數據驅動的生產線數字孿生系統構建與應用*

黃涵鈺 毛柯夫 苑明海 鄭 良 裴鳳雀

（①河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；②常州市智能制造技術與裝備重點實驗室，江蘇 常州 213022）

近年來，隨著物聯網、人工智能等先進技術在制造領域的融合發展，促成了新一輪的工業革命，智能制造成為制造業發展主要方向[1-2]。傳統的數字化生產線具有現場調試周期長，物理生產線實體與虛擬三維模型之間的交互能力較差，可視化能力差，現場狀態監控成本高，數據傳輸能力較弱，生產數據不同步等問題，難以實現生產線信息實時可視化和遠程管理。近年來，隨著數字孿生（digital twin）的使用，打破了阻礙物理空間與信息空間交互的屏障，為實現生產線數字化、智能化、網絡化提供了技術支持[3]。

數字孿生技術作為實現物理實體與虛擬空間交互的重要解決途徑之一，被國內外相關研究人員廣泛關注，陶飛等人首次提出了數字孿生車間（digital twin workshop），闡述了該系統的組成、特點、運行機制以及關鍵技術等[1,4]。西門子公司提出了“數字雙胞胎”的概念，為制造企業提供一整套從產品設計到生產加工的全生命周期的系統模型[5]。在對數字孿生系統的構建與應用方面，Deac G C 等人開發了基于工廠數字孿生的協同虛擬現實應用程序，作為監控大數據的界面，并將虛擬機的運動與真實機器同步[6]。Aheleroff S 等人開發了數字孿生參考架構，并將其應用于工業案例，以確定合適的工業4.0 技術[7]。魏一雄等人搭建了高保真映射的數字孿生車間仿真環境，采用基于開放性生產控制和統一架構（open platform communications unified architecture，OPC UA）服務器的數據采集方式，實現對物理實體實時鏡像[3]。郭磊等人運用OPC UA 通信實現數據采集，搭建Restful 服務器以JSON 數據串的形式將數據發送到數字孿生車間系統[8]。仇曉黎等人運用Open Inventor 軟件，通過映射物理對象的約束關系、運動方式等規律，來提高孿生模型的保真度[9]。蔣志超等人運用Process Simulate（PS）軟件建立了超級電容模組檢測線虛擬調試模塊，實現了可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）程序與機器人程序在運用到實體設備前的調試與優化[10]。

結合數字孿生技術，以數據驅動為基礎，本文提出了一種生產線數字孿生系統，運用PS 和TIA Portal 軟件構建生產線數字孿生模型以及控制系統，根據系統通信架構和數據采集架構，利用OPC UA和Modbus 通信技術對底層生產線設備實時數據進行讀取，并驅動生產線數字孿生模型的同步運動，從而實現虛擬生產線對物理生產線的實時映射。

1 生產線數字孿生系統的構建

根據數字孿生五維模型的概念[11-12]，生產線數字孿生系統如圖1 所示，以物理生產線、虛擬生產線、生產線服務系統為基礎，以生產線孿生數據為驅動，以工業互聯技術實現信息交互。與傳統的生產線相比，生產線數字孿生系統具有高保真度仿真和虛擬調試[13-15]的能力，實現在脫離現場的實際設備和運行環境的情況下，對生產線數字孿生模型與控制系統進行聯通調試[16]，降低現場調試的工作量和返工的風險；通過實時數據采集技術，對物理生產線底層數據實時采集，驅動虛擬生產線實時映射，進而實現生產線三維可視化，實時監測生產線運行情況，從而提高企業的經濟效益，較好解決工程中的實際問題。

圖1 數字孿生生產線系統成部分

1.1 生產線數字孿生系統架構

生產線的數字孿生系統架構可分為三層：物理實體層、數字孿生層和應用服務層，具體架構圖如圖2 所示。

圖2 生產線數字孿生系統架構

（1）物理實體層為車間生產線提供基本的生產條件，包括制造資源和資源感知，制造資源主要包含設備、軟件、人員和物料等生產資源；資源感知主要負責設備接口與通訊協議的制定，對數據進行采集，并將采集到的數據進行清洗，最后把數據發送至數字孿生層，實現物理生產線向虛擬生產線的實時映射。

（2）數字孿生層是智能化生產線的核心部分，主要包括數字孿生模型層和數字孿生系統支撐層。首先，系統支撐層接收從物理車間中采集到的數據，對清洗后的數據進行協議轉換，并對數據進行融合，存儲在數據庫中，驅動虛擬生產線的生產過程；然后，虛擬生產線產生的數據和用戶層發送的數據又實時反饋到物理生產線中，指導物理生產線生產。

（3）應用服務層是服務的終端層，提供仿真、虛擬調試、可視化等功能。用戶通過界面操作指令，指導虛擬生產線生產，從而完成對物理生產線的管控，最終實現虛實生產線制造過程的實時映射和產品全制造智能化、透明化管控，提高生產線數字化管理水平。

1.2 虛擬生產線數字孿生模型的構建

生產線數字孿生模型的物理部分通過創建數字化三維模型體現，建模技術可以根據生產產品、加工設備與工藝和生產環境等，在計算機虛擬環境中對生產全過程進行設計，三維模型可以直觀體現孿生模型物理部分的結構形狀和空間位置[17-18]。

根據生產線數字孿生系統架構，虛擬生產線數字孿生模型（DTMvpl）主要包括設備幾何模型（GMequip）、行為模型（BehaviorM）、通信接口（CInterface）：

其中：行為模型（BehaviorM）主要包括約束關系（BindingR）、運動形態（MPatterns）、空間關系（SpatialR）。

設備幾何模型（GMequip）即三維CAD 模型，是構建數字孿生模型的前提條件，要求反映實際物理生產線中各類設備的幾何信息和拓撲信息，并將各類信息圖紙化。行為模型（BehaviorM）要求表達物理實體設備間的約束、裝配和空間關系以及設備實時運行情況，根據需求設置可運動設備模型的運動學編輯器，創建內部邏輯塊，添加運動副，定義抓手、夾具等設備的姿態和機器人的動作，并設置觸發動作開始的驅動信號等。通信接口（Cinterface）是實現孿生數據信息交互的橋梁，從PLC 中獲取的大量驅動信號與傳感器實時數據將通過通信接口傳輸給孿生模型，孿生模型與PLC 通過圖3 的信號完成數據交換。

圖3 Process Simulate 與PLC 信號關系圖

1.3 系統通訊架構

在生產線數字孿生系統中，數據通信網絡是實現數據驅動的基礎，打破了物理實體與虛擬空間信息交互的壁壘。本文提出了一種基于數字孿生的數據通信網絡架構圖，如圖4 所示。

圖4 數據通信網絡架構圖

數據通信網絡架構主要分為兩個部分：數據源和數字孿生系統。數據源中的實際生產線設備與型號為S7-1500的PLC （S7-1500 PLC）基于以太網TCP/IP 的Modbus 協議進行信息交互，Modbus/TCP 有RS485 和以太網接口。S7-1500 PLC 與數字孿生模型之間通過OPC UA 建立通信連接。OPC UA 服務器集成在S7-1500 PLC 上，與實際物理設備間采用以太網相連，OPC UA 客戶端集成于虛擬空間PS之上，與服務器建立可靠的連接，OPC UA 客戶端可訪問服務器節點變量，并進行對該變量的讀取、寫入，實時獲取服務器中的信號數據，這些信號數據驅動數字孿生空間中的虛擬生產線模型對物理生產線進行實時映射。

1.4 系統數據采集架構

生產線數字孿生系統要求從底層實際物理生產線中實時采集數據。在RS485 通信網絡中，物理實體設備之間可以實現以一主多從的方式進行數據通信，即一個主站（master）可以訪問多個從站（slave）。

本文構建了數據采集框架圖，如圖5 所示，Modbus 串口服務器是RS485 通信網絡中的主站，作為從站的設備可以是多個，例如從站1 選用生產線現場的溫濕度傳感器和從站2 選用匯川H2U PLC。主站設備和從站設備之間采用應答式機制，通過傳送Modbus 數據幀實現數據交互，主站設備主動發送設備請求數據幀給所有從站設備，所有從站設備都會收到指令，但只有指令地址相同的從站設備會執行指令并返回響應數據幀給主站設備。

圖5 數據采集框架圖

2 實例搭建與應用

本文選取的生產線為一個端面銑產線，包括3個自由度機器人、2 個零件儲存架、傳送裝置、自動導引運輸車（automated guided vehicle ，AGV）、工作臺、托盤、三爪卡盤、銑刀、抓手和其他輔助設備等。

本章以此生產線為例，詳細闡述了生產線數字孿生生產線系統的構建過程，并對實例進行虛擬調試與應用。

2.1 基于Process Simulate 數字孿生模型重構

根據實際生產線設備，運用SolidWorks 對設備三維建模，結合現場測量所得的布局數據，運用PS 軟件進行整體裝配與布局，整體布局主要分為儲存區、運輸區和加工區3 個基本區域，重新定義與分類設備模型，設置可運動設備模型的運動學編輯器，創建內部邏輯塊，添加運動副，并設置限位參數，定義抓手、夾具等設備的姿態，具體示意圖如圖6 所示。定義機器人的動作，對機械臂的運動路徑進行規劃，并設置觸發動作開始的驅動信號及信號類型，圖7 以i5_r1 機器人抓取托盤tray1_1 出庫為例，給出路徑、過程圖和對應的信號定義。

圖6 數字孿生模型重構

圖7 tray1_1 出入庫路徑規劃

2.2 基于Process Simulate 數字孿生模型重構

硬件組態是控制系統搭建的基礎，即選用合適型號的硬件設備并對設備的參數進行配置。在TIA Portal 選用1511T-1PN CPU，S7-1500 系列的PLC 支持高效組態。人機界面（human machine interface，HMI）選用型號為KTP700 Basic PN 的7 寸玻璃基板顯示屏，硬件設備組態如圖8 所示。

圖8 硬件設備組態圖

HMI 是數字孿生的生產線模型與用戶之間信息交互的媒介。使用者能夠在如圖9 所示的HMI 界面中直接讀出信息，通過界面上設置的按鈕，操控實際生產線及虛擬生產線的各個動作。

圖9 HMI 界面圖

本文采用模塊式程序編寫方法，運用梯形邏輯LAD 語言，創建了數字孿生系統電氣控制程序，程序主要分為3 個模塊：自動運行模式、手動運行模式和手動上下料模式。

2.3 物理實體通信與數據采集

根據在TIA Portal 中建立的組態關系，上位機（PC）、PLC_1、HMI_1、PS 等均與以太網交換機連接，系統設備連接如圖10 所示。PC 端與物理實體設備應處于同一網段，按照表1 所示的參數，通過PC 端給物理實體設備分配IP 地址、子網掩碼和MAC 地址。Modbus 串口服務器的IP 地址設置為192.168.3.253，處于同一網段，OPC UA 服務器的地址為“opc.tcp://192.168.3.200:4840”，集成OPC UA 客戶端的虛擬空間可根據此地址與服務器創建連接。

表1 數字孿生系統設備在線表

圖10 設備連接圖

本文選用的信息傳輸協議和技術為OPC UA 和Modbus，可以有效減少信息傳遞過程中的失真和誤差，確保數據的可靠傳輸。

本文采用的數據采集傳輸速率為9 600 bps。這一指標通常用于衡量數據傳輸的速度和效率，尤其適用于串行通信。選擇合適的比特率可以在數據采集過程中平衡采集速度和傳輸效率的需求。同時，通過更新和升級硬件設備，優化python 讀寫代碼，優化算法和數據結構的選擇，避免不必要的循環和遞歸，減少內存占用和計算量，以提高程序的執行效率。最終，將信息傳遞周期維持在200 ms 以下，降低通信延遲，提高系統響應實時性。

2.4 虛擬調試

虛擬調試的通信媒介是建立在S7-PLCSIM Advanced V3.0 創建的虛擬PLC 之上，選用PLCSIM Virtual Ethernet Adapter 的連接方式，IP 地址為192.168.0.1，子網掩碼為255.255.255.0。

追蹤TIA Portal 每一條程序段與PS 中數字孿生模型的動作和信號面板中各個信號狀態是否匹配，如圖11 所示，正在進行抓起tray1_1 上的一號位零件，放到處于open 狀態的夾具上，右邊TIA Portal的顯示該動作驅動的程序段接通，左邊的上下料機器人模型正在進行此動作，從PS 的信號面板上顯示此動作信號已接通。

圖11 自動模式下某一動作調試圖

2.5 應用于實際生產線設備

本文選取的生產線為一個端面銑生產線，生產線具體加工流程為：（1）出入庫拾放機器人從儲存區將待加工零件抓取至運輸區。（2）傳送裝置與AGV 將待加工零件運輸至加工區。（3）上下料機器人將待加工零件抓取至三爪卡盤上。（4）端面銑機器人開始加工，加工結束后上下料機器人進行下料操作。（5）由傳送裝置與AGV 將已加工零件運輸至儲存區。（6）出入庫拾放機器人將已加工零件放入零件儲存架。

如圖12 所示的是虛擬生產線數字孿生模型的同步過程圖，在圖12a 情況下，數字孿生模型正在進行對tray1_1 的動作，待加工零件儲存架1_1 儲存倉是空倉，出入庫拾放機器人處于運行狀態，AGV 小車處于儲存區；在圖12b 情況下，數字孿生模型正在進行對tray1_1 四號位零件加工的動作，待加工零件儲存架1_1 和1_2 儲存倉是空倉，面銑機器人處于運行狀態，AGV 小車處于加工區；在圖12c 情況下，以數字孿生生產線模型對實際生產現場儲物架實時映射為例，當操作人員按該情況對未加工零件儲存架擺放物料時，數字孿生系統會接收到儲存倉內傳感器的數據，使得數字孿生模型做出相應動作。在3D 儲存倉狀態頁面，可以讀取實時實際生產線生產現場環境的溫度與濕度數值。與此同時，通過運行數據采集的python 程序，完成對OPC UA 服務器訪問，采集各類信號實時狀態數據，并儲存在相應的數據庫中。

圖12 數字孿生模型同步圖

采用數字孿生方法后，對生產線進行了全面的實時監測與映射。這種方法使得生產線的整個加工流程得以精準而高效地模擬和監控。通過數字孿生模型，生產線的各項動作和狀態得以實時記錄和反映，包括零件的抓取、運輸、加工、上下料和儲存等關鍵環節。在圖12a 和圖12b 情況下，數字孿生模型清晰地展示了待加工零件儲存架和機器人的運行狀態，為運輸和加工階段的實時監控提供了可靠的基礎。在圖12c 情況下，數字孿生系統能夠實時響應實際生產現場的操作，從而在生產過程中保持數據的同步性和準確性。此外，通過數字孿生方法，可以實時獲取生產現場環境的溫度與濕度等關鍵數據，為生產過程的環境監測提供了重要支持。綜上所述，數字孿生方法使得生產線的實時監測和數據采集變得更加精準和可靠，為生產線的智能化管理和優化提供了有力的技術支持。

3 結語

在全球信息技術快速發展的背景下，傳統意義上的生產線構建過程受到巨大沖擊，數字孿生作為實現物理生產線與虛擬生產線相互交融的重要途徑，成為大勢所趨。本文完成了數據驅動的生產線數字孿生系統的構建，提出了一種生產線數字孿生系統架構，基于此架構構建了基于數字孿生的生產線模型與控制系統。利用OPC UA 和Modbus 通信技術，進行了基于數據驅動的生產線數字孿生系統實時數據通信網絡和數據采集框架的構建，基于此對數字孿生系統物理實體設備進行連接，搭建實例驗證平臺，實現了物理生產線對虛擬模型的實時驅動，驗證數據驅動的生產線數字孿生系統構建的可行性。