CN107870600B - 一种智能车间透明监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种智能车间透明监控方法，包括以下步骤：步骤A：搭建智能车间透明化监控平台，其包括：步骤A1：建立虚拟模型与实物互联互通机制；步骤A2：车间静态建模；步骤A3：车间动态建模；步骤A4：模型与设备集成；步骤B：实现智能车间透明化监控方法：步骤B1：智能车间三维仿真具体实施；步骤B2：虚拟模型与实物模型关联；步骤B3：指令下传与数据采集反馈；步骤B4：数据可视化展示。一种智能车间透明监控系统，包括MES模块、单元管控模块、SCADA模块和总线控制网络模块。

Description

一种智能车间透明监控方法及系统

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透明监控方法及系统。

背景技术

实时监控是智能制造车间的本质要求之一。新一代智能车间具有高度动态性、自适应性与随机性等特征，对智能车间的监控具有从数据监控向数据与模型混合的三维可视化监控、从平面监控向三维多视角监控发展的迫切需求。传统视频监控方法以二维监控为主，无法做到对车间的全视角微细节的监控。且缺乏数据驱动的三维可视化监控平台与工具，缺少对设备动作过程、在制品运动过程的监控，因而不能对整线的作业过程中动作、数据、信息等进行实时透明化监控。

现有技术的缺点是以摄像视觉监控为主，属于平面二维监控，不能实现对整线进行多视角监控，也不能对整线细节进行跨粒度监控。以数据信息监控为主，缺乏数据驱动的三维可视化模型运动与数据的监控平台与工具。以仿真的形式为主，缺少对设备动作过程、在制品运动过程的实时监控，因而不能对整线的作业过程进行监控。

发明内容

本发明的目的在于提出一种智能车间监控方法及系统，基于三维可视化模块与透明化监控平台，利用传感器数据，对车间各类设备实时运行信息与状态进行跟踪与三维可视化呈现，同时融合实时指令数据与统计数据进行可视化呈现，将实物整线执行过程进行实时三维可视化展示及相关执行性能数据动态展示。通过将现场信息实时反馈到模型与系统，实现整线与其三维数字孪生模型的作业同步，以此对整线进行全视角、跨粒度的实时监控。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能车间透明监控方法，包括以下步骤：

步骤A：搭建智能车间透明化监控平台，其包括：

步骤A1：建立虚拟模型与实物互联互通机制，以数据驱动的三维近物理仿真监控平台作为智能车间监控的三维可视化界面，基于三维近物理仿真监控平台，运用数字孪生技术，建立生产数据的下行指令通道与现场生产数据的上行信息通道，依靠工业以太网和虚拟控制网络，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智能车间透明化监控平台；

步骤A2：车间静态建模，利用数据驱动的三维近物理仿真监控平台，结合车间生产设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模，动件与不动件分类建模，在三维可视化平台上进行整线虚拟装配；

步骤A3：车间动态建模，利用数据驱动的三维近物理仿真监控平台，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；

步骤A4：模型与设备集成：基于虚拟模型与实物互联互通机制，完成车间设备模型与其实物的动作同步，完成单机实物与数字化整线上对应的单机数字化模型实现动作同步化，其中所述车间设备模型包括静态模型与动态模型。

步骤B：实现智能车间透明化监控方法：其包括：

步骤B1：智能车间三维仿真具体实施；

步骤B2：虚拟模型与实物模型关联；

步骤B3：指令下传与数据采集反馈；

步骤B4：数据可视化展示。

本发明基于三维可视化模块与透明化监控平台，利用传感器数据，对车间各类设备实时运行信息与状态进行跟踪与三维可视化呈现，同时融合实时指令数据与统计数据进行可视化呈现，将实物整线执行过程进行实时三维可视化展示及相关执行性能数据动态展示。通过将现场信息实时反馈到模型与系统，实现整线与其三维数字孪生模型的作业同步，以此对整线进行全视角、跨粒度的实时监控。

进一步，步骤B1中智能车间三维仿真具体实施的过程，包括：

步骤B11：开始准备阶段，对车间的场地规划、产品外观性能、加工工艺流程、计划生产量和原材料投入量等进行一个详细调研，结合生产线的布局和具体单机设备的放置及相关资源的配置，设计出一套优化的仿真智能车间布局方案；

步骤B12：利用三维建模软件对单机设备、中间设备完成三维建模，将三维模型导入仿真软件中，结合步骤B11中的场地产能等布局规划，在仿真软件中对相应的设备三维模型进行一一对应、搭配连接，实现三维虚拟智能车间生产线布局；

步骤B13：在仿真软件中对设备三维模型进行动作的动态设计极其运动方式的性能规划；在仿真软件中对设备三维模型进行脚本编制以实现步骤B12中设备三维模型动作和运动，利用传感器的布控、控制逻辑的设计、车间生产信息等数据的采集等完成对三维虚拟生产线的虚拟数字化控制；

步骤B14：将设备单机三维模型或整线合理分段分模块划分进行数字化，以此建立虚拟整线的数字化模型；以MES模块为执行引擎，以设备三维数字化模型为对象，编写特定功能算法，以此算法作为MES模块核心优化调度整个虚拟生产线；生产指令的下传和车间信息的上传，需执行引擎和仿真软件间实现数据交互；

步骤B15：对车间现场实时数据进行分类制作相应的数据报表，使数据在监控台得到三维可视化呈现。

进一步，步骤B2中虚拟模型与实物模型关联，包括：

运用上述智能车间透明化监控平台，以PLC与虚拟网络为桥梁，建立三维仿真、设备模型与实物PLC之间的通讯通道,实现数据、指令和信息的互联互通；在步骤A4的基础上，运用数字孪生技术，利用线上传感器数据，实物模型反馈的现场实时数据驱动仿真模型，模拟在制品运动情况，从而实现虚拟车间和真实车间之间互动和同步，将真实装备与映射到监控平台的对应模型进行一对一映射；

进一步，步骤B3中指令下传与数据采集反馈，包括：

在完成智能车间透明化监控平台的搭建和建立数据同步通讯的基础上，实现指令的下达和现场实时数据的采集和反馈，智能车间透明化监控平台对车间各类设备实时运行信息与状态进行跟踪，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，实物模型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；

SCADA模块对车间数据进行采集，并上传给MES模块，其中车间数据包括：设备运行状态、生产进程、产品加工进程、故障信息。

进一步，步骤B4中数据可视化展示，其包括现场实时数据传达至三维仿真软件，在软件内部对数据进行处理，对车间运行信息和生产数据进行统计制成报表，实现对车间生产状况、设备故障状况、产品加工状况等实时数据的三维可视化呈现，从而实现智能车间的全视图、跨粒度、透明化监控与管理。

一种智能车间透明监控系统，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驱动仿真平台和现场装备运动；

SCADA模块，用于对车间数据进行采集，并上传给MES模块，其中车间数据包括：设备运行状态、生产进程、产品加工进程、故障信息；

总线控制网络模块，用于在一种智能车间透明监控系统的内部建立通讯网络。

本发明根据上述内容提出一种智能车间监控方法及系统，基于三维可视化模块与透明化监控平台，利用传感器数据，对车间各类设备实时运行信息与状态进行跟踪与三维可视化呈现，同时融合实时指令数据与统计数据进行可视化呈现，将实物整线执行过程进行实时三维可视化展示及相关执行性能数据动态展示。通过将现场信息实时反馈到模型与系统，实现整线与其三维数字孪生模型的作业同步，以此对整线进行全视角、跨粒度的实时监控。

附图说明

图1是本发明其中一个实施例的智能车间透明化监控平台的通讯示意图；

图2和图3是本发明其中一个实施例的智能车间透明监控系统的架构图，由于位置关系，将架构图分为图2和图3，图3是图2的续图；

图4是本发明其中一个实施例的仿真模型和实物模型同步示意图；

图5是本发明其中一个实施例的智能车间透明化监控平台的架构图。

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，内部具有数据处理功能，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”。

一种智能车间透明监控方法，包括以下步骤：

步骤A：搭建智能车间透明化监控平台，其包括：

步骤A1：建立虚拟模型与实物互联互通机制，以数据驱动的三维近物理仿真监控平台作为智能车间监控的三维可视化界面，基于该仿真监控平台，运用数字孪生技术，建立生产数据的下行指令通道与现场生产数据的上行信息通道，依靠工业以太网和虚拟控制网络，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；

本实施例以中空玻璃智能生产线为例(注：以下各实例都以此中空玻璃智能生产线为例)，此生产线的设计以Demo3D仿真软件作为第三方三维数字化设计平台来搭建三维可视化的监控台界面，建设下行指令通道是指：通过MES模块下发生产指令到控制系统，控制系统接收到生产指令后转化为机器指令，通过PLC驱动现场装备和仿真模型运动。建设上行信息通道是指：装备和仿真中的传感器采集的实时数据和现场各环节的状态和数据反馈给MES模块，上传过程中现场信息逐步转变为设备与在制品状态。依靠虚拟控制网络是指：通过工业以太网来连接仿真模型和实物模型。从而建立软PLC与硬PLC的通讯机制(具体的通讯机制如图1)及软硬PLC异步周期同步化保障机制(软硬PLC异步周期同步化保障机制是指：软PLC和硬PLC各有一套运行机制，要实现异步周期同步化)。实现与上层MES模块及下层控制网络的通讯与集成。

步骤A2：车间静态建模，利用数据驱动的三维近物理仿真监控平台，结合车间生产设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模，动件与不动件分类建模，在三维可视化平台上进行整线虚拟装配；

以Demo3D为三维数字化设计平台，结合车间设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模(动件与不动件分类建模)，例如中空玻璃智能生产线方案中完成对原片仓、钢化炉等的建模。然后对搭建好的模型在三维可视化平台上进行整线进行虚拟装配，完成生产线静态搭建。

步骤A3：车间动态建模，利用数据驱动的三维近物理仿真监控平台，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；

以Demo3D为三维数字化设计平台，结合车间设备动作与车间物流情况，对静态三维模型进行脚本编制、梯形图设计等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，可以在Demo3D中将生产线跑起来，实现车间的离线模拟运行。

步骤A4：模型与设备集成：基于虚拟模型与实物互联互通机制，完成车间设备模型与其实物的动作同步，完成单机实物与数字化整线上对应的单机数字化模型实现动作同步化，其中所述车间设备模型包括静态模型与动态模型。

仿真模型和实物模型同步，在完成步骤A2和步骤A3的基础上，仿真模型和实物模型在车间布局、模型大小比例、传感器的数量和摆设使用、PLC的逻辑等方面有一致性，实物PLC作为中间信息传递和控制桥梁连接仿真软件和实物模型，其中仿真软件里的软PLC和实物PLC的I/O点地址一一对应，实物模型为主动部分，仿真模型为从动部分且只做虚拟运动，借助控制网络传输实时数据，以此实现仿真模型和实物模型同步(如图4)。

步骤B：实现智能车间透明化监控方法：其包括：

步骤B1：智能车间三维仿真具体实施；

步骤B2：虚拟模型与实物模型关联；

步骤B3：指令下传与数据采集反馈；

步骤B4：数据可视化展示。

进一步，步骤B1中智能车间三维仿真具体实施的过程，包括：

步骤B11：开始准备阶段，对车间的场地规划、产品外观性能、加工工艺流程、计划生产量和原材料投入量等进行一个详细调研，结合生产线的布局和具体单机设备的放置及相关资源的配置，设计出一套优化的仿真智能车间布局方案；

步骤B12：利用三维建模软件对单机设备、中间设备完成三维建模，将三维模型导入仿真软件中，结合步骤B11中的场地产能等布局规划，在仿真软件中对相应的设备三维模型进行一一对应、搭配连接，实现三维虚拟智能车间生产线布局；

步骤B13：在仿真软件中对设备三维模型进行动作的动态设计极其运动方式的性能规划；在仿真软件中对设备三维模型进行脚本编制以实现步骤B12中设备三维模型动作和运动，利用传感器的布控、控制逻辑的设计、车间生产信息等数据的采集等完成对三维虚拟生产线的虚拟数字化控制；

步骤B14：将设备单机三维模型或整线合理分段分模块划分进行数字化，以此建立虚拟整线的数字化模型；以MES模块为执行引擎，以设备三维数字化模型为对象，编写特定功能算法，以此算法作为MES模块核心优化调度整个虚拟生产线；生产指令的下传和车间信息的上传，需执行引擎和仿真软件间实现数据交互；

步骤B15：对车间现场实时数据进行分类制作相应的数据报表，使数据在监控台得到三维可视化呈现。

进一步，步骤B2中虚拟模型与实物模型关联，包括：

运用上述智能车间透明化监控平台，以PLC与虚拟网络为桥梁，建立三维仿真、设备模型与实物PLC之间的通讯通道,实现数据、指令和信息的互联互通；在步骤A4的基础上，运用数字孪生技术，利用线上传感器数据，实物模型反馈的现场实时数据驱动仿真模型，模拟在制品运动情况，从而实现虚拟车间和真实车间之间互动和同步，将真实装备与映射到监控平台的对应模型进行一对一映射；

进一步，步骤B3中指令下传与数据采集反馈，包括：

在完成智能车间透明化监控平台的搭建和建立数据同步通讯的基础上，实现指令的下达和现场实时数据的采集和反馈，智能车间透明化监控平台对车间各类设备实时运行信息与状态进行跟踪，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，实物模型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；

SCADA模块对车间数据进行采集，并上传给MES模块，其中车间数据包括：设备运行状态、生产进程、产品加工进程、故障信息。

进一步，步骤B4中数据可视化展示，其包括现场实时数据传达至三维仿真软件，在软件内部对数据进行处理，对车间运行信息和生产数据进行统计制成报表，实现对车间生产状况、设备故障状况、产品加工状况等实时数据的三维可视化呈现，从而实现智能车间的全视图、跨粒度、透明化监控与管理。

一种智能车间透明监控系统，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驱动仿真平台和现场装备运动；

SCADA模块，用于对车间数据进行采集，并上传给MES模块，其中车间数据包括：设备运行状态、生产进程、产品加工进程、故障信息；

总线控制网络模块，用于在一种智能车间透明监控系统的内部建立通讯网络。

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)

1.一种智能车间透明监控方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A：搭建智能车间透明化监控平台，其包括：

步骤A1：建立虚拟模型与实物互联互通机制，以数据驱动的三维近物理仿真监控平台作为智能车间监控的三维可视化界面，基于三维近物理仿真监控平台，运用数字孪生技术，建立生产数据的下行指令通道与现场生产数据的上行信息通道，依靠工业以太网和虚拟控制网络，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智能车间透明化监控平台；

步骤A2：车间静态建模，利用数据驱动的三维近物理仿真监控平台，结合车间生产设备及其布局情况，完成对车间设备的三维建模，动件与不动件分类建模，在三维可视化平台上进行整线虚拟装配；

步骤A3：车间动态建模，利用数据驱动的三维近物理仿真监控平台，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；

步骤A4：模型与设备集成：基于虚拟模型与实物互联互通机制，完成车间设备模型与其实物的动作同步，完成单机实物与数字化整线上对应的单机数字化模型实现动作同步化，其中所述车间设备模型包括静态模型与动态模型；

步骤B：实现智能车间透明化监控方法：其包括：

步骤B1：智能车间三维仿真具体实施；

步骤B2：虚拟模型与实物模型关联；

步骤B3：指令下传与数据采集反馈；

步骤B4：数据可视化展示；

步骤B1中智能车间三维仿真具体实施的过程，包括：

步骤B11：开始准备阶段，对车间的场地规划、产品外观性能、加工工艺流程、计划生产量和原材料投入量进行一个详细调研，结合生产线的布局和具体单机设备的放置及相关资源的配置，设计出一套优化的仿真智能车间布局方案；

步骤B12：利用三维建模软件对单机设备、中间设备完成三维建模，将三维模型导入仿真软件中，结合步骤B11中的场地产能布局规划，在仿真软件中对相应的设备三维模型进行一一对应、搭配连接，实现三维虚拟智能车间生产线布局；

步骤B13：在仿真软件中对设备三维模型进行动作的动态设计极其运动方式的性能规划；在仿真软件中对设备三维模型进行脚本编制以实现步骤B12中设备三维模型动作和运动，利用传感器的布控、控制逻辑的设计、车间生产信息数据的采集完成对三维虚拟生产线的虚拟数字化控制；

步骤B14：将设备单机三维模型或整线合理分段分模块划分进行数字化，以此建立虚拟整线的数字化模型；以MES模块为执行引擎，以设备三维数字化模型为对象，编写算法，以此算法作为MES模块核心优化调度整个虚拟生产线；生产指令的下传和车间信息的上传，需执行引擎和仿真软件间实现数据交互；

步骤B15：对车间现场实时数据进行分类制作相应的数据报表，使数据在监控台得到三维可视化呈现。

2.根据权利要求1所述的一种智能车间透明监控方法，其特征在于：

步骤B2中虚拟模型与实物模型关联，包括：

运用上述智能车间透明化监控平台，以PLC与虚拟网络为桥梁，建立三维仿真、设备模型与实物PLC之间的通讯通道,实现数据、指令和信息的互联互通；在步骤A4的基础上，运用数字孪生技术，利用线上传感器数据，实物模型反馈的现场实时数据驱动仿真模型，模拟在制品运动情况，从而实现虚拟车间和真实车间之间互动和同步，将真实装备与映射到监控平台的对应模型进行一对一映射。

3.根据权利要求2所述的一种智能车间透明监控方法，其特征在于：

步骤B3中指令下传与数据采集反馈，包括：

在完成智能车间透明化监控平台的搭建和建立数据同步通讯的基础上，实现指令的下达和现场实时数据的采集和反馈，智能车间透明化监控平台对车间各类设备实时运行信息与状态进行跟踪，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，实物模型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；

SCADA模块对车间数据进行采集，并上传给MES模块，其中车间数据包括：设备运行状态、生产进程、产品加工进程、故障信息。

4.根据权利要求3所述的一种智能车间透明监控方法，其特征在于：

步骤B4中数据可视化展示，其包括现场实时数据传达至三维仿真软件，在软件内部对数据进行处理，对车间运行信息和生产数据进行统计制成报表，实现对车间生产状况、设备故障状况、产品加工状况实时数据的三维可视化呈现，从而实现智能车间的全视图、跨粒度、透明化监控与管理。

5.使用如权利要求4所述的一种智能车间透明监控方法的系统，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驱动仿真平台和现场装备运动；

SCADA模块，用于对车间数据进行采集，并上传给MES模块，其中车间数据包括：设备运行状态、生产进程、产品加工进程、故障信息；

总线控制网络模块，用于在一种智能车间透明监控系统的内部建立通讯网络。