隨著新一代信息技術與制造技術的深度融合發(fā)展，制造業(yè)的生產(chǎn)方式正在發(fā)生深刻變革，為實現(xiàn)制造業(yè)中的設備信息能及時匯總處理，從而驅動整個制造業(yè)更加智能化的發(fā)展。 為實現(xiàn)對車間／ 產(chǎn)線現(xiàn)場設備工作狀態(tài)信息，加工工藝參數(shù)信息，車間物料周轉過程、工件工藝質(zhì)量信息、加工過程中的能源損耗信息等的在線監(jiān)測、分析與故障預警，有必要建設一個生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)，全面實現(xiàn)車間設備和生產(chǎn)執(zhí)行情況的集中監(jiān)測、預警管理，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明可控。本文的主要研究內(nèi)容是對產(chǎn)線的三維實時監(jiān)控的研究，其中最重要的就是對數(shù)字孿生的研究，生產(chǎn)線數(shù)字孿生主要是對物理機床的傳感器、狀態(tài)、加工等數(shù)據(jù)等進行采集、處理與融合，構建生產(chǎn)線實時和歷史數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)物理機床電氣系統(tǒng)的數(shù)字化映射。 數(shù)字孿生體虛擬模型可以直觀地體現(xiàn)數(shù)控機床的物理實體實際外觀狀態(tài)，一個精確、逼真的數(shù)字孿生體虛擬模型可以為工人提供強烈的沉浸感。 三維實時監(jiān)控可以對生產(chǎn)線物理實體的加工過程和全生命周期進行全面了解與掌控，為生產(chǎn)線的調(diào)試、報警預警、遠程操控提供平臺。對數(shù)據(jù)進行分析建模是數(shù)字孿生技術的重要基礎，通過使用數(shù)字孿生技術與數(shù)據(jù)建模結合在一起，能夠在數(shù)字空間中對產(chǎn)線的運行過程進行同步映照。 利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結合物理實體產(chǎn)線的實際運行數(shù)據(jù)，對產(chǎn)線數(shù)字孿生體進行模型構建、運動鏈接、環(huán)境搭建，利用產(chǎn)線的數(shù)字孿生體對物理機床的整個生命周期進行仿真、監(jiān)控、調(diào)試以及控制等操作，完成虛實相融、以虛概實的數(shù)字化。2. 2 制造實時數(shù)據(jù)監(jiān)控技術制造實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控以產(chǎn)線的數(shù)字孿生技術作為基礎，囊括了現(xiàn)場生產(chǎn)的物理生產(chǎn)層面和生產(chǎn)工藝層面的映射。 在現(xiàn)場生產(chǎn)的物理層面，主要研究加工中的多源異構數(shù)據(jù)的可視化映射，實現(xiàn)車間的可視化監(jiān)控；在生產(chǎn)工藝層面，研究了基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線上的制造數(shù)據(jù)實時仿真計算方法，完成機床實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝相融合，從而實現(xiàn)基于數(shù)字孿生層面的數(shù)據(jù)監(jiān)控展示。2. 3 大數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)預警技術工業(yè)生產(chǎn)領域的自動化程度越來越高，但仍存在大量無法量化甚至決策者無法知曉的不確定性因素，這些不確定性因素導致了決策和生產(chǎn)管控的困難。 目前比較成熟的大數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)預警技術就是要提供一種透明化的工具和解決方案，具有對不確定性進行拆解和量化的能力，進而能客觀地估算出在生產(chǎn)過程中機床設備的運行狀態(tài)和利用率，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程中的可視化、透明化管理，使管理者實現(xiàn)“知情”決策。基于“數(shù)字雙胞胎” 的概念，實現(xiàn)車間設備真實運行情況和產(chǎn)品生產(chǎn)過程的虛擬實時同步映射，將生產(chǎn)計劃與執(zhí)行狀況、生產(chǎn)現(xiàn)場狀況、車間生產(chǎn)、消耗、質(zhì)量、設備、能耗等主要管理業(yè)務的關鍵指標進行監(jiān)控、預警分析。本方案成功使用現(xiàn)行的各種先進技術，在各個層面對工廠制造的信息進行表達和闡述。 通過數(shù)據(jù)中轉系統(tǒng)獲得生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)（產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、工件工藝參數(shù)、車間生產(chǎn)進度信息）、車間設備的數(shù)據(jù)（加工狀態(tài)、故障參數(shù)）、生產(chǎn)相關業(yè)務信息數(shù)據(jù)（排產(chǎn)計劃、工藝參數(shù)、物料運轉數(shù)據(jù)）借助數(shù)據(jù)中臺實現(xiàn)生產(chǎn)線物理運行狀態(tài)與生產(chǎn)線虛擬孿生模型的實時數(shù)據(jù)傳輸，把真實的現(xiàn)場運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M系統(tǒng)。 在車間生產(chǎn)運行的實時和歷史數(shù)據(jù)積累的基礎上，對設備的實時運行情況進行仿真分析處理、故障預警等，幫助優(yōu)化提升產(chǎn)線，系統(tǒng)總體架構如圖 1 所示。本項目采用 B／S 架構，利用 3D 繪圖協(xié)議技術可實現(xiàn)客戶端用戶隨時隨地遠程在線訪問，數(shù)字孿生服務支持Windows／linux 系統(tǒng)部署運行，可適配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，同時也支持服務私有化部署。 數(shù)字孿生底層開發(fā)依托Unity3D 引擎，通過集成物理仿真、網(wǎng)絡通訊服務、圖形界面引擎、粒子系統(tǒng)、音頻管理、腳本等各種模塊插件，自主研發(fā)基于離散事件的仿真引擎，實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)仿真模型場景搭建、生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)接入、虛擬物理實時在線映射、生產(chǎn)仿真模擬分析等核心功能，功能設計部分主要通過如下幾點進行設計。在仿真建模和數(shù)據(jù)接入的基礎上，實現(xiàn)實體產(chǎn)線與虛擬產(chǎn)線的真實映射與實時交互，完成實體產(chǎn)線、虛擬產(chǎn)線的全過程、全要素、所有數(shù)據(jù)的采集和融合。 在已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)模型的驅動下，完成車間生產(chǎn)線上各個生產(chǎn)要素的管理、生產(chǎn)計劃制定、產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的控制等在實體產(chǎn)線、虛擬產(chǎn)線的鏡像化運行，能實現(xiàn)在指定目標和有約束的條件下完成車間生產(chǎn)全過程的智能化管控。用戶通過交互設備與虛擬環(huán)境中的對象進行自然的、實時的交互。 實現(xiàn)對虛擬仿真技術在數(shù)字化工廠中的應用，包括產(chǎn)線、機臺的三維仿真展示和導航，可以根據(jù)三維模型進行組態(tài)和配置后實現(xiàn)三維展示效果，包括旋轉、縮放、自動路徑漫游和手動漫游等；實現(xiàn)設備運行仿真功能，在設備的仿真動態(tài)展示中能夠讀取預設文件，實現(xiàn)設備的動態(tài)仿真。 通過數(shù)據(jù)感知、邊緣計算設備進行數(shù)據(jù)歸集與傳輸，通過數(shù)據(jù)驅動模型實現(xiàn)虛擬仿真，通過實體工廠與虛擬工廠的相互映射、實時交互、高效協(xié)同，實現(xiàn)車間級別的生產(chǎn)要素管理，車間級的虛實映射如圖 2 所示。3. 2. 2 生產(chǎn)監(jiān)控、預警及數(shù)據(jù)可視化以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以數(shù)字孿生為核心，充分利用企業(yè)現(xiàn)有信息化、自動化基礎設施，打造數(shù)字工廠／ 車間，助力企業(yè)數(shù)字化升級。 基于虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、產(chǎn)線虛實融合優(yōu)化技術，對生產(chǎn)線（人、機、物、法、環(huán)） 全要素進行抽象行為規(guī)則建模，搭建生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)，通過實時對接產(chǎn)線、管控系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)，完成實際的生產(chǎn)系統(tǒng)對虛擬的孿生管控系統(tǒng)的實時驅動映射。 并通過設定好的模型系統(tǒng)對產(chǎn)線進行實時的數(shù)據(jù)采集分析并能及時發(fā)出預警，完成車間產(chǎn)線的可視化、透明化管理，為管理人員的決策提供參考。（1）以產(chǎn)線設備中的數(shù)據(jù)作為驅動源，搭建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)管理分析架構，完成產(chǎn)線的數(shù)據(jù)的采集、驅動、輸入、更新、展示等交互管理工作。（2）搭建車間生產(chǎn)線的三維模型，并按照車間實際設備的布局進行三維場景的搭建，搭建后的模型與實際中的產(chǎn)線實現(xiàn)三維映射，在虛擬平臺上建立數(shù)字孿生體系。（3）構建車間實際產(chǎn)線與數(shù)字孿生模型之間的數(shù)據(jù)聯(lián)通體系，用實際實時數(shù)據(jù)作為驅動力來驅動模型運轉，并在孿生模型上對現(xiàn)場設備的運行裝填、工件的加工情況和物料周轉等信息通過可視化面板的形式完成顯示。 實現(xiàn)車間現(xiàn)場和虛擬模型之間的信息動態(tài)映射。（4）建立系統(tǒng)預警模型，循環(huán)采集生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)進行匹配分析，進而實現(xiàn)生產(chǎn)線運行狀態(tài)的在線預警。車間建設內(nèi)容如圖 3 所示，正常運行依賴于機床、自動導引運輸車、機器人、數(shù)字化立庫、柔性管控系統(tǒng)等提供的實時數(shù)據(jù)。 公司已完成生產(chǎn)線、數(shù)字化立庫等硬件部署，后續(xù)將開展基于孿生的可視化、過程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及預警等工作。
在車間設備信息預警等方面，傳統(tǒng)的分析方式是采集過往的數(shù)據(jù)進行邏輯分析搭建模型，再通過離線的方式進行仿真分析，此方法不能對車間的設備狀態(tài)進行實時分析。 本文所用的基于數(shù)字孿生的預測系統(tǒng)可分為基于仿真預測和大數(shù)據(jù)預測兩種形式。 此模型主要對基于數(shù)字孿生的車間場景數(shù)據(jù)建模技術、制造實時數(shù)據(jù)監(jiān)控技術、大數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)預警技術三方面進行研究。（1）設備建模：外部模型接入是數(shù)字孿生構建的核心數(shù)據(jù)來源，外部模型主要包括幾何模型、數(shù)據(jù)模型、機理模型和知識模型等。 其中幾何模型又包括幾何外形、幾何外形特征邏輯關系以及工程屬性等，數(shù)據(jù)模型包括了各種各樣的動靜態(tài)數(shù)據(jù)源，另外還包括了與幾何模型相關的網(wǎng)格模型等，可用于數(shù)字孿生的仿真構建過程。模型接口主要通過模型文件進行互操作，平臺模型接口具備下述模型的接入與解析能力。 計算機輔助設計（computer aided design，CAD） 模型：可讀取常見 CAD 模型，如 step 等，可以解析模型文件中的幾何外形。 模型制作完畢對三維模型進行貼圖。 模型材質(zhì)使用漫反射貼、法線貼圖、金屬平滑度貼圖、環(huán)境光遮蔽貼圖，以提升真實度，不同材質(zhì)質(zhì)感要符合實際設備情況，要保留實際貼花細節(jié)，如警告、注意等圖片；（2）場景優(yōu)化：根利用場景分塊動態(tài)加載、場景緩存機制、層級細節(jié)技術、遮擋剔除技術、貼圖合并技術、批處理技術實現(xiàn)三維場景優(yōu)化，提升數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行性能。 場景優(yōu)化能夠很好地提升系統(tǒng)的性能，采用了場景中分塊異步加載，按照創(chuàng)房設施，六條銑床線和三條車床線，預調(diào)間分別進行異步加載，使用的 Unity3D 的 Addressable技術，進行 Addressables. LoadAssetAsync 模型加載；未來車間場實現(xiàn)場景緩存機制，使用 Unity3d 的 SceneManager.LoadSceneAsync 方法異步加載場景；實現(xiàn)設備貼圖的合并處理，對于相同型號的設備使用同一個貼圖，減少內(nèi)存占用；對于場景設備模型使用靜態(tài)批處理技術，設置 Static值，靜態(tài)批處理會為每一個物體創(chuàng)建一個合并后的Combined Mesh，降低 DrawCall，提高渲染能力。 從而實現(xiàn)車間孿生系統(tǒng)性能。3. 3. 2 大數(shù)據(jù)驅動狀態(tài)預警技術（1）指定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集接口服務規(guī)范，對數(shù)據(jù)采集進行簡化，能匹配不同來源的數(shù)據(jù)信息，降低數(shù)據(jù)接入成本。 提供統(tǒng)一的基于簡單規(guī)則的字段可自定義的前端網(wǎng)頁表格獲取相應參數(shù)，由數(shù)據(jù)采集模塊對接多種設備通信協(xié)議的數(shù)據(jù)來源，提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)結構的數(shù)據(jù)和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信接口，通過 http 協(xié)議或者 Websocket 協(xié)議發(fā)送給 UI 層顯示。（2）建立科學的預警、報警指標體系。通過對傳感器歷史數(shù)據(jù)的提取，使用相關聯(lián)的模型、采用主成分特征模型等方法建立各系統(tǒng)的特征模型，進而建立一系列的基于數(shù)據(jù)特征的監(jiān)測知識庫，當發(fā)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)特征及事件時繼續(xù)進行學習和更新特征模型，基于歷史大數(shù)據(jù)建立對象的特征模型。 把設備的歷史數(shù)據(jù)導入，在自學的基礎上自動進行特征分析，找出設備常態(tài)下的運行特征并建立特征模型，接入實時數(shù)據(jù)，基于特征模型開展異常特征監(jiān)測。通過對以上探討分析的數(shù)據(jù)交互、物料運輸、三維展示、數(shù)據(jù)提取等技術在某車間中進行部署。 在運行穩(wěn)定后智能化車間的建設效果數(shù)據(jù)如下：產(chǎn)線的可視化率不低于 98％；產(chǎn)線因故障率降低 50％以上；故障預警不低于 95％，物料的運轉效率提升 60％，機床的停機率降低 20％，達到建設智能制造的預期目標，具有很強的推廣意義。
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發(fā)布日期：2024-05-13 來源：新工業(yè)網(wǎng) 瀏覽次數(shù)：20
