面向离散制造企业的数字孪生工厂构建方法

面向离散制造企业的数字孪生工厂构建方法

麻敬杰 严增尧 彭书浙 王旭

宁波创元信息科技有限公司 浙江宁波 315800

摘要：数字孪生技术是生产系统的数字化模板，能够以信息交互的方式与实际生产系统进行交流，其最大优点在于可以实时复制生产系统并对其中的有利因素进行分析。数字孪生技术能够自定义明确的服务用以支持生产系统中的各种活动，例如安全监测、设备维护与管理、系统优化和安全等等。本文通过分析离散制造业的现状找出实施数字孪生工厂的不足之处，重点研究数字孪生工厂与物理控制系统的集成度，简要介绍离散制造企业的特点，并由这些分析结果提出数字孪生工厂的产线设计以及数据采集方案，具有一定的理论参考价值。

关键词：数字孪生技术；离散制造业；物理控制系统；金字塔理论

1引言

随着互联网技术的发展传统制造业迎来了新的机遇和挑战，由此提出了许多新的工业制造技术，例如智能化控制、网络物理系统等等^[1]，这些技术能够在数字环境中实时收集和传输数据，并建立真实生产过程的数字化模型。工业4.0时代采用大数据和云计算作为支持系统，从现场读取大数据集、存储和分析数据，借助物联网保持连接和提取数据，这些互联网技术成为数字化模拟的基础，它利用生产系统中普遍存在的连接性来提供与现场的实时同步^[2]。

2数字孪生工厂简介

2.1离散制造企业生产特点分析

离散型工业生产与连续型工业生产具有较大的差异性，具体表现在设备管理、生产流程、生产产品、加工工艺等方面，下面具体介绍离散制造企业在生产流程的各个方面的特点：离散型工业生产为了提升企业竞争力都实现了多品类少批量的生产模式，例如飞机零部件制造，涉及到的零部件多达上千种但是每一种零部件的需求量都非常有限，这在连续型工业生产中完全无法实现；其次为了满足这种特殊的生产需求，离散制造企业的各种生产设备可实现功能会发生重叠，例如可实现各种零件加工需要的多种机床，这也导致了离散制造企业在完成产线产能设计时往往无法达到预期效果；最后离散制造企业生产的产品通常工艺要求较高，对生产操作人员的工作专业素养要求更为严苛。

2.2信息物理系统中的数字孪生技术

信息物理系统是工业4.0改革中非常具有前景的技术^[3]，该技术可以有效增加自动化生产的灵活性，信息物理系统可以分为信息部分和物理部分，在信息部分适合对计算机进行控制实现数据分析和实时模拟^[4]，其模拟模型可以分为以下两种：第一种是与信息物理系统的物理部分同步但是模型边界是系统本身，适用于独立的工作站，另外一种是更高层次的模拟，模拟模型托管在信息物理系统本身之外。通过这种模拟方式可以复制单个工作站或者整个生产系统的行为动作，模拟数据从单个信息物理系统收集。

现代制造系统的主要任务是利用这些特性实时预测和优化生产系统在每个生命周期阶段的行为。在制造业未来的发展趋势中，生产过程可以完全由信息物理系统来进行描述，这些系统能够直接从现场收集数据，并借助数字孪生技术的各种数字模型复制实际制造业中的物理生产系统，这些模型为物理设备的实时同步模拟开辟了道路。数字模型还包括适当的数据建模，以允许各种模型和工具的兼容性以及通用性，并向系统提供有关数字模型所携带的信息。

3构建方法与目标

数字孪生指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一个数字世界中一模一样的的实体，藉此来实现对物理实体的了解、分析和优化。数字孪生工厂可以打一个比喻，例如：一些复杂的工厂难以去理解或掌控，利用目前先进的数字化技术，我们将其复原出来，像镜子一样展现在我们面前。其主要的目的是如何将一个真实的东西用数字化的技术呈现出来。在数字化世界中，我们可以做自己想做的事情，而不去干扰真实的对象。要构建数字孪生工厂，需要考虑以下几方面内容：1）要建设一个非常好的针对真实对象的模型；2）由于数字孪生需要互动，所以需要很多传感器；3）获取数据后，我们需要进行分析数据的工作，所有数据都要处理分析。

针对离散制造企业来说，由于其生产的离散特性，存在多批次、小批量、定制化的特点，实际生产过程中，很多加工环节或工序难以全部自动化，尤其是装配环节，还是传统的人工方式，因此，在构建数字孪生工厂的过程中，需要设计合适的数学模型，将物理世界中的“人、机、料、法、环”均映射到虚拟世界中，并保持实时双向同步。

3.1产线设计

本文设计的生产线是模具制造生产线，配备有三台立式加工中心（需要工人操作）、一台立式数控机床（需要工人操作）、一台工业机器人（AGV小车）以及运输线，装配步骤如下：首先工厂会根据模具的加工要求设计合理的工艺路线，并且建立相对应的数字孪生模型，然后工业机器人准备就绪，工业机器人会根据实际加工要求选择合适的加工中心依次进行工作，机器人完成送料操作使工件到位，然后工人在一号加工中心放置工件，数控机床发生工装夹头动作夹紧工件然后进行加工，等待加工完成后，召唤机器人来取件，然后输送到二号加工中心重复与一号加工中心大致相同的操作，最后输送至三号加工中心，但是并不是所有的零部件都会经历所有加工中心的处理，会根据实际加工要求设计加工方案。

生产线中所有站点都配备有：PLC、应用模块以及人机界面。模具加工过程同时会在数字孪生模型上全程实时模拟，精准控制加工过程的产品质量。整个生产线连接到两台计算机上。第一台配备MOS系统，生产订单从MOS系统发出，并控制生产。另一台计算机拥有一个应用程序，该应用程序可以实时控制生产线上电流、功率等参数。

3.2数据采集方法

在生产线上配备有专门用于数据采集通信协议以及智能信息终端，OPC-UA是一种基于M2M通信的用于数字孪生技术的数据采集设备，这种协议允许软件工具与工业设备以及系统建立统一的体系结构，专门用于数据采集和控制并且已经用于工业自动化。同时OPC-UA拥有自我定义的安全机制，因此不需要额外设置额外的数据加密机制。生产设备配备了智能信息终端、PLC集成电路并使用OPC-UA通信协议，可以通过OPC-UA工具箱与设备实时建立连接。同时可通过智能信息终端作为客户端来查询服务器数据。数据交换过程可以保证是安全可靠的。支持不同供应商的硬件平台之间以及操作系统之间的安全数据交换。通过向智能终端、PLC集成电路和计算机采集数据的方法，用于分析生产系统的生产率、优化机器运行参数或进行安全性维护。

4 结论

随着工业4.0时代的到来，数字孪生技术也得到了相关研究人员的广泛关注。在制造业领域，数字孪生技术可以应用于系统维护、运行监控和优化系统状态，现在大多数生产系统仍然沿用传统的自动化金字塔结构。但是随着信息物理系统的出现可能会使生产系统的层次结构更加简单，控制方法更加灵活。信息物理系统的网络部分可以承载或连接到数字模拟。并且可以与数字孪生技术完美契合，然而需要构建完整的数字孪生模型，不仅需要对生产现场的数据进行收集，而且能够将模拟应用到生产实际中去，提供监控和优化服务。

参考文献

1. 林智成.数字孪生技术框架及其在制造业中的应用[J].工业控制计算机,2020,33(06):129-131+133.

2. 苏新瑞,徐晓飞,卫诗嘉,刘轶聆.数字孪生技术关键应用及方法研究[J].中国仪器仪表,2019(07):47-53.

3. 卢阳光,蒋子聪,齐绪强.流程工业数字工厂建设的标准化——以石油化工行业为例[J].中外能源,2019,24(07):83-89.

麻敬杰 1993.10.23 男 汉族 浙江缙云县 本科 初级职称 宁波创元信息科技有限公司 315800 部门经理

严增尧 1992.03.24 男 汉族 浙江宁波 本科 初级职称 宁波创元信息科技有限公司 315800 部门经理

彭书浙 1991.01.25 男 汉族 浙江温州 本科 初级职称 宁波创元信息科技有限公司 315800 副总经理

王旭 1989.11.26 男 汉族 河北石家庄 本科 初级职称 宁波创元信息科技有限公司 315800 副总经理