CN108919765B - 一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及***，该方法中通过基于数字孪生的智能制造工厂平台，实现了产品的数字模型与现场设备实时协同。产品制造商/产品使用者在控制中心的产品数字模型上，可以实时掌握产品的使用状态，对产品/设备进行远程监控和故障诊断，进而实现预测性维护，避免设备非计划性停机，同时将产品的运行数据反馈到产品数字模型中，帮助制造企业不断优化改进产品，同时为智能制造提供基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造解决方案、企业数字化改造、数字孪生和智能化监控技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及***。
背景技术
数字孪生是以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，从而实现从产品设计直到制造执行的全过程数字化，创建一条数字线程，关联期间所有步骤。。目前对工厂车间内设备的工作进行智能化的管理和控制通过结合互联网技术、云技术和数字孪生技术以及VR技术对工厂内的生产设备状态进行实时监控从而实现虚拟场景远程监控的目的。现有技术中在制造工厂中我们首先为实体设备建立一个一对一映射的数字模型，实体设备与数字模型能够实时通讯，及时地掌握彼此的动态变化并实时地做出响应，实体设备的运行状态会如实的体现在数字模型中，通过数字模型能掌握实体设备的运行状态，包括运行参数、故障信息、质量信息等。同时，通过控制数字模型可以控制实体设备的运行。然而现有技术中基于web方式对设备的工艺流程进行虚拟调试和工作状况监控时会出现数据连通过程中中断现象，造成数字模型与实体设备的脱离式运行，不能良好的监管工厂车间内实体设备的工作状态。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及***，其中方法包括以下步骤：
S1：在三维软件中建立工厂车间内多种实体设备的三维模型；
S2：将三维模型导入数字孪生***中并对三维模型进行优化，同时将实体设备的设计参数信息和生产过程参数信息输入孪生***中，确认实体设备进行的各项操作和每项任务所需要的时间，在孪生***中创建了一个包含所有生产过程细节的孪生的数字模型；其中该数字模型在工作状态下模拟实体设备在现实环境中的加工过程；
S3：基于WEB方式对实体设备进行数字孪生控制，该控制过程包括实体设备驱动数字模型使其与实体设备进行协同运动，数字模型驱动实体设备使其与数字模型进行协同运动，采用调试器驱动数字模型和实体设备使二者实时进行协同运动实现数字孪生对实体设备远程监控的过程。
S2中将三维虚拟模型导入数字孪生***后，对三维虚拟模型进行优化选择，保留原模型中参与工艺运动的机构、去除不参与工艺运动的辅助部件，同时对三维虚拟模型添加颜色，区分三维虚拟模型各个结构和运动轨迹。
进一步的，实体设备驱动数字模型过程中：采用设备通讯服务器将实体设备的PLC中运动信息转换成对数字模型的驱动信号，通过云数据路由器发送到客户端的孪生***中，驱动数字模型与实体设备进行同步运动。
进一步的，数字模型驱动实体设备过程中：数字模型将对控制设备动作的信号通过云数据路由器传送至生产现场的设备通讯服务器中使其转换成设备驱动信号，经过PLC驱动实体设备的动作并将实体设备的动作信号由PLC发送回设备通讯服务器，设备通讯服务器将动作信号转换成数字模型的驱动信号，通过云数据路由器驱动数字模型与实体设备进行同步运动。
进一步的，采用调试器驱动数字模型和实体设备使二者实时进行协同运动的过程中：采用设置在客户端上的虚拟调试器发出对实体设备的控制信号，经云数据路由器、设备通讯服务器、设备PLC驱动实体设备和数字模型进行协同运动，同时将实体设备的动作信号经设备PLC、设备通讯服务器、云数据路由器送到数字模型中，驱动数字模型与实体设备进行协同运动。
进一步的，所述基于WEB方式对实体设备进行数字孪生控制中当生产过程和产品设计发生改变时采用对数字模型进行制造仿真以及调试，同时对整个设计进行相应更新。
进一步的，所述设备通讯服务器与不同规格的通讯设备进行数据纵向、横向无缝通讯。
一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控***，包括：
模型构建模块：在三维建模软件中用于将工厂车间内多种实体设备构建成三维模型，并对三维模型进行优化；
数字孪生***构建模块：将实体设备与三维模型建立一对一的孪生映射关系，将三维模型导入构建的数字孪生***中，将实体设备的运行状态映射到对应的孪生模型上，构建实体设备与数字模型的实时协同的孪生关系，通过孪生模型实时展示实体设备的运行状态，同时通过控制数字孪生模型来控制实体设备；
虚拟设备调试模块：通过将实体设备的工艺工步和节拍信息加载到数字孪生***中，创建了实体设备的数字模型，在数字模型上模拟实体设备的工艺流程，查看设备工艺流程的每一个步骤，利用孪生***和虚拟调试器改变实体设备的工艺流程或工步节拍对工步进行调整和优化；
远程监控模块：与虚拟设备调试模块实时建立数据通信，将实体设备的状态数据通过通讯服务器载入孪生的数字模型中使数字模型与实体设备同步运动，通过查看工厂设备的数字模型的工况信息从而远程监控车间的生产状态。
所述数字孪生***构建模块在工作状态下采用如下方式：
SM：将实体设备的运行状态映射到对应的数字模型上：设备通讯服务器读取设备PLC中的设备动作信号，转换成能驱动孪生模型运动的驱动信号，通过云数据路由器发送到客户端的孪生***中，驱动孪生模型做出与设备相同的动作达到孪生模型与设备的实时协同；SN：采用孪生模型控制实体设备的动作：孪生模型将控制设备动作的控制信号通过云数据路由器发送到生产现场的设备通讯服务器中转换成能驱动设备动作的信号，经过PLC驱动设备作出与模型一样的动作，同时完成SM描述的动作，即用设备动作信息驱动模型运动,完成用孪生模型远程控制设备的过程。
所述虚拟设备调试模块在工作状态下采用如下方式：S0：通过数字模型作虚拟调试；通过改变数字模型的工艺流程或工步节拍，虚拟调试模型运动状态，虚拟优化工艺流程和工步节拍，将优化后的工艺流程和工步节拍发送到移动终端的虚拟调试器作为远程调试实体设备的依据；SP：通过移动终端上的虚拟调试器，改变实体设备的工艺流程或节拍，验证工艺流程和工步节拍；SQ：对实体设备的调试同步反映在数字孪生中。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及***，该方法中通过基于数字孪生的智能制造工厂平台，实现了产品的数字模型与现场设备实时协同。产品制造商/产品使用者在控制中心的产品数字模型上，可以实时掌握产品的使用状态，对产品/设备进行远程监控和故障诊断，进而实现预测性维护，避免设备非计划性停机，同时将产品的运行数据反馈到产品数字模型中，帮助制造企业不断优化改进产品，同时为智能制造提供基础数据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于数字孪生的智能制造工厂监控方法的流程图；
图2为本发明基于数字孪生的智能制造工厂监控方法的流程图；
图3为本发明基于数字孪生的智能制造工厂监控方法的流程图；
图4为本发明基于数字孪生的智能制造工厂监控***的结构图；
图5为本发明基于数字孪生的智能制造工厂监控***的工作示意图；
图6为基于数字孪生的智能制造工厂监控***的工作示意图；
图7为基于数字孪生的智能制造工厂监控***的工作示意图；
图8为基于数字孪生的智能制造工厂监控***的工作示意图；
图9为基于数字孪生的智能制造工厂监控***的工作示意图；
图10为基于数字孪生的智能制造工厂监控***的工作示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图3所示的一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法，具体包括以下步骤：
S1:在CAD或Solidworks等三维建模软件中建立工厂车间内多种实体设备的三维模型
S2:将三维模型导入数字孪生***中并对三维模型进行优化，同时将实体设备的设计参数信息和生产过程参数信息输入孪生***中，确认实体设备进行的各项操作和每项任务所需要的时间，在孪生***中创建了一个包含所有生产过程细节的孪生的数字模型；其中该数字模型在工作状态下模拟实体设备在现实环境中的加工过程。
S3:基于WEB方式对实体设备进行数字孪生控制，该控制过程包括实体设备驱动数字模型使其与实体设备进行协同运动，数字模型驱动实体设备使其与数字模型进行协同运动，采用调试器驱动数字模型和实体设备使二者实时进行协同运动实现数字孪生对实体设备远程监控的过程。
进一步的，S2中将三维虚拟模型导入数字孪生***后，对三维虚拟模型进行优化选择，保留原模型中参与工艺运动的机构、去除不参与工艺运动的辅助部件，同时对三维虚拟模型添加颜色，区分三维虚拟模型各个结构和运动轨迹。由于产品的三维模型数据规模较大，在将原模型导入孪生***过程中，数据存储和计算变得复杂，影响虚拟调试速度，甚至导致虚拟场景的失真。因此需要对三维虚拟模型进行有选择的优化，以减轻模型体量。即保留原模型中参与工艺运动的机构，去除不参与工艺运动的辅助部件，如螺栓、螺母、垫圈等。为仿真、虚拟调试和数字孪生提供基本依据。
进一步的，实体设备驱动数字模型过程中：采用设备通讯服务器将实体设备的PLC中运动信息转换成对数字模型的驱动信号，通过云数据路由器发送到客户端的孪生***中，驱动数字模型与实体设备进行同步运动。
进一步的，数字模型驱动实体设备过程中：数字模型将对控制设备动作的信号通过云数据路由器传送至生产现场的设备通讯服务器中使其转换成设备驱动信号，经过PLC驱动实体设备的动作并将实体设备的动作信号由PLC发送回设备通讯服务器，设备通讯服务器将动作信号转换成数字模型的驱动信号，通过云数据路由器驱动数字模型与实体设备进行同步运动。
进一步的，采用调试器驱动数字模型和实体设备使二者实时进行协同运动的过程中：采用设置在客户端上的虚拟调试器发出对实体设备的控制信号，经云数据路由器、设备通讯服务器、设备PLC驱动实体设备和数字模型进行协同运动，同时将实体设备的动作信号经设备PLC、设备通讯服务器、云数据路由器送到数字模型中，驱动数字模型与实体设备进行协同运动。
进一步的，生产车间的设备工况信息通过通讯服务器反馈到数字模型上时候，点击某设备模型，显示的工况信息具体包括：设备的开、关、启停等状态信息；OEE分析，产量分许，停机分析，报警分析等设备图表分析；扭矩、转角、位移、压力、泄露量等生产质量信息和车间当前生产任务，计划产量，实际产量等运营信息。在三维虚拟模型的顶端设置显示设备状态的指示灯，将空闲、调试、停机和关机的状态通过不同的指示灯进行显示。***可以分析整个部门设备，或指定设备的状态，显示当前哪些设备是在空闲中、调试中、加工中或是在停机中。另外，还能显示每台设备的当前加工任务和操作人员信息。
进一步的，所述设备通讯服务器与不同规格的通讯设备进行数据纵向、横向无缝通讯。这样生产管理人员不用离开办公室，通过通讯服务器的作用观察车间设备数字模型就能实时查看到车间设备生产状态，获取设备状态信息，对生产设备进行远程监控。
进一步的，所有监控信息会被保存到数据库中，并被查询和打印。
如图4所示的一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控***，具体包括：
模型构建模块：在三维建模软件中用于将工厂车间内多种实体设备构建成三维模型，并对三维模型进行优化；
数字孪生***构建模块：将实体设备与三维模型建立一对一的孪生映射关系，将三维模型导入构建的数字孪生***中，将实体设备的运行状态映射到对应的孪生模型上，构建实体设备与数字模型的实时协同的孪生关系，通过孪生模型实时展示实体设备的运行状态，同时通过控制数字孪生模型来控制实体设备；
虚拟设备调试模块：通过将实体设备的工艺工步和节拍信息加载到数字孪生***中，创建了实体设备的数字模型，在数字模型上模拟实体设备的工艺流程，查看设备工艺流程的每一个步骤，利用孪生***和虚拟调试器改变实体设备的工艺流程或工步节拍对工步进行调整和优化；
远程监控模块：与虚拟设备调试模块实时建立数据通信，将实体设备的状态数据通过通讯服务器载入孪生的数字模型中使数字模型与实体设备同步运动，通过查看工厂设备的数字模型的工况信息从而远程监控车间的生产状态。
进一步的，如图5所示，所述数字孪生***构建模块在工作状态下采用如下方式：
SM：将实体设备的运行状态映射到对应的数字模型上：设备通讯服务器读取设备PLC中的设备动作信号，转换成能驱动孪生模型运动的驱动信号，通过云数据路由器发送到客户端的孪生***中，驱动孪生模型做出与设备相同的动作达到孪生模型与设备的实时协同；SN：采用孪生模型控制实体设备的动作：孪生模型将控制设备动作的控制信号通过云数据路由器发送到生产现场的设备通讯服务器中转换成能驱动设备动作的信号，经过PLC驱动设备作出与模型一样的动作，同时完成SM描述的动作，即用设备动作信息驱动模型运动,完成用孪生模型远程控制设备的过程。
进一步的，所述虚拟设备调试模块在工作状态下采用如下方式：S0：通过数字模型作虚拟调试；通过改变数字模型的工艺流程或工步节拍，虚拟调试模型运动状态，虚拟优化工艺流程和工步节拍，将优化后的工艺流程和工步节拍发送到移动终端的虚拟调试器作为远程调试实体设备的依据；SP：通过移动终端上的虚拟调试器，改变实体设备的工艺流程或节拍，验证工艺流程和工步节拍；SQ：对实体设备的调试同步反映在数字孪生中。
进一步的，数字孪生***由实体设备、PLC、设备通讯服务器、云数据路由器、孪生模型构成，其中该***具有如下功能：S1：实体设备的动作信号通过 PLC、设备通讯服务器、云数据路由，驱动孪生模型动作，完成模型与设备的实时同步动作。S2：孪生模型动作信号通过云数据路由器、设备通讯服务器、PLC，驱动设备作出动作，并将设备动作信号通过PLC、设备通讯服务器、云数据路由，驱动孪生模型作出与设备一样的动作，完成设备与模型的实时同步动作。 S3：将孪生***的动作信息存储在数字库中，用于信息查询和数据分析。
进一步的，如图6-图10所示，工作状态下基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控***具有如下功能：1、车间设备状态总览：通过在在各设备头顶添加设备状态指示灯：空闲，调试，停机，关机等，通过现场信号使不同的指示灯亮起，给监控者对车间设备状态最直观的把握。2、设备生产监控点击某设备模型时，弹出设备的运行参数信息：设备名，设备OEE\切削三要素、刀具寿命、执行的程序名等信息，以供管理者把握具体设备的情况。3、设备图表分析：点击某具体模型时，模型高亮反馈点中，弹出的设备运行参数监控扉页，展示设备数据的图表分析，包括OEE分析，产量分许，停机分析，报警分析等，为管理者提供对设备的管理决策依据。4、车间运营看板：表现形式悬停的GUI界面，用以展示车间当前生产任务，计划产量，实际产量等信息。5、WEB 方式VR可视化操作指南：基于web方式的VR可视化操作指导，是提供给工位操作者使用，由于本装配线客户端孪生******由第三方提供，不具备安装本功能的条件，因此本功能不是必选功能。6、可视化操作指南包括：装配工艺三维动态演示指导、设备状态信息查询、生产信息查询、物料信息查询等。
进一步的，通过架构在电脑或移动终端的虚拟调试器，发出调试信号，驱动设备做出相应动作，同时数字模型也做出相应动作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法,其特征在于包括以下步骤：
S1：在三维软件中建立工厂车间内多种实体设备的三维模型；
S2：将三维模型导入数字孪生***中并对三维模型进行优化，同时将实体设备的设计参数信息和生产过程参数信息输入孪生***中，确认实体设备进行的各项操作和每项任务所需要的时间，在孪生***中创建了一个包含所有生产过程细节的孪生的数字模型；其中该数字模型在工作状态下模拟实体设备在现实环境中的加工过程；
S3：基于WEB方式对实体设备进行数字孪生控制，该控制过程包括实体设备驱动数字模型使其与实体设备进行协同运动，数字模型驱动实体设备使其与数字模型进行协同运动，采用调试器驱动数字模型和实体设备使二者实时进行协同运动实现数字孪生对实体设备远程监控的过程；
S2中将三维虚拟模型导入数字孪生***后，对三维虚拟模型进行优化选择，保留原模型中参与工艺运动的机构、去除不参与工艺运动的辅助部件，同时对三维虚拟模型添加颜色，区分三维虚拟模型各个结构和运动轨迹；
实体设备驱动数字模型过程中：采用设备通讯服务器将实体设备的PLC中运动信息转换成对数字模型的驱动信号，通过云数据路由器发送到客户端的孪生***中，驱动数字模型与实体设备进行同步运动；
数字模型驱动实体设备过程中：数字模型将对控制设备动作的信号通过云数据路由器传送至生产现场的设备通讯服务器中使其转换成设备驱动信号，经过PLC驱动实体设备的动作并将实体设备的动作信号由PLC发送回设备通讯服务器，设备通讯服务器将动作信号转换成数字模型的驱动信号，通过云数据路由器驱动数字模型与实体设备进行同步运动；
采用调试器驱动数字模型和实体设备使二者实时进行协同运动的过程中：采用设置在客户端上的虚拟调试器发出对实体设备的控制信号，经云数据路由器、设备通讯服务器、设备PLC驱动实体设备和数字模型进行协同运动，同时将实体设备的动作信号经设备PLC、设备通讯服务器、云数据路由器送到数字模型中，驱动数字模型与实体设备进行协同运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法，其特征还在于：所述基于WEB方式对实体设备进行数字孪生控制中当生产过程和产品设计发生改变时采用对数字模型进行制造仿真以及调试，同时对整个设计进行相应更新。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法，其特征还在于：所述设备通讯服务器与不同规格的通讯设备进行数据纵向、横向无缝通讯。
4.一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控***，其特征在于包括：
模型构建模块：在三维建模软件中用于将工厂车间内多种实体设备构建成三维模型，并对三维模型进行优化；
数字孪生***构建模块：将实体设备与三维模型建立一对一的孪生映射关系，将三维模型导入构建的数字孪生***中，将实体设备的运行状态映射到对应的孪生模型上，构建实体设备与数字模型的实时协同的孪生关系，通过孪生模型实时展示实体设备的运行状态，同时通过控制数字孪生模型来控制实体设备；
虚拟设备调试模块：通过将实体设备的工艺工步和节拍信息加载到数字孪生***中，创建了实体设备的数字模型，在数字模型上模拟实体设备的工艺流程，查看设备工艺流程的每一个步骤，利用孪生***和虚拟调试器改变实体设备的工艺流程或工步节拍对工步进行调整和优化；
远程监控模块：与虚拟设备调试模块实时建立数据通信，将实体设备的状态数据通过通讯服务器载入孪生的数字模型中使数字模型与实体设备同步运动，通过查看工厂设备的数字模型的工况信息从而远程监控车间的生产状态；
所述数字孪生***构建模块在工作状态下采用如下方式：
SM：将实体设备的运行状态映射到对应的数字模型上：设备通讯服务器读取设备PLC中的设备动作信号，转换成能驱动孪生模型运动的驱动信号，通过云数据路由器发送到客户端的孪生***中，驱动孪生模型做出与设备相同的动作达到孪生模型与设备的实时协同；SN：采用孪生模型控制实体设备的动作：孪生模型将控制设备动作的控制信号通过云数据路由器发送到生产现场的设备通讯服务器中转换成能驱动设备动作的信号，经过PLC驱动设备作出与模型一样的动作，同时完成SM描述的动作，即用设备动作信息驱动模型运动,完成用孪生模型远程控制设备的过程；
所述虚拟设备调试模块在工作状态下采用如下方式：S0：通过数字模型作虚拟调试；通过改变数字模型的工艺流程或工步节拍，虚拟调试模型运动状态，虚拟优化工艺流程和工步节拍，将优化后的工艺流程和工步节拍发送到移动终端的虚拟调试器作为远程调试实体设备的依据；SP：通过移动终端上的虚拟调试器，改变实体设备的工艺流程或节拍，验证工艺流程和工步节拍；SQ：对实体设备的调试同步反映在数字孪生中。
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