数字孪生系列报道(三):数字孪生车间——玻璃生产线设计

        本期介绍由广东工业大学刘强教授团队撰写的《基于数字孪生的中空玻璃生产线设计与解耦方法》，该文2017年刊发在《IEEE Access》期刊第5卷。原文部分内容摘录如下：

        论文提出了一种基于数字孪生的中空玻璃自动化生产线快速定制设计与优化方法(如图1所示)。该方法紧紧围绕客户场地、产能、成本、遗留设备等个性化需求，首先建立了中空玻璃自动化生产线的专用数字化参考模型，支撑客户进行设备快速选型与数字化建模、整线布局设计、设备动作实现与在制品运动规划等；其后，攻克了“模型-装备-监控”多视图同步技术，将数字化的制造系统模型和物理装备进行虚实同步集成，形成整线的数字孪生系统，利用该系统进行多设备异地分布式集成与半实物化的近物理仿真，解决了生产线设计与集成测试成本高、周期长的问题；进而，分析了中空玻璃自动化生产过程中存在的耦合优化问题，提出了一种策略性解耦与计算性解耦相结合的解耦算法，作为引擎驱动自动化生产线及数字孪生系统的运行优化。

图1 基于数字孪生的生产线快速定制设计与优化方法

        如图2所示，基于数字孪生技术，搭建智能车间定制设计平台，实现车间的快速化定制。首先对车间装备进行三维建模，建立设备模型库，对单元设备进行模块化封装；再依据车间场地和工艺流程等对车间进行布局规划和仿真模型装配；然后对生产线的每一个环节进行运动方式设计、控制方案设计、执行算法引擎设计、仿真模拟动态运行；最后对设计方案进行效率分析、负荷分析、设计修正等。在该平台上可以对设备模型进行模块化封装，定制设计形成的设计方案（装配方案、运动方案、控制方案）可以进行动态运行、效果验证等，因此能够实现智能车间生产整线的快速化定制设计。

图2 基于数字孪生的车间定制设计平台

        如图3所示，提出了基于数字孪生的智能车间多视图同步技术，实现了车间虚实联动。利用数字孪生技术，保证实物与模型成功握手，完成通讯，确保在要求精度范围内两者的实时信息交互；采用时间包络机制，消除实物设备与数字模型的异步采样周期和PLC通讯时间产生的影响，实现异步采样、虚实同步的异步周期同步化过程，实物设备完成到数字模型的真实完整映射，模型反映实物的真实全生命过程，同时具备与实物模型高忠实度的物理属性，如摩擦力(F)、重力(G)、加速度(a)等。多视图同步技术可以真实模拟实物的整线配置、布局和运动情况，并将整线配置和运行过程中的优化问题抽象成数学模型，同时研发专用算法求解数学模型，根据求解结果调整整线参数配置和运行，如此迭代运行，支持整线优态运行。

图3 基于数字孪生的智能车间多视图同步技术

        如图4所示，提出了新型的智能车间分布式集成方法，支持不同单机供应商的设备进行异地上线测试。搭建工业控制网络，建立车间数字化模型与车间实物设备之间的通讯通道，利用软PLC控制数字化模型的动作，利用脚本控制在制品运动；通过下行指令二分、上行信号互较等机制，实现车间数字化模型与实物之间的动作与运动同步，大幅降低集成周期与集成成本。

图4 新型智能车间分布式集成方法

        如图5所示，论文搭建了中空玻璃自动化生产线快速定制设计与优化系统，研发了首条国产中空玻璃自动化生产线及其数字孪生系统，通过订单的模拟投放与整线的近物理仿真运行，进行整线性能评估与调控，初步试验结果表明该方法能有效提高了中空玻璃自动化生产线的定制设计效率与制造执行性能。基于数字孪生搭建的智能车间定制设计方法与平台具有多种应用模式，如：1）快速化定制，根据客户的个性化需求，快速部署满足客户需求的自动化生产线；2）分布式集成，支持设备异地集成，降低了整线集成周期与场地占用成本；3）透明化监控，通过将现场信息实时反馈到模型与系统，实现跨粒度、全视角的透明化监控；4）智能化运维，通过订单的模拟投放，精准预测订单的交货期、执行成本。

图5 中空玻璃自动化生产线快速定制设计与优化系统

《计算机集成制造系统》编辑部