CN107861478A - 一种智能车间平行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种智能车间平行控制方法，包括以下步骤：步骤A：搭建平行控制仿真平台；步骤B：建立平行执行机制；步骤C：平行控制系统的修正与优化；一种智能车间平行控制系统，包括MES模块，用于下发生产指令到各个单元管控模块；单元管控模块，用于将收到的生产指令后转化为机器指令，再经过总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软PLC和硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；总线控制网络模块，用于在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络；SCADA模块，用于接收现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态、用于接收通过传感器采集的实时数据。

Description

一种智能车间平行控制方法及系统

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，尤其涉及一种智能车间平行控制方法及系统。

背景技术

随着消费市场个性化需求日益增长，离散制造行业生产车间的组织方式呈现出新的特征：车间频繁更换生产产品或型号，柔性已经成为智能车间的内在技术要求。模具、定制装备、个性化家具等定制型生产行业具有典型的“多规格、小批量”生产特征，生产设备必须具备足够的加工柔性，通过柔性工装与加工代码参数化等技术手段，能加工一定规格差异的产品系列，以便于实现近似规格产品的批量化生产。高频换产这一特征同样存在于3C行业，除了对制造资源(人力)有柔性作业能力以外，车间生产组织与调度也需要有较高的柔性：根据订单内产品的结构特征及对应的加工或装配任务量分布，动态调配制造资源与指派作业任务，以提高生产平衡率，最大限度释放产能。

“双重柔性”的内在需求、“高频换产”的新型特征与“同步优化”的迫切需求给智能车间的运行带来全新的挑战，要求对智能车间进行三维可视化与实时化的同步控制，用于进行车间异常的实时响应与诊断，车间运行性能的实时监控与调控，当前技术尚不能满足这些要求。

发明内容

本发明基于数字孪生技术提出一种智能车间平行控制方法及系统，用以解决智能车间对紧急插单、质量事故、设备故障等随机性事件的预测、实时监控与敏捷响应问题；利用三维可视化平行控制平台，解决通过车间设备控制系统与传感器数据实时收集与多视图展示、车间运行状态的实时监控及三维可视化展示、车间性能实时调控等问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能车间平行控制方法，包括以下步骤：

步骤A：搭建平行控制仿真平台：利用第三方仿真软件对实际车间现场进行精确的数字化建模，对其进行二次开发,完成模型的运动规划和相应的动作控制脚本,建设下行指令通道与上行信息通道，依靠工业控制网络，建立软PLC与硬PLC的通讯机制及软硬PLC异步周期同步化保障机制，实现与上层MES模块及下层控制网络的通讯与集成，搭建与车间现场等价的平行控制仿真平台；

步骤B：建立平行执行机制：基于数字孪生技术，完成车间设备模型与其实物的动作同步的平行执行机制；

实现车间数字化模型的软PLC与车间实物设备PLC、组态软件之间的通讯通道，实现数据和信息的互联互通，使得单机实物设备可以与平行控制仿真平台上整线所对应的单机数字化模型实现动作同步化；

步骤C：平行控制系统的修正与优化：利用平行控制系统，开展订单的模拟投放与模拟生产，进行车间作业过程的全视角、跨粒度监控，进行执行过程各类生产运行指标的管控与突发事件的响应处理，进行设备各类性能分析与执行优化。

进一步，步骤A中，还包括：

车间静态建模：利用三维数字化建模工具，结合车间实物设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模，动件与不动件分类建模，在仿真软件上进行整线虚拟装配；

整线动作建模：在完成整线虚拟装配的前提下，结合车间设备动作与车间物流情况，完成专机设备与中间设备动作规划、完成在制品物流与运动规划、编制运动与动作控制脚本，实现车间的离线模拟运行。

进一步，步骤B中，还包括：

建立数据同步通讯通道：通过工业以太网，在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络，采用数字式、双向传输、多分支结构的现场总线通信网络，确定通讯协议标准、指令格式标准、现场信息格式，建立平行控制系统中数据同步通道，实现各个环节数据和信息的互联互通；

平行控制系统的内部反馈：在完成平行控制仿真平台的搭建和建立数据同步通讯的基础上，建立车间平行控制系统的内部反馈机制；

一方面，通过MES模块下发生产指令到各个单元管控模块，各单元管控模块接收到生产指令后转化为机器指令，再经过现场总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；

另一方面，现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态通过传感器采集的实时数据，经过总线控制网络模块上传至SCADA模块，再将各个环节的状态和数据反馈给MES模块，从而形成一个闭环网络。

进一步，步骤C中，还包括：

平行控制系统的模拟生产：对平行控制系统进行大量真实的订单投放，系统的设计各种试验，引入各种不确定性的因素和事件，并且以统计学的方法对平行控制仿真平台的模拟生产的输出效果进行分析并存放至知识库，进而可以用来验证实际生产可能出现的各种随机性事件；

平行控制仿真平台与现场车间控制系统的交互操作：基于数字孪生技术将车间现场与平行控制仿真平台进行连接，由车间管控中心MES模块对两套控制系统的生产行为进行实时的动态对比与分析，研究对各自未来状况的借鉴和预估，相应地调节双方的控制与管理方式；根据订单内产品的结构特征及对应的加工或装配任务量分布，动态调配制造资源与指派作业任务，以提高生产平衡率，最大限度释放产能。

一种智能车间平行控制的系统，包括

MES模块，用于下发生产指令到各个单元管控模块；

单元管控模块，用于将收到的生产指令后转化为机器指令，再经过总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软PLC和硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；

总线控制网络模块，用于在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络；

SCADA模块，用于接收现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态、用于接收通过传感器采集的实时数据。

本发明根据上述内容，基于数字孪生技术提出一种智能车间平行控制方法及系统，用以解决智能车间对紧急插单、质量事故、设备故障等随机性事件的预测、实时监控与敏捷响应问题；利用三维可视化平行控制平台，解决通过车间设备控制系统与传感器数据实时收集与多视图展示、车间运行状态的实时监控及三维可视化展示、车间性能实时调控等问题。

附图说明

图1是本发明其中一个实施例的智能车间平行控制系统原理图；

图2是本发明其中一个实施例的平行控制仿真平台设计流程图；

图3是本发明其中一个实施例的智能车间平行控制系统架构图；

图4是本发明其中一个实施例的数据同步通讯通道框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明立足于如下前提:具有可进行三维数字化设计平台和对应的三维可视化引擎，可以进行单机设备的虚拟装备，可以通过脚本控制设备的动作或在制品的运动，具备软PLC功能。

数字孪生：是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程，又称“数字镜像”，“数字双胞胎”或“数字化映射”。

平行控制：在传统的小闭环控制基础上，增加大闭环控制，构成平行控制系统的实际部分；在此基础上，建立与实际系统等价的人工系统，利用人工系统通过计算实验进行分析和评估，最后实现对复杂系统的管理与控制，从而构成双闭环控制系统，即平行控制系统。

一种智能车间平行控制方法，包括以下步骤：

步骤A：搭建平行控制仿真平台：利用第三方仿真软件对实际车间现场进行精确的数字化建模，对其进行二次开发,完成模型的运动规划和相应的动作控制脚本,建设下行指令通道与上行信息通道，依靠工业控制网络，建立软PLC与硬PLC的通讯机制及软硬PLC异步周期同步化保障机制，实现与上层MES模块及下层控制网络的通讯与集成，搭建与车间现场等价的平行控制仿真平台；

步骤B：建立平行执行机制：基于数字孪生技术，完成车间设备模型与其实物的动作同步的平行执行机制；

实现车间数字化模型的软PLC与车间实物设备PLC、组态软件之间的通讯通道，实现数据和信息的互联互通，使得单机实物设备可以与平行控制仿真平台上整线所对应的单机数字化模型实现动作同步化；

步骤C：平行控制系统的修正与优化：利用平行控制系统，开展订单的模拟投放与模拟生产，进行车间作业过程的全视角、跨粒度监控，进行执行过程各类生产运行指标的管控与突发事件的响应处理，进行设备各类性能分析与执行优化。

本发明借助第三方数字化仿真软件对实际系统(即车间现场)进行精准的数学化建模，建立与实际系统等价的人工系统(即本发明的平行控制仿真平台)。

在平行控制仿真平台上通过接受MES模块模拟订单的投放以及引入传统过程控制中难以量化的因素和事件；计算实验或试验来认识实际系统(即车间现场)各生产要素之间正常和非正常状态下的运行规律和相互作用关系。

基于数字孪生技术将车间现场与平行控制仿真平台进行连接，对两者之间的生产行为进行实时的动态对比与分析，研究对各自未来状况的借鉴和预估，相应调节各自的控制与管理方式。

在非正常状态下生产时(即紧急插单、质量事故、设备故障等随机性生产事件)，由平行控制仿真平台产生的等价输出来指挥实际的车间生产；在正常状态时，由车间现场的实际生产数据来修正平行控制仿真平台的模型和算法，再由平行控制仿真平台不断地去优化车间的实际控制系统。

因此，不断变化的实际生产车间尽管不能被完全精确的建模，但在平行控制仿真平台的帮助下也能实现不断适应下的滚动优化。

本发明能解决智能车间对紧急插单、质量事故、设备故障等随机性事件的预测、实时监控与敏捷响应问题；利用三维可视化平行控制平台，解决通过车间设备控制系统与传感器数据实时收集与多视图展示、车间运行状态的实时监控及三维可视化展示、车间性能实时调控等问题。

进一步，步骤A中，还包括：

车间静态建模：利用三维数字化建模工具，结合车间实物设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模，动件与不动件分类建模，在仿真软件上进行整线虚拟装配；

整线动作建模：在完成整线虚拟装配的前提下，结合车间设备动作与车间物流情况，完成专机设备与中间设备动作规划、完成在制品物流与运动规划、编制运动与动作控制脚本，实现车间的离线模拟运行。

进一步，步骤B中，还包括：

建立数据同步通讯通道：通过工业以太网，在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络，采用数字式、双向传输、多分支结构的现场总线通信网络，确定通讯协议标准、指令格式标准、现场信息格式，建立平行控制系统中数据同步通道，实现各个环节数据和信息的互联互通；

平行控制系统的内部反馈：在完成平行控制仿真平台的搭建和建立数据同步通讯的基础上，建立车间平行控制系统的内部反馈机制；

一方面，通过MES模块下发生产指令到各个单元管控模块，各单元管控模块接收到生产指令后转化为机器指令，再经过现场总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；

另一方面，现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态通过传感器采集的实时数据，经过总线控制网络模块上传至SCADA模块，再将各个环节的状态和数据反馈给MES模块，从而形成一个闭环网络。

进一步，步骤C中，还包括：

平行控制系统的模拟生产：对平行控制系统进行大量真实的订单投放，系统的设计各种试验，引入各种不确定性的因素和事件，并且以统计学的方法对平行控制仿真平台的模拟生产的输出效果进行分析并存放至知识库，进而可以用来验证实际生产可能出现的各种随机性事件；

平行控制仿真平台与现场车间控制系统的交互操作：基于数字孪生技术将车间现场与平行控制仿真平台进行连接，由车间管控中心MES模块对两套控制系统的生产行为进行实时的动态对比与分析，研究对各自未来状况的借鉴和预估，相应地调节双方的控制与管理方式；根据订单内产品的结构特征及对应的加工或装配任务量分布，动态调配制造资源与指派作业任务，以提高生产平衡率，最大限度释放产能。

一种智能车间平行控制的系统，包括

MES模块，用于下发生产指令到各个单元管控模块；

单元管控模块，用于将收到的生产指令后转化为机器指令，再经过总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软PLC和硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；

总线控制网络模块，用于在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络；

SCADA模块，用于接收现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态、用于接收通过传感器采集的实时数据。

通过MES模块下发生产指令到各个单元管控模块，各单元管控模块接收到生产指令后转化为机器指令，再经过现场总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软硬PLC驱动仿真平台和现场装备运动。另一方面，现场装备和仿真平台的现场信息以及运动状态通过传感器采集的实时数据，经过总线控制网络模块上传至SCADA模块，再将各个环节的状态和数据反馈给MES模块，从而形成一个闭环网络。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能车间平行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A：搭建平行控制仿真平台：利用第三方仿真软件对实际车间现场进行精确的数字化建模，对其进行二次开发,完成模型的运动规划和相应的动作控制脚本,建设下行指令通道与上行信息通道，依靠工业控制网络，建立软PLC与硬PLC的通讯机制及软硬PLC异步周期同步化保障机制，实现与上层MES模块及下层控制网络的通讯与集成，搭建与车间现场等价的平行控制仿真平台；

步骤B：建立平行执行机制：基于数字孪生技术，完成车间设备模型

与其实物的动作同步的平行执行机制；

实现车间数字化模型的软PLC与车间实物设备PLC、组态软件之间的通讯通道，实现数据和信息的互联互通，使得单机实物设备可以与平行控制仿真平台上整线所对应的单机数字化模型实现动作同步化；

步骤C：平行控制系统的修正与优化：利用平行控制系统，开展订单的模拟投放与模拟生产，进行车间作业过程的全视角、跨粒度监控，进行执行过程各类生产运行指标的管控与突发事件的响应处理，进行设备各类性能分析与执行优化。

2.根据权利要求1所述的一种智能车间平行控制方法，其特征在于：步骤A中，还包括：

车间静态建模：利用三维数字化建模工具，结合车间实物设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模，动件与不动件分类建模，在仿真软件上进行整线虚拟装配；

整线动作建模：在完成整线虚拟装配的前提下，结合车间设备动作与车间物流情况，完成专机设备与中间设备动作规划、完成在制品物流与运动规划、编制运动与动作控制脚本，实现车间的离线模拟运行。

3.根据权利要求2所述的一种智能车间平行控制方法，其特征在于：步骤B中，还包括：

建立数据同步通讯通道：通过工业以太网，在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络，采用数字式、双向传输、多分支结构的现场总线通信网络，确定通讯协议标准、指令格式标准、现场信息格式，建立平行控制系统中数据同步通道，实现各个环节数据和信息的互联互通；

平行控制系统的内部反馈：在完成平行控制仿真平台的搭建和建立数据同步通讯的基础上，建立车间平行控制系统的内部反馈机制；

一方面，通过MES模块下发生产指令到各个单元管控模块，各单元管控模块接收到生产指令后转化为机器指令，再经过现场总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；

另一方面，现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态通过传感器采集的实时数据，经过总线控制网络模块上传至SCADA模块，再将各个环节的状态和数据反馈给MES模块，从而形成一个闭环网络。

4.根据权利要求3所述的一种智能车间平行控制方法，其特征在于：步骤C中，还包括：

平行控制系统的模拟生产：对平行控制系统进行大量真实的订单投放，系统的设计各种试验，引入各种不确定性的因素和事件，并且以统计学的方法对平行控制仿真平台的模拟生产的输出效果进行分析并存放至知识库，进而可以用来验证实际生产可能出现的各种随机性事件；

平行控制仿真平台与现场车间控制系统的交互操作：基于数字孪生技术将车间现场与平行控制仿真平台进行连接，由车间管控中心MES模块对两套控制系统的生产行为进行实时的动态对比与分析，研究对各自未来状况的借鉴和预估，相应地调节双方的控制与管理方式；根据订单内产品的结构特征及对应的加工或装配任务量分布，动态调配制造资源与指派作业任务，以提高生产平衡率，最大限度释放产能。

5.使用如权利要求4所述的一种智能车间平行控制方法的系统，其特征在于：包括

MES模块，用于下发生产指令到各个单元管控模块；

单元管控模块，用于将收到的生产指令后转化为机器指令，再经过总线控制网络模块同步下发至底层PLC，通过软PLC和硬PLC驱动平行控制仿真平台和现场装备运动；

总线控制网络模块，用于在MES模块、SCADA模块、工控机、实物设备、整线仿真模型之间建立通讯网络；

SCADA模块，用于接收现场装备和平行控制仿真平台的现场信息以及运动状态、用于接收通过传感器采集的实时数据。