基于數字孿生的商標紙供給管理系統研究

［關鍵詞］數字孿生；管理系統；智能化；工業物流

［中圖分類號］TP399 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0079–03

目前，數字孿生概念正活躍在智能工廠建設的視野中。陶飛等[1] 分析了國內外對數字孿生的應用現狀，以及數字孿生在裝配環節、工業制造、工廠內外物流等場景下的應用。陶飛等[2] 提出了一種虛實結合、數據驅動的數字孿生車間概念，為數字孿生智能管理系統的開發提供了理論依據。

1商標紙供給系統介紹

商標紙供給系統是由機械手抓取堆垛上的商標紙等物料，放至輸送小車RGV（有軌制導小車）上，通過提升機、輸送線體送至物料接收設備，物料接收裝置對物料進行一系列處理操作后，將處理后的物料送至機臺，供機臺生產使用。堆垛來源為輔料庫，本系統調用輔料庫WMS（倉庫管理系統）的取空托盤和叫料接口，AGV（自動導向輸送車）取走空托盤，并運送滿托盤至機械手抓取位置。該系統包含兩臺機械手、12個供機械手抓取的托盤點及8 臺物料接收設備。

2基于數字孿生的商標紙供給管理系統架構

將數字孿生模型分為物理實體、虛擬實體、服務、孿生數據和連接5部分，即數字孿生5維模型的概念[3]，以數字孿生5 維模型為理論依據，設計并實現了基于數字孿生的商標紙供給管理系統，文章結合工廠實際情況，將本系統劃分為物理層、虛擬層、孿生數據和應用層，系統架構如圖1所示。在實現物料管理、任務記錄、生產追溯、數據采集等功能的基礎上，實現數字孿生功能，通過數字孿生可視化界面，實時展示現場設備的運行狀況，并在數字孿生基礎上，實現反向控制功能，即通過操作可視化界面中的虛擬模型，在確保設備安全運行的前提下，反向控制現場設備的運行。

2.1物理層

物理層指物理世界中商標紙供給系統的節點設備集合，包括機械手、物料堆垛、提升機、輸送線體、RGV、AGV、物料接收設備等實體設備。

2.2虛擬層

根據商標紙供給系統的設計圖紙、設備動作邏輯進行虛擬層的搭建。利用三維建模軟件，對商標紙供給系統包含的實體設備進行1∶1 建模。結合采集到的孿生數據與設備動作邏輯，完成物理層到虛擬層的映射，更加直觀立體地展現各實體設備的運行狀況。

2.3孿生數據

孿生數據是數字孿生模型中虛擬實體映射物理實體的驅動，在本系統中包括物理層商標紙供給系統各節點設備的運行數據、虛擬層中虛擬模型對實體設備的反向控制數據、商標紙供給系統的生產數據、外部系統對本系統的接口數據等。本系統對讀取到的各項數據處理、分析、匯總后，保存到數據庫中，供應用層數字孿生模塊和其余功能模塊讀取使用。

2.4應用層

應用層包含數字孿生可視化模塊及物料管理、任務記錄、生產追溯、數據采集等功能模塊。三維虛擬場景實時模擬現場設備的運行狀況，任務記錄、生產追溯功能模塊記錄并分析設備運行過程中的歷史輸送任務、生產記錄，通過實時仿真與歷史記錄結合，便于生產人員、管理人員全生命周期的掌握設備生產狀況，對生產過程中的狀況進行快速響應，更及時地優化生產決策。

3系統功能

3.1生產物料管理

商標紙供給系統包含12 個托盤點位，其中兩個托盤點位存放堆垛上物料層與層之間的隔板紙，其余10 個點位最多可放置10 種承載不同物料的托盤，同時本系統又對接多個物料接收設備。生產物料管理功能負責管理10 個托盤點位存放的物料種類，以及物料接收設備接收的物料種類。生產物料管理模塊對接調度系統，將各托盤點位存放的物料種類、物料接收裝置接收的物料種類發至調度系統，由調度系統將托盤點與物料接收裝置進行匹配，接收到物料接收裝置的叫料信號后，調度系統內物理資源，運送物料至物料接收裝置。

3.2任務記錄

任務記錄模塊記錄商標紙供給系統中每一臺設備執行過的任務編號、任務種類、起始地、目的地、任務發生時間等信息，包含機械手的抓取任務、RGV的送料任務、AGV 取空托盤、AGV送滿托盤任務等。通過對商標紙供給系統中發生的各種任務進行記錄，分析商標紙供給系統中各任務執行設備的工作時間、空閑時間占總時間的比例，提高各執行設備利用率，優化車間生產節奏，最大程度上加快車間生產效率，降低設備成本。

3.3生產追溯

生產追溯模塊負責保存任務記錄模塊中記錄的每一條任務的執行細節。對生產過程中的每一個環節進行詳細記錄，記錄物料來源、運輸、去向等，實現對物料的全生命周期追溯，方便生產者、管理者掌握生產狀況，為車間生產過程的優化提供數據支撐。

3.4數據采集

數據采集包括設備狀態采集、生產信息采集等。設備狀態采集全方位、全覆蓋的采集商標紙供給系統內各設備的實時運行數據，通過接口發送給數字孿生模塊，供數字孿生模塊使用，實時展示設備運行動作，對設備實時運行數據進行分析，捕捉設備異常狀態，減少設備故障停機時間。生產信息采集負責采集商標紙供給系統的各項生產數據，包括機械手的抓取任務、RGV 的輸送任務、與輔料庫WMS 的交互記錄、物料接收裝置接收的物料記錄等。對采集到的各項數據進行統一標準化處理，保存到數據庫中。對采集到的設備狀態信息，記錄每一次異常狀態，便于維修人員發現問題、定位問題。對采集到的生產信息進行統計，對統計的生產信息，調用本系統報表模塊，生成生產信息報表。

3.5數據接口

數據接口模塊包含本系統后端與PLC 之間的接口、后端與數字孿生可視化界面的接口、本系統與外部系統（工廠MES 系統、輔料庫WMS 系統）之間的接口。通過對上述接口的實現，打破物理層與虛擬層之間的壁壘，建立與外部系統的連接，數據流完成閉環。同時讀取到的各項數據經過處理后，保存到數據庫中，便于操作人員時刻掌握生產狀況。

3.6數字孿生

數字孿生模塊采用數字孿生技術，虛擬模型消費孿生數據，實時還原現場物理設備的運行動作，實時跟蹤生產任務的執行過程，完成對現實設備的映射，使設備操作人員對設備的監控、使用、管理不再受空間及復雜的現場狀況所限。

3.7集中控制

本系統集成商標紙供給系統各節點設備的控制，如啟動、急停等操作，在保證設備及人員的安全下，最大程度地方便設備操作人員控制設備及掌握現場生產狀況。

3.8故障管理

數字孿生可視化模塊實時監測系統運行情況，當設備發生故障時，精準定位故障位置，在數字孿生可視化界面模型上精準定位故障位置，并第一時間發送故障詳情郵件至操作人員、維修人員郵箱。數字孿生可視化界面模型的故障表現形式為：在與物理設備故障位置相對應的虛擬模型位置進行閃爍，以警示操作人員和維修人員，更加直觀地幫助相關人員第一時間精準定位問題。在故障確認并處理完成后，本系統要求維修人員登記針對本次故障維修的細節，以便于在下次出現相同故障時，向維修人員提供維修指導。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，減少設備故障停機時間。

3.9維保管理

本系統實時記錄各物理設備運行時間、執行任務次數，對比預設的各設備最佳總運行時長，當設備運行時間或執行任務次數累積到一定數量后，待維保位置在數字孿生可視化界面模型上的相應模型閃爍黃色時，發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進行維護保養工作。系統儲存商標紙供給系統設備臺賬，依賴數字孿生可視化界面、郵件功能和系統采集到的孿生數據，實現維保管理功能。維保功能可延長設備使用壽命，減少設備故障停機次數。

4系統實現

基于數字孿生的商標紙供給管理系統采用B/S架構，實現本系統使用的技術棧包括three.js、Vue、Java、Spring" Boot、OPC UA 協議、WebSocket 協議、Web API 技術、SQL Server 數據庫。實現步驟如圖2所示。

4.1模型搭建

根據現場物理設備CAD 布局圖、各物理設備模型圖，使用三維建模軟件進行場景的搭建，根據設備布局圖及現場實際情況，1∶1 還原現場狀況。完成模型的搭建后，結合物理設備運行動作，刪除不必要的面、模型，優化模型層級關系，減小模型體積。參考現場物理設備的材質、光澤，對精簡后的模型進行渲染處理，賦予模型材質，使模型視覺效果更加真實自然。模型渲染后，導出.FBX 或.OBJ 等格式，供數字孿生功能使用。

4.2數據讀取

OPC UA（開放性生產控制和統一架構）是一種在工業自動化領域被廣泛應用的通信協議，采用客戶端/ 服務器架構，使用發布/ 訂閱模式進行通信，可以在不同設備和系統之間進行安全的數據傳輸，不局限于設備的類型和種類。本系統利用OPC UA 協議，集結商標紙供給系統中各實體設備的控制器、PLC、傳感器等設備，讀取商標紙供給系統各節點設備的運行參數與生產數據。通過OPC UA 讀取到的數據，保存在SQL Server 數據庫中，其中一部分利用Redis 技術，供數字孿生可視化界面通過WebSocket 消費使用。同時采用Web API 技術對接外部系統（ERP、MES、WMS 等）。

4.3數字孿生功能實現

數字孿生功能采用three.js 實現，three.js 提供的API 可將3D 模型繪制在瀏覽器上。

4.4管理功能實現

本系統前端使用Vue 框架實現，后端通過Java、Spring Boot 框架實現。

5結束語

通過運用數字孿生技術，實現了基于數字孿生的商標紙供給管理系統，提升了商標紙供給系統的智能化水平。以數字孿生模塊為核心，實現生產監控、生產管理、物料管理、設備管理等功能，實時還原現場設備運行狀態，實時監控設備生產情況，使操作人員對設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備，幫助管理人員管理生產過程、優化生產決策，提高車間生產效率。