CN113917559A - 基于数字孪生的在线监测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字孪生的在线监测***，属于信息与自动控制技术领域。该监测***包括传送站、仓库站、灌装站、压盖站和质检站，所述仓库站对灌装物料进行库位扫描或记录库存位置，所述灌装站把待灌装容器移送到灌装头正下方，完成物料灌装，所述压盖站对灌装好的容器进行加盖操作，所述质检站对完成灌装、加盖后的物品进行质检，所述传送站用于物品在仓库站、灌装站压盖站和质检站之间的传输。本发明能够在数字孪生平台上对整个工厂生产线布局建模，以第三人称视角查看工厂内设备运转状态，监测管理人员能及时收集数据、处理数据和反馈数据，动态制定相应的生产工作计划以及能够指引客户了解整个车间分布及产品生产流水线的状况。

Description

基于数字孪生的在线监测***

技术领域

本发明涉及一种基于数字孪生的在线监测***，属于信息与自动控制技术领域。

背景技术

现有的智慧工厂运维***,在智慧工厂内部出现故障点时,大都是采用人工进行检测的方法寻找故障点,然后通过维修人员进行检修,导致运维信息不能直观体现,出现故障时无法迅速定位故障点,操作过程繁琐,极大的增加了运维时间,运维的效率低,

远程在线状态监测诊断的研究相对于在管理生产中依靠人工采集和处理数据方式的实时性差、效率低，信息技术的发展使车间的生产水平得到大大提高，能够及时收集数据、处理和反馈数据，并且能动态制定生产工作计划，使远程在线监测成为可能。数字孪生智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，是在数字化工厂的基础上,利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务;清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性,减少生产线上人工的干预、即时正确地采集生产线数据,以及合理的生产计划编排与生产进度。并加上绿色智能的手段和智能***等新兴技术于一体,构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。

发明内容

为了解决现有制造平台自动化程度低，过于繁琐的问题，本发明提出了一种基于数字孪生的在线监测***。能够在数字孪生平台上对整个工厂生产线布局建模，以第三人称视角查看工厂内设备运转状态，监测管理人员能及时收集数据、处理数据和反馈数据，动态制定相应的生产工作计划以及能够指引客户了解整个车间分布及产品生产流水线的状况。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于数字孪生的在线监测***，包括传送站、仓库站、灌装站、压盖站和质检站，所述仓库站对灌装物料进行库位扫描或记录库存位置，所述灌装站把待灌装容器移送到灌装头正下方，完成物料灌装，所述压盖站对灌装好的容器进行加盖操作，所述质检站对完成灌装、加盖后的物品进行质检，所述传送站用于物品在仓库站、灌装站压盖站和质检站之间的传输。

所述仓库站内设***垛机，所述码垛机具有两个电机，包括X方向步进电机和Y方向直流电机。

所述传送站、仓库站、灌装站、压盖站和质检站内均设有数据采集模块、数据传输模块和数据存储模块。

所述传送站内设有漫射式光电传感器。

所述质检站内设有电感接近式传感器和电容接近式传感器。

本发明的有益效果如下：

（1）提供基于仿真技术的纯软件仿真智慧灌装线，应用虚拟仿真技术，使用软件Flash，Unity3D或HTML5编写的仿真对象，使用C++开发的S7-200SMART仿真PLC，实现绿色，安全的工业过程对象实训。方便教学、节省资金费用、大大降低维护成本。

（2）提供半实物仿真接口，利用真实的PLC实现对仿真对象的控制。

(3)监测管理人员能及时收集数据、处理数据和反馈数据，动态制定相应的生产工作计划。

(4) 实现高速的本地模块、设备和***之间的互联互通，以及快速的高速制造自动化仿真(支持高速伺服电机对象和控制仿真)。

(5) 实现可视化(VR,动画)、建模、真实控制器、仿真控制器、已建***、ERP等***的独立开发(动画、建模、控制独立)和互联互通。

(6) 支持各种总线接入、半实物仿真接入，以及真实控制器与数字平台的互联互通,构建虚拟和真实世界的无缝连接.

(7) 通过统一接口，实现各种虚实******与工业云平台的互联互通,从而构建从对象、检测、控制、监视。

(8) 针对智慧灌装线，能够实现学生的独立编程和多人协作。

附图说明

图1 为设备部分元器件预览图，其中：1-传送站，2-仓库站，3-灌装站，4-压盖站，5-质检站。

图2为基于Web 的数字孪生车间结构模型图。

图3为云平台接口分布图。

图4为工厂管理流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在介绍本专利实施例之前，先介绍数字孪生开发平台，以帮助理解本发明实施例中的相关方案。数字孪生开发平台是通过利用数字化模型、传感器更新、运行信号等数据，在虚拟空间中完成对现实自动化设备映射，创建与现实设备同步的虚拟设备，用于设备可视化的全生命周期管理。

数字孪生灌装车间制造过程，首先由仓库站中的码垛机进行库位扫描或等待用户（或图像识别***）给出库位信息，判断物料的个数以及种类，一种是铝原色，一种是部分或者全部黑色。记录库存位置。再由灌装站的功能是完成瓶子把待从物料台移送到灌装头正下方；然后灌装头通过步进电机移动到瓶子口，完成灌装，然后把灌装满的瓶子重新送回物料台，接着由加盖站的功能是完成将该站料仓内的盖子装配到放置在装配料斗的瓶子。其中，两个管形料仓分别安装塑料盖子和金属盖子。盖子推出装置用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。它主要由两个管形料仓、两个推料气缸、两个顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。下部是一个转盘，把瓶子送到盖子下方，然后由传输带送到质监站，质检站是最末站，完成对上一站送来的已灌装、加盖的产品进行质检。按照生产单物料属性进行质检，并进入分类料槽中。当输送站送来工件放到传送带上并为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，开始送入质检区进行质检。传送和质检机构主要由传送带、出料滑槽、推料（质检）气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器，电感接近式传感器（检测金属）组成，电容接近式传感器（检测塑料）。传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感器检测到并进行质检并由输送站工艺功能驱动其抓取机械手装置精确定位到指定站的物料台，在物料台上抓取瓶子，把抓取到的瓶子输送到指定地点然后放下的功能，放到传送履带上的纸箱中，最后由自动化封箱机将纸箱打包密封好，最终实现高度自动化流水线作业。

智慧灌装线仿真***采用了FLASH 2.5D设计，或者Unit3D设计。与真实***具有基本一致的结构和操作方法。由立体仓库、灌装、加工、装配、质检5个工作站组成，如图1所示。

智慧灌装线工艺过程描述

一、仓库站

所述仓库单元的主要结构组成为：仓库库位、码垛机、电磁阀组、端子排组件、PLC、底板等。如果没有图像识别***，则使用触摸屏人工识别发送。

具有4行4列库位，其中右边第二行库位用于把物料给传输站。这个库位有一个传感器。库位上的物料包括两种。

码垛机具有两个电机，包括X方向步进电机，Y方向直流电机，Z方向为平推气缸。

码垛机启动后回到原位。之后等待用户给出库位信息，获得所有的物料库存。然后依据订单要求，从最近的位置获取物料。启动时，码垛机进行库位扫描或等待用户（或图像识别***）给出库位信息，判断物料的个数以及种类，一种是铝原色，一种是部分或者全部黑色。记录库存位置。

二、灌装站

所述灌装站的功能是完成瓶子把待从物料台移送到灌装头正下方；然后灌装头通过步进电机移动到瓶子口，完成灌装，然后把灌装满的瓶子重新送回物料台的过程。

三、加盖站

所述加盖站的功能是完成将该站料仓内的盖子装配到放置在装配料斗的瓶子。其中，两个管形料仓分别安装塑料盖子和金属盖子。盖子推出装置用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到出料台上。它主要由两个管形料仓、两个推料气缸、两个顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。下部是一个转盘，把瓶子送到盖子下方。

四、质检站

所述质检站是最末站，完成对上一站送来的已灌装、加盖的产品进行质检。按照生产单物料属性进行质检，并进入分类料槽中。当输送站送来工件放到传送带上并为入料口光电传感器检测到时，即启动变频器，开始送入质检区进行质检。传送和质检机构主要由传送带、出料滑槽、推料（质检）气缸、漫射式光电传感器、光纤传感器，电感接近式传感器（检测金属）组成，电容接近式传感器（检测塑料）。传送已经加工、装配好的工件，在光纤传感器检测到并进行质检。

五、传送站

所述输送站工艺功能是：驱动其抓取机械手装置精确定位到指定站的物料台，在物料台上抓取瓶子，把抓取到的瓶子输送到指定地点然后放下的功能。

基于数字孪生开发平台，本发明实施例中提供了一种工厂管理***，用于对工厂等比例3D模型的管理。具体方案如下所述：

如图2所示，本发明中研究的车间数字结构体系的目标是形成车间制造过程远程监测***，重点是实现对车间数据的分析管理和多样化的远程应用，因此，本发明提出了基于Web的数字孪生车间结构模型，它由以下五层组成，物理实体层、虚拟模型层、数据保障层、分析计算层、***应用层等。

本发明中生产车间中现实存在的实体集合，主要包括生产厂房、生产设备、加工材料、传感检测器、操作人员、环境等实体要素，各要素相互协调配合接收生产任务、执行生产指令、采集生产数据，完成生产过程。是生产车间数字结构建模的基础。

本发明中虚拟模型层是物理实体层的镜像超写实模型，是包含所有信息和知识的数字镜像，包括几何模型、物理模型、行为模型及规则模型等4层概念。几何模型描述实体要素的尺寸、形状、位置、装配关系等几何相关参数;物理模型对实体要素的应力、应变、疲劳等物理属性予以分析;行为模型描述物理实体层对外界的输入或干扰的到来作出的响应;规则模型对物理实体层运行的规律进行评估、优化、预测等。虚拟模型层应具有唯一性、虚拟性、多物理性、多尺度多层次性、集成性、动态性、超写实性、可计算性、概率性和多学科性等多种特性，负责描述生产过程在虚拟空间的监测与分析、仿真与优化、预测与调控等功能。

本发明中数据保障层作为整个上层体系运作的支撑，主要由数据采集、数据传输和数据管理三部分组成。***的数据来源主要包括物理实体层数据、虚拟模型层数据、分析计算层数据、服务应用层数据以及四者的交互过程产生的数据，还包括MES、ERP、DOM等***传来的数据，覆盖全要素、全业务、全流程，并随着实时数据的到来进行补充、更新和清洗，是其余四层运行的驱动和引擎。依靠先进的传感技术，信号传输存储技术，能够更加快速、准确、充分地获取数据，消除车间现场信息孤岛，全面实现车间自动化设备的集中管理与控制，实现生产过程透明、可控，方便相关人员实时获知设备运行状态和车间生产情况，为车间生产过程监测管理的智能化提供保障。

本发明中分析计算层是重要的功能支持层，为生产线带来了“智能”。硬件方面主要包括了嵌入式设备、云服务器等高性能计算平台设备;软件方面主要是对虚拟模型层中物理模型、行为模型、规则模型的计算机程序表达，另外还包括信号处理、机器学习、加工质量分析、故障诊断预测、设备健康管理、资源优化配置、车间调度、能耗管理、可视化，数据融合与挖掘、闭环控制等算法，以及高性能、大规模、分布式计算等计算方法。分析计算层从杂乱无章的原始数据中提取出能反映问题本质的特征数据，其得到的结果才是真正有用的信息，将直接为***应用层的各项服务提供支持，最终为智能车间的建设所用。

本发明中***应用层面向实际生产车间的生产、物流、维护等需求提供相应的功能模块，集成了监测、控制、分析、管理等各类信息***，在数据保障层的驱动和分析计算层的支持下对车间的智能化管控任务如智能计划排产、工艺路径规划、生产过程管控、设备健康管理、产品质量把控、能效优化分析、服务融合协同等提供服务和支持。***应用层提供智能制造、实时监控、优化管理以及可靠运维服务，用户可以得到清晰直观、易于理解的展示形式，同时可以和***进行交互，甚至还可以进一步获得VR、AR、MR的沉浸式感受。***应用层应满足以下要求以方便使用与维护:

1、具有丰富的接口，***应用层必须与数据保障层、分析计算层等连接和通信;

2、具有友好的界面，界面的显示应符合专业特点，并简洁直观，容易操

3、各模块间必须耦合性低，其中一个模块变动时，不影响其他模块正常工作。

本发明中的VR动画设计三维动画也称为3D动画，是计算机虚拟程序开发应用的典范。首先，通过虚拟程序根据图像建立相应的虚拟画像; 其次，根据物像调控尺寸，设定模型的运动轨迹，明确虚拟摄影的运动及参数变化情况;最后，增加主体物象运动改变所需的外界辅助因素，例如灯光、色彩的应用等。当智能化程序开启后,相应要素同时完成放映,最终获得相应的图形。与普通的二维图形改变相比，三维动画可以很好地把正视图、俯视图、侧视图融为一体，完成动态画质的整体应用，也让整个画质的真实性及清晰感变强。伴随三维动画技术进一步的分析和探索，三维动画创建当中色彩的调节、人物造型的建立变得立体饱满，应用领域在不断扩展。

如图3所示，本发明中的云平台接口开发，云平台由四个部分组成，包括存储层、基础管理层、应用接口层、访问层。

存储层是云存储最基础的部分。存储设备可以是FC光纤通道存储设备，可以是NAS和iSCSI等IP存储设备，也可以是SCSI或SAS等DAS存储设备。云存储中的存储设备往往数量庞大且分布多不同地域。彼此之间通过广域网、互联网或者FC光纤通道网络连接在一起。

基础管理层是云存储最核心的部分，也是云存储中最难以实现的部分。基础管理层通过集群、分布式文件***和网格计算等技术，实现云存储中多个存储设备之间的协同工作，使多个的存储设备可以对外提供同一种服务，并提供更大更强更好的数据访问性能。

应用接口层是云存储最灵活多变的部分。不同的云存储运营单位可以根据实际业务类型，开发不同的应用服务接口，提供不同的应用服务。比如视频监控应用平台、IPTV和视频点播应用平台、网络硬盘应用平台，远程数据备份应用平台等。

访问层是人机交互式界面，提供设备与人的交互渠道，是双向的沟通，客户可在终端设备上进行需求新的访问。

如图4所示，智慧生产数字孪生平台包括云平台接口开发模块，其他组态开发，VR动画设计模块，触摸屏程序开发模块，用于仿真部件的可以是以下三个或者更多：直线运动，旋转运动，气缸运动，还有上文中提到的五个站：立体仓库、灌装、加工、装配、质检组成，有N个站程序开发将开发的程序发送给S7-200SMART，再由S7-200SMART发送给智慧生产线数字孪生平台。

Claims (5)

1.一种基于数字孪生的在线监测***，其特征在于，包括传送站、仓库站、灌装站、压盖站和质检站，所述仓库站对灌装物料进行库位扫描或记录库存位置，所述灌装站把待灌装容器移送到灌装头正下方，完成物料灌装，所述压盖站对灌装好的容器进行加盖操作，所述质检站对完成灌装、加盖后的物品进行质检，所述传送站用于物品在仓库站、灌装站压盖站和质检站之间的传输。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的在线监测***，其特征在于，所述仓库站内设***垛机，所述码垛机具有两个电机，包括X方向步进电机和Y方向直流电机。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的在线监测***，其特征在于，所述传送站、仓库站、灌装站、压盖站和质检站内均设有数据采集模块、数据传输模块和数据存储模块。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的在线监测***，其特征在于，所述传送站内设有漫射式光电传感器。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的在线监测***，其特征在于，所述质检站内设有电感接近式传感器和电容接近式传感器。

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