一种用于植物工厂多环境变量映射的数字孪生建模方法

技术领域

本发明属于农业生产领域，涉及一种基于Tecnomatix Plant Simulation 15.0工业仿真软件实现的数字孪生建模方法。

背景技术

数字孪生(Digital Twin)是指以数字化形式模拟实体物理系统或过程的技术。数字孪生技术使用各种传感器和数据收集设备来捕获实体系统或过程的信息，并将其传输到数字模型中。这些数字模型可用于模拟实际系统或过程的运行情况，并用于预测和优化其性能。数字孪生技术已经应用于多个领域，在工业领域中，数字孪生可以模拟整个工厂的运行情况，从而优化生产流程、预测设备故障、提高生产效率。在农业领域中，数字孪生可以实时监测环境因子，控制植物工厂的环境变量，使得植物始终生长在最优环境中，从而提高生产效率，实现高效产出。由于物联网等技术的发展，数字农业近年来取得了长足的进展。作物数字孪生系统采用信息物理融合的思想，首先基于物联网技术完成植物工厂生产系统的数字化镜像，其次基于数字植物系统完成数据的智能化分析，进一步基于孪生数据完成应对未来情景的智能化决策，最后基于植物工厂控制系统完成决策的自动化执行。

发明内容

本发明的目的在于打造动态感知、协同高效、可视交互的农业运营管理新方式。实现对农业作业中各种环境因子的监测与调控，帮助使用者把握植物工厂中各种环境因子的实时信息，在孪生模型的帮助下，以更真实更直接的方式了解植物工厂的运行情况，实现高效管理，高效产出。

本发明采用的技术方案为一种用于植物工厂多环境变量映射的数字孪生建模方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建植物工厂多环境变量映射的数字孪生平台的硬件，并连接各个硬件；

所述硬件包括传感器、执行器、PLC、PLC信号板、光电隔离器、PC端、电源；

PLC安装固定于PLC信号板上，PLC与电源、PC端、执行器连接，传感器与PLC信号板连接。

所述传感器包括二氧化碳变送传感器、光照度测量变送器、土壤综合传感器、温湿度一体变送传感器；

所述执行器包括LED灯、风扇；

其中土壤综合传感器、温湿度一体变送传感器通过光电隔离器连接到PLC信号板，二氧化碳变送传感器、光照度测量变送器连接到PLC的模拟量输入端；

步骤2：设计下位机PLC程序；

所述下位机PLC程序基于TIAPortal编程软件实现；

所述下位机PLC程序包括传感器所需的梯形图程序、OPC服务器的搭建程序、传感器与PLC的通信程序、执行器的控制程序；

所述通信程序是指RS485传感器与下位机PLC的Modbus通信；

所述控制是指当二氧化碳浓度过高时，下位机PLC自主控制换气风扇起停，完成空气交换；当光照强度不足时，通过动态调节植物工厂中LED亮度对工厂内植物进行补光。

步骤3：下位机PLC与上位机LabView的通信；

所述通信是指下位机PLC与上位机LabView的OPC通信，使用OPC DA服务器实现下位机PLC与上位机LabView间的通信，具体过程如下：

步骤a：将PC端与PLC两者的IP地址设为与实际相对应；

步骤b：在TIAPortal中搭建OPC DA服务器，并配置PLC控制器与PC端连接的XDB文件；

步骤c：配置Station Configurator站组态编辑器；

所述配置是指添加OPC Server与IE general，并在Import Station中导入生成的XDB文件；

步骤d：在OPC Scout v10中测试连接；

步骤e：在上位机LabView中基于DataSocket绑定数据地址实现数据传输；

步骤4：上位机LabView程序的编写；

所述程序包含各传感器数据的绑定与显示、执行器手动控制程序、将数据存入数据库的程序、与数字孪生平台通信的程序；

所述执行器手动控制程序是指上位机LabView通过DataSocket绑定的数据值改变后，可以通过改变OPC服务器中数据的值来间接控制下位机PLC；

所述将数据存入数据库的程序是指上位机LabView将传感器采集到的数据显示后实时发送到数据库中对应的表格内，具体过程如下；

步骤a：创建数据库并在数据库中新建表，自定义表的内容与顺序；

步骤b：在ODBC数据源中添加新的SQL Server数据源并测试；

步骤c：在上位机LabView中编写向数据库发送数据的程序；

步骤5：搭建数字孪生平台，并与上位机LabView通信；

所述搭建数字孪生平台借助仿真工具Tecnomatix Plant Simulation 15.0实现，其中逻辑实现使用SimTalk语言编写。孪生模型控制系统使用Python语言开发，主要负责下位机PLC数据的接收与分析、数据存储、数字孪生模型中的环境变量输入、控制信号输入等功能的实现，可根据孪生模型控制系统输入的变量信号与控制信号对应实现对模型运动的控制；

所述通信是指上位机LabView与数字孪生平台的TCP通信，实现端对端的数据传输；

所述搭建数字孪生平台具体步骤如下：

步骤a：通过IP地址与端口号信息与上位机LabView创建连接；

步骤b：进行数据的接收、解码与Socket连接的维护。接收到的数据首先需要进行解码和分割才能发送至孪生模型中使用。在解码过程中应用decode()函数实现，将下位机传输的信息转化为String格式。此String字符串由温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤墒情等多信息组成，使用“#”作为分割符进行分割；

步骤c：设置接收超时机制，若连续1秒未接收到下位机信息，则跳过此次信息接收操作，避免上位机LabView无法自主操作；同时当下位机PLC断开连接时，上位机LabView将以5秒为周期搜索下位机信息，保证出现下位机PLC信号后可及时进行连接；

步骤d：使用Python程序对该模型的运动与参数变化进行控制，当上位机LabView接收到环境数据并完成切割后，会将各环境参数转化为float格式并使用SetValue函数写入PlantSimulation中各环境参数对应的变量中，为后续孪生模型中的动作与可视化提供数据基础；

步骤e：使用SetValue函数相应控制风扇与LED灯光敏感变化；

在步骤2与步骤3中对环境信号实时采集存储和控制；

所述数据存储部分选择SQL Server数据库进行存储，使用NI LabVIEW的G语言编写相关交互。当上位机LabView接收到下位机数据时，数据存储触发。首先获取当前的日期及时间信息。其次将日期时间、空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照度、土壤温度、土壤含水率、土壤pH值、土壤盐度信息分别存储在数据表中；

在步骤2中编写自主环境参数维持程序时，可根据环境参数变化，自主控制风扇、光照分级调节，维持植物最适生长环境；

下位机可根据采集到的环境参数的不同进行自主控制，保持环境参数稳定在植物的最佳生长条件下。在本方法所述植物工厂多环境变量映射数字孪生系统中，主要针对植物生长环境中的二氧化碳浓度、光照强度两个参数进行自主调控；

在步骤5中数字孪生模型对植物工厂中的数据进行映射，并可通过可视化方式对植物工厂中的环境参数实时动态变化进行展示；

所述植物工厂多环境变量映射数字孪生系统的环境映射部分，主要基于数字孪生仿真软件实现。上位机LabView后台实时将接收到的空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照度、土壤温度、土壤含水率、土壤pH值、土壤盐度等环境参数写入孪生模型的显示模块中，实现仿真模型对植物工厂的实时变量映射，实时可视化反应植物工厂环境变化情况；

所述可视化部分通过运行孪生模型控制系统，可控制孪生模型按照要求的速度启动，并对孪生模型的参数进行初始化。当上位机LabView接收到环境数据并完成存储后，Plant Simulation会使用Socket读取NI LabVIEW中实时的各环境参数并对应到各变量中，为后续孪生模型中的动作与可视化提供数据基础。

本发明提供了一种用于植物工厂多环境变量映射的数字孪生建模方法，通过聚焦数字孪生实现环境因子实时数据的采集和环境变量的自主控制。数据输入植物工厂的数字孪生模型，该模型模拟工厂的运营并确定优化机会。通过使用数字孪生来监控和优化其运营，可以帮助植物工厂显着减少其碳足迹，同时还提高了运营效率并降低了成本。本发明所提供的的流程和方法可以帮助使用者有条理地对植物工厂环境因子进行采集存储和控制，为植物工厂的数字孪生建模提供客观可行的方法与流程。

附图说明

图1为本发明所述流程示意图

图2为本发明所述结构示意图

图3为本发明所述数字孪生平台结构示意图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行进一步说明。

一种用于植物工厂多环境变量映射的数字孪生建模方法，其特征在于，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：硬件连接；

所述硬件包括传感器、执行器、西门子PLC S7-1212C DC/DC/DC、西门子PLC S7-1212C DC/DC/DC信号板、光电隔离器、PC、220v交流转24v直流开关电源、以太网线、电线；

所述传感器包括二氧化碳变送传感器、光照度测量变送器、土壤综合传感器、温湿度一体变送传感器；

所述执行器包括LED灯、风扇；

所述连接是指将西门子PLC S7-1212C DC/DC/DC与电源、PC端连接，并将全部传感器连接到西门子PLC。其中土壤综合传感器、温湿度一体变送传感器通过光电隔离器连接到PLC信号板，二氧化碳变送传感器、光照度测量变送器连接到PLC模拟量输入端；

步骤2：设计下位机PLC程序；

所述设计基于TIA Portal编程软件实现；

所述程序包括各传感器所需的梯形图程序、OPC服务器的搭建程序、传感器与PLC的通信程序、执行器的控制程序；

所述通信程序是指RS485传感器与下位机PLC的Modbus通信；

所述控制是指当二氧化碳浓度过高时，下位机自主控制换气风扇起停，完成空气交换；当光照强度不足时，通过动态调节植物工厂中LED亮度对工厂内植物进行补光。

步骤3：下位机PLC与上位机LabView的通信；

所述通信是指下位机PLC与上位机LabView的OPC通信，使用西门子的OPC DA服务器实现上下位机间系统通信，具体过程如下：

步骤a：将PC与PLC两者的IP地址设为与实际相对应；

步骤b：在TIAPortal中搭建OPC DA服务器，并配置PLC控制器与PC连接的XDB文件；

步骤c：配置Station Configurator站组态编辑器；

所述配置是指添加OPC Server与IE general，并在Import Station中导入生成的XDB文件；

步骤d：在OPC Scout v10中测试连接；

步骤e：在上位机LabView中基于DataSocket绑定数据地址实现数据传输；

步骤4：上位机LabView程序的编写；

所述程序包含各传感器数据的绑定与显示、执行器手动控制程序、将数据存入数据库的程序、与数字孪生平台通信的程序；

所述执行器手动控制程序是指上位机LabView通过DataSocket绑定的数据值改变后，可以通过改变OPC服务器中数据的值来间接控制下位机PLC；

所述将数据存入数据库的程序是指LabView将传感器采集到的数据显示后实时发送到数据库中对应的表格内，具体过程如下；

步骤a：创建数据库并在数据库中新建表，自定义表的内容与顺序；

步骤b：在ODBC数据源中添加新的SQL Server数据源并测试；

步骤c：在LabView中编写向数据库发送数据的程序；

步骤5：搭建数字孪生平台，并与上位机LabView通信；

所述搭建数字孪生平台借助仿真工具Tecnomatix Plant Simulation 15.0实现，其中逻辑实现使用SimTalk语言编写。孪生模型控制系统使用Python语言开发，主要负责下位机PLC数据的接收与分析、数据存储、数字孪生模型中的环境变量输入、控制信号输入等功能的实现，可根据孪生模型控制系统输入的变量信号与控制信号对应实现对模型运动的控制；

所述通信是指上位机LabView与数字孪生平台的TCP通信，实现端对端的数据传输；

所述搭建数字孪生平台架构如图3所示，具体步骤如下：

步骤a：通过IP地址与端口号信息与上位机创建连接；

步骤b：进行数据的接收、解码与Socket连接的维护。接收到的数据首先需要进行解码和分割才能发送至孪生模型中使用。在解码过程中应用decode()函数实现，将下位机PLC传输的信息转化为String格式。此String字符串由温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤墒情等多信息组成，使用“#”作为分割符进行分割；

步骤c：设置接收超时机制，若连续1秒未接收到下位机PLC信息，则跳过此次信息接收操作，避免上位机无法自主操作；同时当下位机PLC断开连接时，上位机将以5秒为周期搜索下位机PLC信息，保证出现下位机PLC信号后可及时进行连接；

步骤d：使用Python程序对该模型的运动与参数变化进行控制，当上位机接收到环境数据并完成切割后，会将各环境参数转化为float格式并使用SetValue函数写入PlantSimulation中各环境参数对应的变量中，为后续孪生模型中的动作与可视化提供数据基础；

步骤e：使用SetValue函数相应控制风扇与LED灯光敏感变化；

在步骤2与步骤3中对环境信号实时采集存储和控制；

所述数据存储部分选择SQL Server数据库进行存储，使用NI LabVIEW的G语言编写相关交互。当上位机接收到下位机PLC数据时，数据存储触发。首先获取当前的日期及时间信息。其次将日期时间、空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照度、土壤温度、土壤含水率、土壤pH值、土壤盐度信息分别存储在数据表中；

在步骤2中编写自主环境参数维持程序时，可根据环境参数变化，自主控制风扇、光照分级调节，维持植物最适生长环境；

下位机PLC可根据采集到的环境参数的不同进行自主控制，保持环境参数稳定在植物的最佳生长条件下。在本方法所述植物工厂多环境变量映射数字孪生系统中，主要针对植物生长环境中的二氧化碳浓度、光照强度两个参数进行自主调控；

在步骤5中数字孪生模型对植物工厂中的数据进行映射，并可通过可视化方式对植物工厂中的环境参数实时动态变化进行展示；

所述植物工厂多环境变量映射数字孪生系统的环境映射部分，主要基于数字孪生仿真软件实现。上位机后台实时将接收到的空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照度、土壤温度、土壤含水率、土壤pH值、土壤盐度等环境参数写入孪生模型的显示模块中，实现仿真模型对植物工厂的实时变量映射，实时可视化反应植物工厂环境变化情况；

所述可视化部分通过运行孪生模型控制系统，可控制孪生模型按照要求的速度启动，并对孪生模型的参数进行初始化。当上位机接收到环境数据并完成存储后，PlantSimulation会使用Socket读取NI LabVIEW中实时的各环境参数并对应到各变量中，为后续孪生模型中的动作与可视化提供数据基础。

综上所述，应用本发明所述方法可以有逻辑地建立植物工厂多环境变量映射数字孪生模型，实时监测环境因子，自主控制环境变量，为现有系统中因环境因素导致植物减产的问题提供了可行方案。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护，本发明的保护范围以权利要求书为准。