、看板顯示和大屏幕顯示方案3種。信息彈窗可視化針對凹印機重要部分的狀態信息，如烘箱溫度、烘箱風量等，通過鼠標射線點擊來實現，如圖7a所示?？窗屣@示針對設備生產信息，點擊按鈕可以控制看板的顯示時間，在三維可視化監控的任意角度都可觀察到設備的生產信息，如圖7b所示。大屏幕顯示可實現設備張力監控、關鍵部位監控、套準偏差監控和健康管理等功能，使用多種圖表展現設備狀態信息，如圖7c～f所示。通過對設備實時數據的統計分析與可視化，使印刷車間的工作人員能對設備狀態進行及時查看和處理。當設備印刷生產出現故障時，及時向用戶報警并提醒工作人員處理報警信息，從而優化設備生產流程。

圖6 放料裁切時切刀大臂的狀態

圖7 3種數據可視化展示方案

5 結語

本文針對印刷生產監控中的問題，提出一種基于數字孿生的凹印機監控系統架構模型。該模型由凹印機實體、數據信息、虛擬空間和應用服務等4層架構組成，利用SolidWorks、3DS Max三維建模軟件構建高保真模型，在Unity 3D中搭建虛擬場景，并搭建OPC服務器采集設備的實時數據，最終通過編寫C#腳本來實現物理實體與虛擬模型間的動態映射，在此基礎上設計多種圖表，實現對設備生產過程的優化管控。設備用戶可以通過該系統實現設備狀態監控、套準質量監控和設備健康管理等功能，使設備運維管控過程更高效、更安全、更靈活。后續將重點研究設備異常狀態下的信號特征提取方法和故障預測機理，在虛擬空間中實現對凹印機反向控制、運行狀態預測和智能化決策。

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Research and Development of Visual Monitoring Platform for Unit-type Gravure Printing Machine

CHENG Qian1, HOU He-ping1*, LI Zheng2, LIU Shan-hui1, XU Zhuo-fei1, SUN Yu-xiang1, YIN Jin-yu1

(1. Faculty of Printing, Packaging Engineering and Digital Media Technology, Xi'an University of Technology, Xi'an 710054, China; 2. Shaanxi Beiren Printing Machinery Co., Ltd., Shaanxi Weinan 714000, China)

The work aims to construct a four-layer architecture model of monitoring system based on digital twin to solve the problems of single function, low visualization and low information utilization of monitoring systems in gravure printing production. On the visual monitoring platform, a virtual scene of the gravure printing machine was built with SolidWorks, 3DS Max and Unity 3D modeling software. The real-time data of the equipment were collected based on the Modbus TCP/IP protocol. The SQL Server database was used to realize classified storage of equipment data, and the virtual-real mapping logical structure of gravure printing machines was combined to write C# scripts to realize the synchronous mapping between the physical entity and the virtual model. Finally, the monitoring system was developed. The platform realized the functions of virtual-real synchronous operation, condition monitoring, register deviation monitoring and health management of gravure printing machines, which provided a feasible scheme for intelligent operation and maintenance of printing enterprises. Compared with the traditional printing equipment monitoring, the monitoring system based on digital twin breaks through the time, space, input cost and other conditions. Operators can grasp the production information, operation status and historical information of gravure printing machines in real time, which greatly improves the efficiency of stable production of equipment and reduces the cost of enterprises.

digital twin; monitoring system; real-time data; gravure printing machine

TP391.9

A

1001-3563(2023)19-0179-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.023

2023-03-02

國家重點研發計劃資助項目（2019YFB1707200）；陜西省技術創新引導專項資助項目（2020QFY03-05）；陜西省教育廳協同創新中心項目（22JY047）

責任編輯：曾鈺嬋