淺談制造領域數字化雙胞胎應用的四個層次

中國實施制造強國戰略的一項總體結構是，通過信息化和工業化兩化深度融合來引領和帶動整個制造業的發展。提到兩化融合，在工廠層面尤其是汽車行業，自動化已經非常的成熟和完善，但是信息化和數字化相對比較弱。

數字化雙胞胎（Digital Twin）一詞，業界一般認為，是由密西根大學Michael Grieves教授于2002年針對產品全生命周期管理（PLM）提出的一個概念，當初并不叫Digital Twin，而是叫“鏡像空間模型”（Mirrored Space Model， MSM），后來NASA的John Vickers將其命名為“Digital Twin”。

廣義上講，數字化雙胞胎，包含產品的數字化雙胞胎、性能的數字化雙胞胎、工廠的數字化雙胞胎及運營的數字化雙胞胎等多種數字化雙胞胎，立體而又豐富的定義著各種模型。這里把范圍縮小到制造領域，討論一下數字化雙胞胎在制造領域的應用。本文主要討論使用西門子Tecnomatix軟件，利用制造的數字化雙胞胎仿真模型，進行虛擬調試、現場監控、反復迭代和預測維護四個層面的應用。

虛實結合——虛擬調試

制造領域數字化雙胞胎應用的第一個層次是虛擬調試。虛擬調試，按照調試的對象不同，通常可以從宏觀工廠層面到微觀設備控制層面，分為四個層級：工廠級虛擬調試、生產線級虛擬調試、設備級虛擬調試和元器件級虛擬調試。以汽車行業焊裝生產線項目為例，介紹制造領域數字化雙胞胎應用的第一個層次虛實結合的應用。

傳統的制造企業，其生產線設計和工藝規劃，是串行組織的。以汽車生產白車身項目啟動為例，產線供應商接到項目后，需要依次進行工藝設計、工裝設計、機器人仿真、控制程序開發以及集成調試等幾個環節，來驗證生產線設計的可行性。

其中，工裝設計是傳統的機械設計領域，主要由機械工程師執行設計；機器人仿真屬于機器人應用相關的領域，主要由機器人仿真工程師完成機器人路徑規劃，機器人離線編程等相關工作；控制程序開發屬于工廠自動化領域，主要由控制工程師完成可編程控制器（后面簡稱PLC）的編程，以及整個工作單元的邏輯控制工作。設備、機器人、控制往往獨立開展，項目集成調試的時候，同時對設備、機器人、控制等組成的生產線進行驗證。

串行工作，最大的問題是消耗時間，質量可靠性差。往往在集成階段還有數據需要更改，反饋鏈長，更改成本高。

虛擬調試，在計算機環境中搭建和生產線相一致的生產線數字化模型，通過PLC程序控制數字化模型的動作，來真實模擬實際生產線的運行。進行虛擬調試的前提條件是完成整條生產線內的機械設計、機器人仿真、控制程序編制。這就要求不同的工程師之間盡可能地并行工作，以縮短項目周期。虛擬調試可以分為全軟件調試，又稱軟件在環（見圖1）；或者使用部分硬件配合仿真軟件進行生產線調試，又稱硬件在環（見圖2）。

圖1 虛擬調試軟件在環

圖2 虛擬調試硬件在環

例如汽車行業知名生產線制造商柯馬制作的某車身生產線的虛擬調試項目，如圖3所示，左側為實際生產線，右側為仿真環境下數字化模型。在該虛擬調試項目中，使用PLC程序驅動模型在西門子ProcessSimulate仿真軟件中運行整個生產線，驗證PLC邏輯，執行機器人動作、互鎖，檢查機器人軌跡，驗證工位時間，在設備/機器人/PLC交互信號，按照生產線真實的生產模式對產線各個方面進行驗證。虛擬調試技術，集機械、機器人和控制于一體，大大提高了以往控制邏輯可視性差的問題，作為從設計到實際設備安裝調試的一個重要環節，在虛擬環境中驗證整體工藝的可行性，為項目安裝調試奠定了堅實的基礎。如果能夠把虛擬環境中發現的問題，完全整改解決掉，那么在物理設備安裝后，可以直接下載程序到PLC，導入機器人離線程序到機器人，快速啟動生產線，解約大量的生產線集成、啟動的時間。

圖3 虛擬調試與實際生產對比示意

錦上添花——現場監控

如果說虛擬調試是制造領域數字化雙胞胎的基礎，緊密地把辦公室的設計仿真與生產實際結合起來，那么，做完虛擬調試的生產線，把虛擬調試中制作的仿真模型作為過程數據束之高閣，實在是可惜。因此，引入制造領域數字化雙胞胎的第二個層次“現場監控”。

生產線的生產監控可以有許多種類，使用高分辨率照相機對現場進行錄像，就是最簡單的一種現場監控辦法，它使用生產線的數字化雙胞胎仿真模型進行現場監控。

虛擬調試技術，使得我們可以使用PLC硬件控制仿真模型。

在正式生產中，把仿真模型作為真實生產線的數字化雙胞胎，監聽PLC控制信號，作為現場生產的附加回路（見圖4）。結合數據采集技術和計算機的記錄功能，可以把現場生產通過仿真模型記錄下來。不僅可以記錄設備故障，停機停線，而且還可以存儲故障信號，故障代碼等額外的信息。

圖4 使用數字化雙胞胎仿真模型進行現場監控

有了這些數據，通過大數據分析，監控回放，可以深入地研究故障發生的原因，在數字環境中驗證故障解決的辦法。通過仿真模型記錄的現場監控數據，還可以開展新的操作工、維修工的培訓等工作。例如，結合虛擬調試技術，針對監控到的生產線故障實例，培訓維修工在虛擬環境中使用WinCC中的虛擬人機交互界面（HMI）解除故障。

避實就虛——反復迭代

生產線是一筆費用巨大的固定投資，能夠盡可能地重用生產線設備，可以幫助客戶解約大量的資金。因此，焊裝車間非常重視生產線的柔性，希望每條生產線能夠盡可能多地生產不同型號的產品。在前一個產品還在正常生產的時候，同一條生產線引入一個新的產品是風險很高的改造項目。與新項目比，改造項目需要兼顧之前產品的正常生產，還需要對新產品進行生產啟動。以往，改造項目耗時長，風險高，往往需要一段時間的停產來進行新老項目的啟動。也正是因為改造項目的復雜性，主機廠往往希望擁有前一個產品生產線數據的供應商繼續進行改造項目，這也是改造項目的費用較高的原因。

如果主機廠擁有之前產品生產線的全部制造數字化雙胞胎模型，擁有所有的三維工裝設備模型和生產線仿真模型，能夠在虛擬的環境中對新產品，老產品的工藝進行驗證，如圖5所示，那么改造項目的風險將會大大降低，改造項目的費用也會減少，項目啟動的時間會大大縮短。首先，在虛擬的環境中，加載已有生產線的信息，導入更改的工裝設備模型，上傳已有產品機器人的程序，創建新產品工藝對應的機器人路徑機器程序，進行新一輪的虛擬調試，驗證更新過的PLC程序，在仿真模型中，完成生產線引入新產品的所有迭代工作。然后在生產現場，完成安裝新設備后，快速下載新的機器人離線程序到機器人本體，下載控制程序到現場PLC，最后進行生產啟動。

圖5 使用數字化雙胞胎仿真模型進行產品的同步工程

生產線的反復迭代，除了用于引入新產品，驗證新產品對生產線的沖擊，還可以用于在產品開發前期，對產品進行可制造性能分析。對產品進行可制造性能分析，屬于產品同步工程的一部分，在產品設計或者產品更改早期，產品設計工程師開發新產品的同時，制造工程師分析新產品的可制造性和易制造性，能夠有效減少后期的制造投資，提高產品生產質量。制造工程師分析新產品的可制造性和易制造性的一個重要依據，就是虛擬生產線，即生產線的數字化雙胞胎——各種仿真模型。在虛擬的生產線數字化雙胞胎模型中，驗證產品的可制造性易制造性，是成本最低，效率最高，結果最準確的解決方案。

未雨綢繆——預測維護

著名的質量學家愛德華茲·戴明博士說過“檢查太遲了”——品質，無論是好是壞，已經在產品中體現出來了。同理可以認為，故障發生后再去調試設備太遲了，故障已經發生了，最好是對設備能夠進行實時的監控分析，對將要發生的故障進行預防性的維護。

技術上，通過OPC等數據協議，可以實現對生產現場設備的數據采集。采集來的數據，結合故障發生的情況，通過大數據分析，找到數據與故障的關系，就可以進行預防性維護了。其中，生產現場數據量非常大，通常會通過邊緣計算的辦法，對采集來的大量數據進行預處理，快速反饋設備后，然后再把數據打包傳到云上，進行進一步的分析和數據挖掘，對設備可能發生的故障進行預測，從而在設備故障發生前進行維護，減少生產線現場的停機（見圖6）。例如，升降滾床，零件落位沖擊產生的沖擊力會造成設備的損壞，那么可以通過布置在滾床上的震動傳感器數據來監控滾床的運行狀態。

采集的數據，尤其是生產線各種設備的信號，看起來非常不直觀，如果把數據和數字化雙胞胎仿真模型進行關聯匹配，通過數字化雙胞胎的仿真模型來展示可能發生故障的設備、位置，將會大幅提高設備預測維護的可視性。

結語

數字化雙胞胎在制造領域可以發揮巨大的作用，生產線層面，生產線的數字化雙胞胎，在生產線設計、制造、安裝、調試以及使用的各個不同階段，可以發揮不同的作用。高效的利用數字化雙胞胎，挖掘仿真數據的潛能，能夠給生產帶來很多的好處，在制造的不同階段發揮不同的作用，為日常生產、產品迭代保駕護航。