268 / 2023-10-25 21:38:29

数智车间-基于Digital twin的生产车间监控软件（已参加吉林省赛区评审）

今天的数字化技术正在不断地改变每一个企业。未来，企业需要借助数字化技术才能不断发展，这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段连接企业的内部和外部环境。

这种数字化的转变对于传统的工业企业来说可能会非常困难，因为它同沿用了几十年的基于经验的传统设计和制造理念相去甚远。设计人员可能不再需要依赖于通过开发实际的物理原型来验证设计理念，也无需通过复杂的物理实验才能验证产品的可靠性，不需要进行小批量试制就可以直接预测生产工艺节拍，甚至不需要去现场就可以进行生产工艺的程序调试和实时监控生产现场的运行情况。

无疑将贯穿整个产品的生命周期，不仅可以加速产品的开发过程，提高开发和生产的有效性和经济性，更有效的了解产品的使用情况并帮助客户避免损失，更能精准的将客户的真实使用情况反馈到设计端，实现产品的有效改进。而所有的这一切，都需要企业具备完整的数字化能力，而其中的基础，就是数字孪生，即Digital Twin技术， 本项目就是聚焦数字孪生的技术在工业领域的应用。

数字孪生（Digital twin）是充分利用物理模型、传感器、实时数据等要素，实现物理车间和虚拟车间数模间的数据映射，从而反映相对应的实体运动过程，通在孪生数据的驱动下，实现车间生产要素、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间的迭代运行。

通过控制器PLC与车间数模间的控制和反馈信号的传递，PLC根据逻辑程序驱动数模并接受数模反馈，完成PLC程序的虚拟调试。

通过该系统，可提供与真实相同的虚拟车间环境，在虚拟的场景中观察现场设备的运行，更方便的了解诸如工业机器人、生产工艺等运行状态。项目具体的应用从以下三个方面体现：

利用产品的数字化模型对具体产品生产的工艺过程进行统一建模，对工艺可行性进行分析，验证，优化；可以在产品设计阶段模拟出整个生产过程，无需实物样机，使合格的设计模型加速转换为具体产品，能够在三维沉浸感的虚拟环境中真实再现一个具体的工艺过程，能够使用户在产品开发和生产规划阶段，对产品的工艺过程进行仿真和评估，从而能够检验既定的生产工艺，和优化生产过程。

通过建立超高拟实度的产品、资源和工艺流程等虚拟仿真模型，以及全要素、全流程的虚实映射和交互融合，真正实现面向生产现场的工艺设计与持续优化。在数字孪生驱动的工艺设计模式下，虚拟空间的仿真模型与物理空间的实体相互映射，形成虚实共生的迭代协同优化机制。

虚拟调试是将虚拟世界的工艺模型和真实控制设备PLC进行连接，目的是对复杂的生产系统进行功能测试，虚拟调试用于我们新建产线或设备改造的场景，传统工厂中，设备安装到位后才可以进行程序调试，而在数字化工厂中，系统程序和工艺流程在设备安装前就可以进行测试联调，通过虚拟模型仿真调试实现控制功能的完整性校验和控制程序的优化，同时改进迭代机械系统和控制系统。


在生产车间运行维护阶段，通过读取智能工业产品的传感器或者PLC控制系统的各种实时参数，构建可视化的远程监控，数字模型根据现场的数据可以真实反应设备的运转情况，包括设备运行状态、报警信息、产量等实时数据。借助数字孪生技术提升生产效率、降低设备故障率。

数字孪生通过设计工具、仿真工具、PLC控制器、虚拟现实等手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，可以让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的任务，如模拟仿真、虚拟调试、虚拟装配等，成为触手可及的工具，更能激发人们去探索新的途径来优化设计、调试和服务。

在工业领域，在车间产线设计阶段，通过与设计完全相同的1:1的数据建模，对工艺可行性进行分析，验证，优化，减轻实机调试的负担。在调试阶段，对PLC系统和数字模型的控制和反馈进行功能测试，减少现场调试时间，节约时间和成本，改进设计缺陷，降低设计冗余。在运行阶段，控制反馈信息不再是相对独立的参数，而是数字孪生呈现的物理实时状态，可对算法自主决策提供客观、有效的数据支持。

在教育领域，可为高校提供与真实相同的虚拟车间环境，通过数字孪生工业仿真软件、工业企业实际应用的资源库，利用数字孪生技术，PLC控制技术等虚实结合的手段，达到既能让学生感受到真实智能工厂的应用场景，满足教学、实训等需要；同时也能提升学生对数字孪生技术的兴趣，通过身临其境的调试体验，可以突破时空的限制，在虚拟的场景中观察现场设备的运行，更方便的掌握诸如工业机器人、PLC控制、生产工艺等相关知识。