陳偉才,段明皞,張 南,王繼航,劉國強

(1.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司,北京 100120;2.遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院大數(shù)據(jù)研究院,大連 116023;3.浙江昆宇智能科技有限責(zé)任公司,臺州 318000)

0 引言

傳統(tǒng)車間管理以生產(chǎn)計劃為核心,控制底層設(shè)備工作。從底層到頂層分別為:設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、控制層以及應(yīng)用層[1]。設(shè)備層和控制層是支持生產(chǎn)制造的主體,也是現(xiàn)場信息產(chǎn)生的源頭,是實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程管理的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)層采集設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)進度等數(shù)據(jù)。應(yīng)用層對數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)進行分析,管控生產(chǎn)制造過程。傳統(tǒng)的車間管理系統(tǒng)由于缺少生產(chǎn)車間的仿真模型,無法支持生產(chǎn)過程的仿真再現(xiàn)。導(dǎo)致生產(chǎn)過程的可視化程度不高[2-3]。數(shù)字孿生技術(shù)支持生產(chǎn)車間仿真模型與物理車間之間的虛實映射與雙向交互,因此其作為彌補傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)不足的有效方法。

實現(xiàn)數(shù)字孿生車間的理論方法和技術(shù)進行了大量的研究,陶飛等[4]提出數(shù)字孿生車間的運行機制、五維模型以及應(yīng)用領(lǐng)域。其中,數(shù)字孿生的五維模型的結(jié)構(gòu)是指:物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)已經(jīng)各部分之間的連接,其為數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的建設(shè)和開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。在五維模型體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下,實現(xiàn)了面向數(shù)字孿生車間的建模、仿真與應(yīng)用方法,研制了數(shù)字孿生車間建模與仿真系統(tǒng)[5-6],促進了數(shù)字孿生車間在生產(chǎn)過程實時監(jiān)控方面的落地應(yīng)用[7-8]。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上,通過數(shù)字孿生技術(shù),在虛擬空間構(gòu)建物理車間1:1的雙向?qū)崟r映射的三維仿真模型,根據(jù)數(shù)字孿生虛擬車間的實現(xiàn)流程,設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動的車間運行體系,實現(xiàn)數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠更加直觀的反映真實的生產(chǎn)制造過程(設(shè)備的狀態(tài)、訂單的執(zhí)行、物料的消耗等)。同時,對孿生模型的調(diào)試也能夠映射到物理車間設(shè)備上,降低了調(diào)試的風(fēng)險以及時間成本。

1 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理,是在傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上,增加物理實體車間在虛擬空間的真實的、雙向的映射。利用生產(chǎn)制造過程的孿生數(shù)據(jù),驅(qū)動虛擬模型,形成物理實體在虛擬空間的“鏡像”,以此持續(xù)的完善孿生車間的設(shè)備模型,為設(shè)備優(yōu)化及決策提供數(shù)據(jù)支持。

基于數(shù)字孿生的新型車間管理系統(tǒng)在實現(xiàn)傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)下達、訂單執(zhí)行、物料跟蹤等基本功能基礎(chǔ)上,包含孿生虛擬車間對物理車間的真實再現(xiàn)以及反向控制。新型車間管理系統(tǒng)主要分成5個模塊,分別為物理車間、孿生車間、制造執(zhí)行系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)以及三維可視化系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

(1)物理車間。物理車間是數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)的基礎(chǔ),主要包含生產(chǎn)現(xiàn)場實體的集合,包括車間的設(shè)備、物料以及其他的生產(chǎn)資源。車間實體的布局規(guī)劃、設(shè)備幾何尺寸、工藝規(guī)劃、運動特征等是孿生車間三維建模的基礎(chǔ)。

(2)孿生車間。孿生車間是數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)的核心。通過三維建模技術(shù)對車間設(shè)備的靜態(tài)參數(shù)(物理設(shè)備模型)與動態(tài)執(zhí)行邏輯(設(shè)備實時的動作以及機器人實時的位姿數(shù)據(jù)等)進行描述,通過實時傳輸?shù)膶\生數(shù)據(jù)實現(xiàn)物理車間的真實映射。孿生車間逼真的三維可視化效果,更加直觀對車間的生產(chǎn)過程進行實時有效的監(jiān)控。同時,孿生車間依據(jù)收到的物理車間數(shù)據(jù)持續(xù)地完善孿生模型。

(3)制造執(zhí)行系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)是提供孿生車間所需的生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)采集服務(wù)。同時管理生產(chǎn)訂單的執(zhí)行過程、工藝過程以及物料的消耗過程。

(4)孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)運行的驅(qū)動。包含了物理車間、孿生車間、制造執(zhí)行系統(tǒng)及三維可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及融合后的衍生數(shù)據(jù)。

①物理車間數(shù)據(jù):包括物理車間的總體布局、設(shè)備幾何尺寸、零部件從屬關(guān)系等物理屬性數(shù)據(jù)以及實時采集的能夠反映物理車間的運行狀態(tài)、動態(tài)邏輯數(shù)據(jù)。

②孿生車間數(shù)據(jù):包括構(gòu)建孿生車間的三維模型數(shù)據(jù)和孿生車間同步運行的邏輯數(shù)據(jù)。例如反映物理車間的設(shè)備運行機制、約束關(guān)系等相關(guān)數(shù)據(jù)以及驅(qū)動三維模型動作和虛擬仿真數(shù)據(jù)。

③制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù):包括來自企業(yè)ERP系統(tǒng)的訂單數(shù)據(jù)、設(shè)備的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等。

④三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù):包括物理車間以及孿生車間的實時同步數(shù)據(jù)以及關(guān)于生產(chǎn)過程和設(shè)備的其他統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

⑤衍生數(shù)據(jù):包括仿真優(yōu)化決策數(shù)據(jù)、決策規(guī)則、行業(yè)標準、歷史數(shù)據(jù)、協(xié)議服務(wù)、常用算法、常用模型庫、常用數(shù)據(jù)接口等。

(5)三維數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)。三維數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)是通過數(shù)字孿生方式展示生產(chǎn)過程中車間的所有信息。主要包括三維虛擬場景實時虛擬生產(chǎn)以及訂單執(zhí)行、產(chǎn)量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析,方便對生產(chǎn)過程進行快速響應(yīng)。

2 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)功能組成

(1)車間基礎(chǔ)信息管理。設(shè)備的基礎(chǔ)信息是系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息的支撐,是車間管理系統(tǒng)的源頭,包括虛擬車間的布局規(guī)劃以及設(shè)備的三維仿真模型、工藝規(guī)劃、信號綁定等[9]。

(2)計劃執(zhí)行。系統(tǒng)中生產(chǎn)計劃的數(shù)據(jù)來源于工廠管理的上層ERP系統(tǒng),計劃數(shù)據(jù)包括當(dāng)月生產(chǎn)計劃及臨時生產(chǎn)計劃,系統(tǒng)按照訂單執(zhí)行的完成時間進行分解、排序。訂單執(zhí)行過程中訂單任務(wù)加工的開始、暫停、完成時間以及設(shè)備的信息。執(zhí)行過程中記錄每一個設(shè)備的執(zhí)行的工藝過程以及質(zhì)量數(shù)據(jù)信息,通過掃描物料條碼,記錄物料的消耗,用于實現(xiàn)產(chǎn)品的正反向追溯。

(3)基于數(shù)字孿生的車間全面的生產(chǎn)監(jiān)控。實時監(jiān)控生產(chǎn)過程,包括訂單的執(zhí)行,物料的消耗等,以及生產(chǎn)過程中設(shè)備的實時動作。

(4)孿生數(shù)據(jù)采集。主要包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合3部分。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集:從多維度對運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集,實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備運行時全面地實時感知,例如直接采集的工業(yè)機器人的各關(guān)節(jié)角度、各關(guān)節(jié)速度、末端位姿等動態(tài)位置數(shù)據(jù)以及通過PLC采集設(shè)備運行狀態(tài)、上下料等信息;生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集:生產(chǎn)過程中的訂單、工藝執(zhí)行、產(chǎn)量以及物料信息的采集;數(shù)據(jù)融合:由于數(shù)據(jù)的來源多樣,采集的數(shù)據(jù)體現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化的特征,為方便后續(xù)的模型驅(qū)動以及數(shù)據(jù)分析,將采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的標準化處理,將其存儲在中央數(shù)據(jù)庫中。

(5)孿生車間可視化。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛擬設(shè)備模型與現(xiàn)實設(shè)備的實時協(xié)同,使模型再現(xiàn)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程,實時監(jiān)控設(shè)備的運轉(zhuǎn)及其他生產(chǎn)作業(yè)的過程,并對數(shù)據(jù)進行永久保存,以備后續(xù)決策分析。

3 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)實現(xiàn)

數(shù)字孿生車間管理系統(tǒng)構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生MES系統(tǒng)構(gòu)建流程

步驟1:對物理車間的設(shè)備進行車間信息建模;

步驟2:通過建立OPC UA的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),統(tǒng)一感知、采集設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù),并進行統(tǒng)一的存儲;

步驟3:通過WebSocket通訊協(xié)議將處理好的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給前端應(yīng)用程序;

步驟4:接收設(shè)備運動的實時信號,獲取虛擬模型的工藝運動信息驅(qū)動對應(yīng)的孿生場景模型運動;

步驟5:實時分析設(shè)備信息以及生產(chǎn)進度信息,并以圖表形式展示。

(1)車間信息建模。車間信息建模將車間內(nèi)的基本要素,按實際尺寸進行空間布局。分析車間整體和各個設(shè)備之間的拓撲關(guān)系和約束關(guān)系,驗證其合理性。

實現(xiàn)步驟為:在機械設(shè)計后的設(shè)備三維模型(x.t格式等)的基礎(chǔ)上,調(diào)整各部件的從屬和層級關(guān)系,使得模型更有組織性;刪除非必要的模型以及貼圖等,使得后續(xù)虛擬車間場景的渲染速度大幅提高。通過車間的CAD格式的總體布局圖,調(diào)整設(shè)備模型的位置,進行車間虛擬場景下的布局規(guī)劃。最后,將整個車間場景保存為GLB或GLTF格式的文件。將輕量化后的設(shè)備的三維模型導(dǎo)入到“基于數(shù)字孿生的虛擬數(shù)字化工廠平臺”(MesWork Data Factory)[10]中,在虛擬場景中還原設(shè)備的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。接著,通過設(shè)備動作的數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)備模型的運行狀態(tài),真實復(fù)現(xiàn)設(shè)備的外部變化及內(nèi)部的零部件的工作狀態(tài)。

在MesWork Data Factory[10]平臺中,進行設(shè)備運動學(xué)定義、設(shè)備工藝定義、生產(chǎn)工藝時序規(guī)劃、模型驅(qū)動數(shù)據(jù)信號連接等驅(qū)動模型運動的必要屬性定義。通過設(shè)備運動學(xué)定義賦予虛擬空間模型連桿(link)、關(guān)節(jié)(joint)、姿態(tài)(pose)等運動學(xué)屬性。通過設(shè)備工藝定義賦予虛擬空間模型工藝規(guī)劃屬性(不同時序下的具體動作)。生產(chǎn)工藝時序規(guī)劃是根據(jù)實際生產(chǎn)過程中的動作節(jié)拍對設(shè)備的工藝進行排序,保證虛實同步。同時綁定每個動作的驅(qū)動信號。

(2)基于OPC UA的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。生產(chǎn)過程較為復(fù)雜,涉及多臺設(shè)備的協(xié)同工作,設(shè)備的接口各異,數(shù)據(jù)格式缺少統(tǒng)一的標準,呈現(xiàn)多源異構(gòu)的特征。因此建立基于OPC UA的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),解決多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集以及統(tǒng)一存儲。

OPC UA客戶端與服務(wù)器間采用標準化的通信方式完成數(shù)據(jù)傳輸,設(shè)備的遠程實時數(shù)據(jù)采集,通過服務(wù)器實時發(fā)送客戶端來實現(xiàn)。服務(wù)器以現(xiàn)場總線的方式與PLC、工業(yè)機器人等設(shè)備進行連接。OPC UA服務(wù)器將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備數(shù)據(jù),統(tǒng)一存儲以及運算分析。

對于比較復(fù)雜的工業(yè)機器人設(shè)備,采集每個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)值、位置以及姿態(tài)。統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

(3)前端可視化。數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)前端程序采用VUE框架,利用WebSocket通訊協(xié)議接收數(shù)據(jù),采用WebGL繪圖技術(shù)標準渲染三維模型,基于ECharts數(shù)據(jù)可視化圖表庫分析數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)模型驅(qū)動數(shù)據(jù)解析模型,用來解析接收的實時信號數(shù)據(jù),并根據(jù)在MesWork Data Factory平臺中的數(shù)據(jù)信號綁定關(guān)系實時驅(qū)動模型運動。前端可視化系統(tǒng)基本要素構(gòu)建完成后,經(jīng)過編譯后,即可發(fā)布為車間場景可視化系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

隨著國家對智能制造的推廣,一汽大眾EA211發(fā)動機裝配車間,將“數(shù)字化轉(zhuǎn)型與建設(shè)”作為重點的戰(zhàn)略舉措。通過實施數(shù)字孿生的車間運行的新模式,強化生產(chǎn)過程管理和控制,達到精細化管理目的;提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的及時性、準確性,避免人為干擾,促使企業(yè)管理標準化;快速定位質(zhì)量問題及原因,制定措施解決質(zhì)量瓶頸,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯,降低質(zhì)量成本;實時掌控計劃、調(diào)度、工藝、設(shè)備運行等信息情;建立規(guī)范的生產(chǎn)管理信息平臺,使企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)場控制層與管理層之間的信息互聯(lián)互通,提高工廠異常反應(yīng)速度。實現(xiàn)生產(chǎn)過程全流程、全業(yè)務(wù)的精準管控。

(1)物理車間與虛擬車間虛實交互。孿生車間的機器人模型是根據(jù)機器人參數(shù)進行創(chuàng)建的。通過直接讀取機器人各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心的角度、動作信號、位置及姿態(tài),實現(xiàn)機器人的加工行為的同步。同時記錄機器人的各運動部件的運動次數(shù),建立后期維保檔案。如圖3所示,孿生車間的機器人的運動與物理車間的機器人的運動一致。

圖3 物理機器人與虛擬機器人動作同步

孿生車間其他設(shè)備模型接收實時的物理車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行同步虛擬生產(chǎn),實現(xiàn)物理車間在虛擬車間的三維可視化以及動態(tài)映射。如圖4所示。圖中整體描述虛擬空間中設(shè)備的布局以及運轉(zhuǎn)情況,右下角為物理車間實際設(shè)備的運行情況,通過圖形能夠清晰的展示物理車間與虛擬車間具有相同的行為邏輯,其動作協(xié)調(diào)一致,虛擬孿生車間能夠反映物理車間的動態(tài)運行數(shù)據(jù)。

圖4 物理車間與虛擬車間虛實交互

(2)生產(chǎn)信息數(shù)字化、圖形化直觀顯示。如圖5所示,整個裝配的生產(chǎn)裝配過程操作、備工作運行狀態(tài)、生產(chǎn)裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)線上質(zhì)量問題進行跟蹤和記錄;將生產(chǎn)信息以數(shù)字化、圖形化的方式實時、準確地反饋給各級生產(chǎn)管理人員。圖表與虛擬孿生車間的虛擬生產(chǎn)過程在同一面板呈現(xiàn),將生產(chǎn)活動的運行狀態(tài)處于監(jiān)控之內(nèi)。

圖5 生產(chǎn)信息數(shù)字化、圖形化直觀顯示

(3)統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲。建立中央數(shù)據(jù)庫,對整個制造執(zhí)行過程、零件及制造信息進行雙向追溯和跟蹤。

數(shù)據(jù)傳遞以及存儲的途徑如下:

①上線服務(wù)器接收發(fā)動機生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)(訂單的機型、訂單的數(shù)量及訂單的計劃完成時間等)。上線服務(wù)器在線體上的終端工控機(配方控制工控機)下達生產(chǎn)訂單。

②托盤上的數(shù)據(jù)載體(MOBY)按照特定的格式存儲發(fā)動機質(zhì)量數(shù)據(jù)(扭矩、轉(zhuǎn)角、壓力、位移、泄漏量等),在發(fā)動機下線工位將質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳至裝配線下線服務(wù)器(即質(zhì)量服務(wù)器)。下線完成后清空MOBY中的質(zhì)量數(shù)據(jù)。上傳后的質(zhì)量數(shù)據(jù),能夠在下線工位旁配置的質(zhì)量數(shù)據(jù)查詢工控機終端上進行查詢。

③裝配線各工位及輸送線體實時狀態(tài)數(shù)據(jù)(機床上電、下料堵塞、上料物件、循環(huán)開始等狀態(tài))實時采集及保存至PLC狀態(tài)服務(wù)器。

④通過獨立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將擰緊數(shù)據(jù)、壓裝數(shù)據(jù)及試漏數(shù)據(jù)上傳至曲線服務(wù)器。

⑤返修區(qū)配置:返修服務(wù)器、工控機終端、條碼打印機、LED電腦顯示屏。其中工控機終端與條碼打印機相連。返修服務(wù)器用于存儲返修區(qū)數(shù)據(jù);工控機終端用于數(shù)據(jù)的查詢和手動輸入;條碼打印機用于打印發(fā)動機條碼;LED電腦顯示屏用于顯示裝配線各個返修口狀態(tài)。

⑥不含返修區(qū)裝配線體配置:每個區(qū)域一臺工控機和條碼打印機。實現(xiàn)對不合格下線無碼零件的跟蹤與管理。

(4)實施效果

①保障上層管理和底層制造的信息貫通,規(guī)范統(tǒng)一企業(yè)生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。

②實現(xiàn)產(chǎn)線作業(yè)計劃排程、實時跟蹤,提升生產(chǎn)計劃管控能力。

③實時收集現(xiàn)場制造過程中人員、設(shè)備和質(zhì)量數(shù)據(jù),提高現(xiàn)場透明度,提升現(xiàn)場管控能力。

④實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài),減少故障響應(yīng)以及設(shè)備停機時間,提高生產(chǎn)效率。

⑤供準確、全面的生產(chǎn)、設(shè)備以及質(zhì)量方面的數(shù)據(jù)和報表,提升生產(chǎn)管理的統(tǒng)計和分析能力。

⑥為產(chǎn)品售后追溯提供完整、可靠、永久的數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管理系統(tǒng),重構(gòu)傳統(tǒng)車間管理的體系架構(gòu),構(gòu)建了以數(shù)字孿生為核心的適用于車間數(shù)字化管理的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)通過虛擬車間模型和實時生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)構(gòu)建與物理車間同步運行的、虛實交互映射的數(shù)字孿生車間,同時以數(shù)字化、圖形化的方式展示訂單信息、產(chǎn)量和設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)。實現(xiàn)生產(chǎn)活動的運行狀態(tài)處于實時監(jiān)控之內(nèi),從而提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高企業(yè)交付能力,提升生產(chǎn)車間的智能化水平。