一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，特别涉及一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法。

背景技术

随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力，在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力，柔性已占有相当重要的位置。建造传统FMS时，总是希望柔性更高一些，自动化程度更大一点，但随之成本增加，技木难度也要增大。

传统的机械生产线只适合于大批量的刚性生产、品种单一、加工质量不稳定、精度不高、产品的自主开发创新能力较差、标准化生产导致个性化差异少。由于机器的重复度很高，只适合同种产品的大量生产，规模生产导致少量生产很困难。由于机械运作需要调整参数，达到一定的运行环境，所以如果少量生产的话，将会造成巨大的资源耗费。

传统的FMS系统通常本身不够柔性，传统的FMS系统往往基于专用的网络实现设备的联网，并基于定制的代码实现设备数据采集与监控，当柔性制造系统需要进行调整时，客户往往会受制于供应商是否能提供及时的、高质量的、合适成本的服务，这就会限制柔性制造系统本身的柔性。

发明内容

本发明的目的是提供基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法，可以在节约时间成本和经济成本的前提下，在产品研发、设计、预测、制造、测试、维护等过程提供理论指导，帮助工厂更好地应对全生命周期的新问题和挑战。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于数字孪生技术的FIMS设计方法，包括有以下步骤：

一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法，包括有以下步骤：

S1、设计提出面向全生命周期的新型数字孪生柔性智能制造系统架构，其中包括有制造运行管理MES系统、DT系统、FMS系统、IOT-Enabler系统、底层硬件设备等；

S2、根据实际车间的构成，将车间对象主要分为加工生产线、RMFS物流运输线、立体仓库、可移动对象AGV等类型，建立真实物理车间对应虚拟数字孪生体模型；

S3、建立FIMS数字孪生体数据采集系统，为了实现模型间的数据交互和外部实时数据的交互，孪生模型要根据运行逻辑交互信号和驱动数据建立通讯控制信号接口；

S4、建立FIMS加工生产系统；

S5、建立柔性智能制造系统中RMFS物流系统；

S6、建立立体仓库系统；

S7、建立基于数字孪生的车间远程虚拟监控系统：

S8、建立基于数字孪生预测性维护、故障分析系统。

作为优选，步骤S2具体包括有：

S201、根据物理实体进行真实映射，在matlab软件建立对应物理世界的相关数学孪生模型；

S202、利用Demo 3D建立物理实体的三维模型，将模型导入到Plant Simulation平台，并选择性地对模型进行轻量化处理，以减少运行时的显示压力；

S203、根据数学孪生模型获取对应孪生力学模型，并以参数化的方式设置对象属性参数和运行逻辑参数，进行优化参数调整，以使孪生力学模型生成数据与实测数据结果相匹配；

S204、对于三维模型中可运动的组成部件，设置其为可动画对象，进而编辑可动画组件的动作路径，并关联组件动画形成一个完整的动作；

S205、将实际车间系统中的生产物流规则和策略转化成仿真运行逻辑，在对象Method中编写以驱动可移动实体在数字孪生车间内部的运转，并实现相关规则策略的参数化设置。

作为优选，预测模型的构建具体为：

定义预测模型：DT

其中，OP

模拟故障因素对待预测设备进行检测，并输出仿真结果；通过仿真结果提取训练数据用于机器学习，部署算法，输出结果。

作为优选，步骤S3具体包括有：

S301、通过温度、压力、振动等分布式传感器获取数学孪生模型所需参数数据，规划车间的每一个车间要素，建立其虚拟数字化映射；

S302、数字空间通过内部UA客户端与现场实时数据建立连接，根据获取参数数据进行预处理，在驱动模型对物理实体的映射的同时对生产现场的反馈数据写入反控；

S303、搭建快速可靠的信息传输网络，信息的交互主要基于OPC协议的同步读/写、异步读/写以及订阅方式实现，将系统状态信息安全、实时地传输到上位机，实现OPC UAServer与OPC UA Client的数据传输；

S304、设计UA服务器应用架构，包括有工业机器人、PLC、传感器、工控机、电缆线及网线设备组成的通信网络构架物理层；通过以太网协议进行数据传输的数据链路层；使用TCP/IP协议的网络层与传输层；使用OPC UA协议作为数据协议的应用层；

S305、通过以太网将服务器连接交换机进而连接至工控机，根据服务器IP地址将工控机的IP设置为与服务器同一网段；数字孪生系统的数据通信模块通过获取本机IP与服务器的URL进行连接。

作为优选，步骤S4具体包括有：

S401、在数字孪生系统中通过使用订阅的方式来触发读取数据的事件，制造运行管理系统调度系统传送生产订单信息和工件属性；

S402、立体仓库输出所需工件，RMFS物流系统AGV将工件放入环形传送带，输送达到各功能模块进行加工、组装；

S403、物料经过视觉分析，判断机器人是否进行工作；

S404、CCD非接触图像检测、装配工作，立体仓库没有原料提供时由补料单元供料。

作为优选，步骤S5具体包括有：

S501、在孪生数据中心中，对订单进行处理，将相应的生产任务转变成任务数据，任务数据传输到数字孪生系统进行后续操作，任务数据存储在数字孪生数据中心库；

S502、在孪生系统中，根据任务数据和实时运行数据生产初始调度方案，借助虚拟仿真系统，模拟调度方案，根据仿真结果确定最佳调度方案，将仿真结果数据传递给孪生数据中心；

S503、在孪生数据中心中，根据接收到的仿真结果数据生成相应的指令，将指令传递给物理系统。物理系统读取数据中心传递的指令，指导人员操作、AGV运行。

作为优选，步骤S6具体包括有：

S601、RMFS物流系统将AGV运行数据和调度缓存数据输送到孪生数据中心，在孪生数据中心，根据仓库系统读取的数据，将指令传递给AGV；

S602、订单处理方法是通过订单整合，为订单分配工作站，根据订单情况确定是否补货、如果补货生成相应补货任务，根据工作站拆分成相应的拣货任务，根据系统需求确定拣选后的盘点任务。确定补货、拣货、盘点任务，即可生成任务数据；

S603、当生产线需要补料时，任务数据上传到孪生数据库，RMFS物流系统读取数据中心传递的指令，对应仓库做出响应；

S604、当生产线需要收料时，任务数据上传到孪生数据库，RMFS物流系统读取数据中心传递的指令，对应仓库做出响应。

作为优选，步骤S7具体包括有：

S701、孪生模型在生产线实时数据的驱动下实现对现场的同步映射，实时反应生产线生产情况；

S702、通过远程控制软件，满足多种设备远程运维安装，实现双向传输、远程诊断、远程配置、和CMD多样化控制；

S703、通过数据中心对生产过程的数据存储、数据统计、数据分析，对生产活动进行全方位、多角度的监控和和可视化服务。

作为优选，步骤S8具体包括有：

S801、PHM包含故障预测和远程诊断；

S802、智能传感器采集的实时数据传输到孪生数据中心；

S803、信号处理：对数据进行预处理和特征提取

S804、状态检测：利用模糊逻辑对阈值进行判断；

S805、将实际数据与预测数据进行对比健康评估，检测是否数据异常，若有异常数据，则进行数据融合、故障分析、最后故障维护。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

运用数字孪生技术，将FMS与IMS相结合提出一种新型FIMS架构设计方法，运用数字孪生技术在运行过程中自动进行信息收集及传输，自行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护，这种特征使智能制造系统能够自我优化并适应各种复杂的环境；随着工业机器人技术的成熟和应用，FIMS吸取了应用实践经验，总体结构采用模块化、通用化、功能化、软硬件功能兼容和可扩展的设计技术。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的结构示意框图；

图3为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的信息通信系统的数据通信网络构架图；

图4为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的数字孪生关键技术框图；

图5为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的数字孪生系统架构图；

图6为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的数据传输系统图；

图7为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的RMFS物流系统框图；

图8为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的生产加工流程图；

图9为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的运输流程图；

图10为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的产品入库流程图；

图11为本发明提供的一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法的产品出库流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

随着社会对多品种、中小批量产品的认同，对短生产周期、低制造成本的需求增加，并且将手工操作减少到最低，本发明运用数字孪生技术，将FMS与IMS相结合提出一种新型FIMS架构设计方法。同时，运用数字孪生技术在运行过程中自动进行信息收集及传输，自行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护，这种特征使智能制造系统能够自我优化并适应各种复杂的环境。

FIMS的柔性，自动化程度以及生产的实现直接取决于其系统结构。结构还将影响FIMS各部分之间的集成性、计算机通迅网络的选配，FIMS中各控制设备和子系统的选配及功能安排等，系统结构若不合理，不仅会使FIMS的成本大幅度上升、系统庞大睫肿，而且达不到预期的效果，因此要解决好FIMS系统结构的设计。

贴合现代制造企业应用需求的新型柔性制造系统应该具备平台一体、柔性可配、虚实融合、人机协同这四大特点，并以此来解决传统柔性制造系统造成的数据孤岛、建设门槛高、不易改进等问题。本发明新型FIMS架构可为制造企业打造集全制造业务为一体、灵活、高效、透明、智能的先进柔性制造工厂提供强而有力的支撑。

根据一个或多个实施例，公开了一种基于数字孪生技术的FIMS系统架构设计方法，如图1所示，包括有以下步骤设计：

S1、设计提出面向全生命周期的新型数字孪生柔性智能制造系统架构，如图2所示，其中包括有制造运行管理MES系统、DT系统、FMS系统、IOT-Enabler系统、底层硬件设备等；

S2、根据实际车间的构成，将车间对象主要分为加工生产线、RMFS物流运输线、立体仓库、可移动对象AGV等类型，建立真实物理车间对应虚拟数字孪生体模型；

S3、建立FIMS数字孪生体数据采集系统，为了实现模型间的数据交互和外部实时数据的交互，孪生模型要根据运行逻辑交互信号和驱动数据建立通讯控制信号接口；

S4、建立FIMS加工生产系统；

S5、建立柔性智能制造系统中RMFS物流系统；

S6、建立立体仓库系统；

S7、建立基于数字孪生的车间远程虚拟监控系统：

S8、建立基于数字孪生预测性维护、故障分析系统。

步骤S2具体包括有：

S201、根据物理实体进行真实映射，在matlab软件建立对应物理世界的相关数学孪生模型；

S202、利用Demo 3D建立物理实体的三维模型，将模型导入到Plant Simulation平台，并选择性地对模型进行轻量化处理，以减少运行时的显示压力；

S203、根据数学孪生模型获取对应孪生力学模型，并以参数化的方式设置对象属性参数和运行逻辑参数，进行优化参数调整，以使孪生力学模型生成数据与实测数据结果相匹配；

S204、对于三维模型中可运动的组成部件，设置其为可动画对象，进而编辑可动画组件的动作路径，并关联组件动画形成一个完整的动作；

S205、将实际车间系统中的生产物流规则和策略转化成仿真运行逻辑，在对象Method中编写以驱动可移动实体在数字孪生车间内部的运转，并实现相关规则策略的参数化设置。

预测模型的构建具体为：

定义预测模型：DT

其中，OP

模拟故障因素对待预测设备进行检测，并输出仿真结果；通过仿真结果提取训练数据用于机器学习，部署算法，输出结果。

步骤S3具体包括有：

S301、如图5所示，通过温度、压力、振动等分布式传感器获取数学孪生模型所需参数数据，规划车间的每一个车间要素，建立其虚拟数字化映射；

S302、如图6所示，数字空间通过内部UA客户端与现场实时数据建立连接，根据获取参数数据进行预处理，在驱动模型对物理实体的映射的同时对生产现场的反馈数据写入反控；

S303、搭建快速可靠的信息传输网络，信息的交互主要基于OPC协议的同步读/写、异步读/写以及订阅方式实现，将系统状态信息安全、实时地传输到上位机，实现OPCUAServer与OPC UA Client的数据传输；

S304、设计UA服务器应用架构，如图3所示，包括有工业机器人、PLC、传感器、工控机、电缆线及网线设备组成的通信网络构架物理层；通过以太网协议进行数据传输的数据链路层；使用TCP/IP协议的网络层与传输层；使用OPC UA协议作为数据协议的应用层；

S305、通过以太网将服务器连接交换机进而连接至工控机，根据服务器IP地址将工控机的IP设置为与服务器同一网段；数字孪生系统的数据通信模块通过获取本机IP与服务器的URL进行连接。

如图7所示，步骤S4具体包括有：

S401、在数字孪生系统中通过使用订阅的方式来触发读取数据的事件，制造运行管理系统调度系统传送生产订单信息和工件属性；

S402、立体仓库输出所需工件，RMFS物流系统AGV将工件放入环形传送带，输送达到各功能模块进行加工、组装；

S403、物料经过视觉分析，判断机器人是否进行工作；

S404、CCD非接触图像检测、装配工作，立体仓库没有原料提供时由补料单元供料。

步骤S5具体包括有：

S501、如图8所示，在孪生数据中心中，对订单进行处理，将相应的生产任务转变成任务数据，任务数据传输到数字孪生系统进行后续操作，任务数据存储在数字孪生数据中心库；

S502、在孪生系统中，根据任务数据和实时运行数据生产初始调度方案，借助虚拟仿真系统，模拟调度方案，根据仿真结果确定最佳调度方案，将仿真结果数据传递给孪生数据中心；

S503、在孪生数据中心中，根据接收到的仿真结果数据生成相应的指令，将指令传递给物理系统。物理系统读取数据中心传递的指令，指导人员操作、AGV运行。

步骤S6具体包括有：

S601、RMFS物流系统将AGV运行数据和调度缓存数据输送到孪生数据中心，在孪生数据中心，根据仓库系统读取的数据，将指令传递给AGV；

S602、如图9所示，订单处理方法是通过订单整合，为订单分配工作站，根据订单情况确定是否补货、如果补货生成相应补货任务，根据工作站拆分成相应的拣货任务，根据系统需求确定拣选后的盘点任务。确定补货、拣货、盘点任务，即可生成任务数据；

S603、如图10所示，当生产线需要补料时，任务数据上传到孪生数据库，RMFS物流系统读取数据中心传递的指令，对应仓库做出响应；

S604、如图11所示，当生产线需要收料时，任务数据上传到孪生数据库，RMFS物流系统读取数据中心传递的指令，对应仓库做出响应。

步骤S7具体包括有：

S701、孪生模型在生产线实时数据的驱动下实现对现场的同步映射，实时反应生产线生产情况；

S702、通过远程控制软件，满足多种设备远程运维安装，实现双向传输、远程诊断、远程配置、和CMD多样化控制；

S703、通过数据中心对生产过程的数据存储、数据统计、数据分析，对生产活动进行全方位、多角度的监控和和可视化服务。

步骤S8具体包括有：

S801、PHM包含故障预测和远程诊断；

S802、智能传感器采集的实时数据传输到孪生数据中心；

S803、信号处理：对数据进行预处理和特征提取

S804、状态检测：利用模糊逻辑对阈值进行判断；

S805、将实际数据与预测数据进行对比健康评估，检测是否数据异常，若有异常数据，则进行数据融合、故障分析、最后故障维护。

数字孪生技术如图4所示，包括物理实体，虚拟实体，孪生数据，连接与集成，服务等关键技术。数字孪生体模型如图5包括物理实体建模模块、传感器模块、虚拟孪生模块、数据通信模块、功能模块。物理实体层作为数字孪生系统的基础，主要包括生产设备实体、数据采集与传输功能部件实体和操作人员实体三部分。生产设备实体主要包括工业机器人、机器人电气控制柜、滑轨式运载龙门以及产品工件等实体；数据采集与传输功能部件实体主要包括工控机、球形摄像头、可编程逻辑控制器(PLC)以及路由器等网关设备和无线大屏等展示设备；操作人员实体则为设备操作管理人员。孪生模型层作为工业机器人数字孪生系统的核心，主要由数字模型和孪生数据构成。

数字模型是对工业机器人生产过程的实体映射，真实反映了生产过程中机器人和工件等物理实体的位置、行为和状态特征。孪生数据是指生产活动中机器人等物理实体产生的数据以及由功能应用层反馈到数字模型后产生的融合衍生数据。此两部分结合而成的孪生模型是对FIMS的数字化构建，通过构建的虚拟数字空间完成对物理空间生产活动的再现，在虚拟空间的模型对生产活动的模拟和迭代优化，进而对物理空间生产活动再决策，如图6所示，为供应链数字孪生各要素的关系图。功能应用层作为FIMS数字孪生系统的服务，根据物理实体层和孪生模型层的虚实交互以及数据采集到的孪生数据，提供对生产过程的监控、优化以及物理实体层设备的维护等服务。

通过这种架构，实现了与PLM、ERP等信息系统的集成，避免了单独建设FMS导致的数据孤岛问题；可以充分利用FIMS已有的生产计划、生产执行、仓储管理、物流执行、设备管理、数据采集与监控功能模块，避免重复建设，极大的减少了FMS系统的投资；最重要的是，新型FIMS平台能够很好的支持各种生产方式向柔性生产持续改善。

传统的FMS系统往往基于专用的网络实现设备的联网，并基于定制的代码实现设备数据采集与监控，当柔性制造系统需要进行调整时，客户往往会受制于供应商是否能提供及时的、高质量的、合适成本的服务，这就会限制柔性制造系统本身的柔性。本发明基于成熟的工业物联网平台，构建柔性制造系统的数据采集与监控层，同时物联网平台提供了更好的开放性、更好的灵活性和扩展性，在需要调整时可以快速调整。本发明提供支持主流PLC、智能终端、智能设备的接入，可以自己扩展采集通信协议，当产线有调整，或引入新的硬件时，通过配置建模就可以解决问题，不会受限于传统FMS系统为特定的设备所编写的固化的代码，可以快速应对柔性生产持续改善对数据采集监控的需求。

本发明FIMS是研究FMS规划设计、生产调度和运行管理的有力工具，是解决制造复杂性的最佳途径。通过计算机建模和仿真分析，可以在规划、设计阶段就对柔性制造系统的静动态性能进行充分的预测，以便尽早发现系统布局、配置及调控控制策略方面的问题，从而更快、更好地进行系统设计决策

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。