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作者简介 | 愚公搬代码 |
头衔 | 华为云特约编辑,华为云云享专家,华为开发者专家,华为产品云测专家,CSDN博客专家,CSDN商业化专家,阿里云专家博主,阿里云签约作者,腾讯云优秀博主,腾讯云内容共创官,掘金优秀博主,亚马逊技领云博主,51CTO博客专家等。 |
近期荣誉 | 2022年度博客之星TOP2,2023年度博客之星TOP2,2022年华为云十佳博主,2023年华为云十佳博主,2024年华为云十佳博主等。 |
博客内容 | .NET、Java、Python、Go、Node、前端、IOS、Android、鸿蒙、Linux、物联网、网络安全、大数据、人工智能、U3D游戏、小程序等相关领域知识。 |
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构建数字孪生车间首先需要将物理车间的生产要素建模,实现虚拟化;接着通过集成各种系统,创建数据驱动的可视化监控平台;然后在此基础上实现交互式控制与实时数据采集;最终通过数据流通和反向优化,实现车间生产过程的持续优化。
阶段 | 目标 | 核心内容 |
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虚仿实 | 将物理车间的设备设施、环境因素等进行建模,实现车间透明化管理及生产要素可视化。 | 建立车间的数字化模型,虚拟化物理车间的结构和状态,为后续管理和监控打下基础。 |
虚映实 | 基于建模结果与MES、设备监控系统、物联网集成,实现三维虚拟可视化监控。 | 实时数据驱动虚拟工厂监控,查看生产计划、设备状态、质量状态等,融合虚拟与物理车间,打破时间、空间限制。 |
虚控实 | 通过数字孪生车间实现对物理车间生产设备的指令发送和管控。 | 实现交互式控制,数字孪生车间不仅展示监控,还能直接控制生产设备,提升自动化和精细化管理水平。 |
虚优实 | 采集物理车间实时数据,结合虚拟车间模型进行持续优化。 | 通过数据流通与反向作用,实现生产计划、工艺、布局的持续优化,提升生产效率和质量。 |
根据工信部和国家标准化管理委员会联合发布的《国家智能制造标准体系建设指南》,互联互通是智能制造建设架构的关键特征之一。它通过有线和无线通信技术,连接各类设备、系统和网络,实现信息和资源的共享与交流,从而提升智能化水平。互联互通在多个领域得到应用,如物联网、工业大数据、智能交通等。
在智能制造领域,互联互通包括车间内外的设备和系统连接。车间内部通过物理网络实现生产设备与信息化设备的互联共享数据,提升生产和管理效率。在多个车间之间,设备与信息系统的互联则有助于从整体上协同生产与管理,进一步提高产能和效率。因此,互联互通是智能制造的基础性标准。
除了物理网络连接,互联互通还需确保不同设备和应用之间具备适配不同场景的服务方式和信息传输通道,包括物理网络和信息网络等。在离散型制造业中,互联互通可分为设备互联和软件互联两部分:
在数字孪生车间建设中,互联互通是重要基础设施之一,有助于提升生产和管理效率。由于现场设备种类繁多、系统异构,工业大数据处理面临并发量大、异构性强等挑战,但通过建设有效的数据采集系统,可以实现车间生产数据的采集、检测、统计与分析,从而支持现场设备与企业管理层的信息互通和协同控制。
此外,互联互通还包括从企业管理层向现场自动化控制设备下达指令,实现制造过程的智能化与优化。数字孪生模型通常通过数据分析或推理等方式支持优化控制,从而提升生产智能化水平。
综上,互联互通不仅是制造资源采集和信息交换的基础,还为实时控制和优化提供支持,是智能制造中不可或缺的一部分。
数字孪生车间的建立是通过对物理车间的1:1还原仿真建模来实现的。使用三维建模软件,基于仿真平台提供的标准模型库和定制模型库,可以构建车间全要素的虚拟映射对象,并对模型进行轻量化处理。这些虚拟映射对象包括二维、三维模型及相关动画,可以在模型中建立属性信息,并对车间内的生产流程进行逻辑预设。通过参数化设置,每个独立要素的属性及运行逻辑可以被明确,并以数据表的形式驱动数字孪生模型的建立。
例如,在生产线模型中,可以建立不同生产设备的虚拟映射对象,并将其在数字孪生模型中拼装与集成,以模拟整个制造流程;在仓储运输模型中,可以创建物料和仓库的虚拟映射对象,模拟物料的入库、出库及仓储管理等过程。通过这些模型,数字孪生车间能够实现对生产过程及仓储管理的快速、准确仿真,同时积累数据对生产过程进行反向优化,推动制造过程智能化。
层次化建模采用树形结构来表达车间内各对象及其组成部分之间的逻辑关系。如图3-4所示,车间的管理对象可以分为四大类:生产线、物流、主体仓库及其他可移动设施。每一类下再细分成具体的对象,如生产线下的设备、上下料机械手、流水线及线边暂存物;立体仓库下的堆垛机、货架、传送带等;可移动实体包括各种工件、工装载具和机器人等。
树形结构有助于清晰表达各对象间的关系,并为数字孪生车间建模提供支持。每个对象包括多种属性,如路径、位置、运行参数、显示图标及所属类别等。这些属性应根据实际生产情况设置,并在仿真平台上进行编辑。编辑完成后,相关对象可以保存在对象库中,并记录在对象表中。
基础数据的正确性与完整性是数字孪生模型能够准确模拟生产环境的关键。尤其是车间内各种对象的基础数据(如生产线、立体仓库、AGV运输系统等),应结合参数化思想进行标准化处理,便于数字孪生模型的读取和配置。这些基础数据可以保存在数据表中,以便进行管理和配置。
例如,针对车轮浇铸过程,需要建立生产线、立体仓库及AGV运输等基础数据。具体的数据表包括生产线基础数据表、立体仓库基础数据表和AGV运输系统基础数据表,均可作为数字孪生车间建模的参考数据。通过读取这些数据表,能够配置每个对象的基础属性和相关参数,从而实现对生产过程的准确模拟和优化。
以上数据表中的属性和取值可以根据实际情况进行设置和调整。在数字孪生车间建模过程中,可以通过读取这些数据表中的数据,直接配置每个对象的基础属性和相关参数,从而实现数字孪生车间模型对车间生产过程的准确模拟和优化控制。
仿真运行逻辑建模的关键在于将物理车间的生产物流规则与策略转化为仿真模型,并在对象的Method中编写程序驱动可移动实体的运转。这一过程不仅要实现规则策略的参数化设置,还能简化复杂的生产物流过程,以流程图的方式展示车间生产流程,推动流程优化与改进。
1、铝制品铸造流程图
2、立体仓库运行流程图
以铝制品铸造车间为例,铝制品浇铸和立体仓库的运行流程可以通过编写相关代码进行仿真。例如,AGV运输系统的运行可通过路径规划算法实现空闲AGV的调用、路径自动规划及自动取送;在立体仓库中,可以通过算法和程序实现自动入库堆垛和拆垛出库。规则引擎等技术可用于自动化管理和优化车间的生产物流,进一步提升仓储管理的有序性。
3、物料入库流程
在数字孪生车间建模中,完成车间对象的层次化建模后,接下来是按照树形结构对车间对象进行分类。市面上已有多种三维建模工具,其中比较成熟的有 Plant Simulation 仿真平台和广泛应用于工业行业的 卓朗2D/3D编辑器 等。本文将以 卓朗2D/3D编辑器 为例,探讨如何进行数字孪生车间的可视化建模,具体步骤包括针对每一个车间要素进行建模并进行数字化映射。
为了便于管理,整个数字孪生车间的模型可按照功能大类划分为三个主要模块:
这三个模块可以通过接口进行互联互通,实现数据交换和操作协同。同时,每个模块之间保持相对独立性,这样在实际车间调整时,可以更加灵活地进行配置,减轻模型维护的压力,更好地适应实际生产中的变动需求。
在建模过程中,可以应用多种现代化技术,包括:
这些技术的应用能够帮助实现更加真实和直观的生产模拟,从而提升车间流程的可视化效果和操作直观性。在对象模型中,还可以设置各种操作方法和模拟行为,细致模拟和优化车间生产过程。
本书中采用的 卓朗2D/3D编辑器 是一款基于 B/S架构 的专业可视化编辑工具。它具有强大的项目管理和编辑能力,支持:
该编辑器广泛应用于各类数据分析与展示场景,提供行业级的可视化解决方案,能够满足用户对可视化大屏编辑工具的各种需求。
在数字孪生车间建模过程中,通过使用 2D/3D编辑器 和 三维建模软件 等工具,可以为车间中的各个对象建立三维模型和动画路径,并为每个对象设置相关的属性和参数。这种方式不仅提升了数字孪生模型的直观性和沉浸感,还在车间布局规划、干涉检验等方面起到了重要作用。
建立数字孪生车间的1:1还原仿真模型后,仿真平台通过 ODBC接口 方便地访问数据库中的数据,如 对象库 和 对象表。
在数字孪生建模过程中,仿真平台可以动态地向 对象库 或 对象表 中添加、修改或删除数据,实现对车间生产过程的灵活控制和优化。
在仿真平台初始化时,系统会读取数据库中的数据并进行解析,自动创建车间的静态布局模型。通过参数化设置,仿真平台可以对车间内的运行逻辑、对象图标、三维模型等属性进行配置,从而实现数据驱动的数字孪生车间建模。这种方式使得数字孪生车间能够全面进行数字化仿真和优化控制,进而提升生产效率、质量水平和环境可持续性。
在建模过程中,三维模型和动画路径通常作为对象的特殊属性进行设置。具体做法如下:
这种方式为数字孪生模型的可视化和直观呈现提供了关键支持,帮助更好地模拟车间的生产过程。
数字孪生需要物理设备和虚拟模型之间的虚拟现实映射和优化迭代。物理设备的实时数据采集对于在数字孪生环境中实现准确的虚拟和物理同步至关重要;数字孪生车间的数据采集可以为车间的仿真运行逻辑建模提供验证及优化数据,也可为车间的实时动态管理提供基础。因此,需要建设数据采集系统,为互联互通的设备提供数据统一的出口,成为数字孪生车间的数据来源,从而为数字孪生模型的构建和应用提供有力的支持。
数字孪生车间的实时数据是实现虚拟与现实交互的重要基础,因此明确需要采集的数据是构建数字化车间管理的前提。根据车间的管理需求,数据采集可分为以下几类:
建立数字孪生数据采集系统需要依靠数据采集设备及相应系统来实现数据的采集、汇聚、清洗与利用。本文以 卓朗天工工业互联网盒子 Troila Box 为例,阐述了数据采集系统的架构。
Troila Box 可实现对多源设备、异构系统等信息的实时高效采集和汇聚。它支持接入不同设备、系统和产品,采集大范围的工业数据,并通过协议转换与边缘处理优化数据利用,打破传统的数据壁垒,实现数据的最大化价值。
数据采集系统提供了多个功能模块,支持对工业互联网盒子的配置、驱动管理、监控点管理、历史数据管理等。
卓朗天工 Troila Box 是一款支持多协议的工业物联网数据终端,解决了工业设备物联、数据采集和远程监控的难题。其硬件特点包括:
数字孪生车间是在智能设备的基础上构建的数字化、网络化和智能生产的动态生产模式,通过实时数据采集和历史数据的积累挖掘,充分发挥人的作用,切实做到“降本提质增效”,有效地提升了企业的竞争力。数字孪生车间建设要以实际需求为牵引,以经济效益为驱动,以成功落地为导向,根据不同行业、工厂、车间的信息化程度,面对当前亟待解决的痛点各个击破,并全局一盘进行数字化孪生车间的建设及应用。比如,可在工厂的前期规划或提升改造阶段,利用数字孪生车间的管理系统对车间规划方案的仿真进行定量评估和分析,科学地指导车间的设计调整;在生产执行阶段,可利用物理车间的实时数据驱动仿真机制,实现仿真运行和虚实交互的三维模拟监控等。
数字孪生车间管理系统的基础功能之一是车间全要素的可视化。这是实现虚拟与现实交互管理的重要基础。通过3D可视化的工业建模,将生产设备、车间布局等物理空间信息呈现在系统中。
通过将数据采集系统的数据库与数字孪生车间管理系统进行关联,可以实现对生产线的实时展示和监控。
生产排程是车间管理中至关重要的环节,数字孪生车间管理系统的核心目标之一是优化生产排程,提升生产效率。
传统的车间布局规划通常依赖于二维图纸或静态模型,进行方案对比与选择。基于数字孪生技术,车间布局可以通过3D建模和仿真优化,提升设计效率和精确度。
加工工艺仿真是现代制造业中提升竞争力的重要手段,能够优化生产过程、提高效率、降低成本,并减少生产中的风险。
加工工艺仿真带来的优势:
设备是制造业生产过程中的核心要素,数字孪生车间管理系统通过监控和优化设备状态与工艺参数,帮助提高产品质量与生产效率。
工业车间能耗监测管理平台通过多种方式对能耗异常进行预警,支持预警事件的保存、查询和统计分析。
通过数字孪生系统,企业能够有效提高能效、降低能耗成本,提升整体生产效率,从而增强竞争力。
数字孪生车间管理系统通过对生产物料和成品运输进行物流规划和配送指导,优化物流流程,提高线边存储和运输效率。具体功能如下:
通过这一系统,车间物流流程得到有效优化,运输效率显著提升。
数字孪生车间中的虚拟巡检功能可以提升巡检效率,减少设备故障和安全隐患,降低实际巡检的体能消耗和安全风险。
数字孪生车间的虚拟巡检和远程运维提升了设备管理的智能化和效率,避免了实际操作中的安全隐患。
数字孪生车间管理系统通过虚拟培训,帮助从业人员提升操作技能与安全素质,特别适用于高温、高风险的生产环境。
虚拟培训不仅提高了从业人员的技能和安全素质,还为企业节省了现场培训的时间和成本。
原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。
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