CN109074059A - 用于生产线的试车和优化的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产线的试车和优化的方法，其中，在真实世界中生产线由至少两个生产机器构成，所述生产机器是同步的，并且其中，存在沿着生产线且在生产机器之间的物料流，其中，方法进一步包括以下步骤：模拟生产线中的物料流的至少一部分，并且沿着至少部分地模拟的物料流使机器同步。

Description

用于生产线的试车和优化的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于生产线的试车和优化的方法。
本发明进一步涉及一种用于生产线的试车的系统。
仅作为示例，这样的生产线可以是食品和饮料工业中的包装线。它由许多生产机器构成。用语生产机器意图指代多种类型的机器或机器组件。它可指代将液体产品填充到塑料袋中的填充机器。它也可指代在内部具有机器人的生产基元，其中，机器人甚至可具有它自己的控制器。或者它可指代在生产线内的物料或产品操作机器，例如包装机、贴标机、堆垛机等，或机器人在其中对压机进行加载和卸载的冲压线。
背景技术
生产线建造者和系统集成者装配整个生产线，从而集成典型地来自不同厂家的生产机器。在这样的复杂的生产线投入到生产中之前必须对其进行预检和试车。
但是现今，仅当生产机器实体可用时，才可对生产线进行预检和试车。对于新的生产线，机器建造者的机器交货时间可相当长，尤其对于定制的机器。一旦机器实体可用，即可执行生产线预检和试车，包括例如常见的报警列表的配置、机器的生产线监控和配合、常见的生产参数的配置、机器对机器的通信的配置等。这是耗时的过程，其得到启动生产较晚。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于生产线的试车和优化的方法，其允许更简单且更容易的生产线预检、测试和试车和优化，从而使得生产线建造者或系统集成者能够显著更早地移交生产线，用于对终端消费者启动生产。
通过具有权利要求1的特征的用于生产线的试车和优化的方法，且通过具有权利要求14的特征的用于生产线的试车的系统，实现了目标。
根据本发明，一种用于生产线的试车和优化的方法，其中，在真实世界中生产线由至少两个生产机器构成，所述生产机器是同步的，并且其中，存在沿着生产线且在生产机器之间的物料流，所述方法进一步包括以下步骤：模拟生产线中的物料流的至少一部分，并且沿着至少部分地模拟的物料流使机器同步。
优点是由于物料流的部分模拟和沿着部分模拟的物料流的机器同步，不必等待在真实世界的状况下所有物料流的全部物理安装。物料流的部分模拟允许在较早的状态下，在全部完成安装真实世界的生产线之前的适当时间进行试车和优化。
在有利的实施例中，方法进一步包括以下步骤：将生产机器中的至少一个设置为虚拟机器，集成机器以形成虚拟生产线或结合真实机器和虚拟机器的混合生产线，其中，虚拟生产机器和虚拟生产线是它们相应的真实世界等效体的虚拟型式，并且在虚拟机器处进一步提供物料流模拟接口，用于模拟虚拟物料流。
在有利的实施例中，方法进一步包括以下步骤：对真实机器提供数据通信接口，用于模拟虚拟物料流。
在有利的实施例中，方法进一步包括以下步骤：提供逻辑互动机构，通过其可实现机器之间的逻辑互动。
在有利的实施例中，方法进一步包括以下步骤：对虚拟生产机器提供虚拟控制器，所述虚拟控制器像真实控制器一样运转，运行真实的控制应用程序，并且所述虚拟控制器连接到虚拟传感器、虚拟促动器或其它虚拟装置。
因此，有利地，方法包括提供至少两个生产机器，其中至少一个为虚拟机器，将其集成以形成虚拟生产线或混合生产线，其中虚拟生产机器和虚拟生产线是它们相应的真实世界等效体的虚拟型式；进一步提供逻辑互动机构，通过其实现虚拟机器之间的逻辑互动，进一步提供物料流模拟机构，通过其模拟通过虚拟生产线的虚拟物料流。
混合生产线为包括至少两个生产机器的生产线，其中至少一个为真实机器且至少一个为虚拟机器。
在有利的实施例中，方法进一步包括将虚拟生产机器设置为容器，其包括所有需要的虚拟控制器(例如PLC、机器人控制器、驱动控制器)、可选的虚拟现场总线、模拟工具等，以及它们的相互连接，容器进一步包括所有需要的软件许可证和机器管理构件，机器管理构件用于管理机器如真实机器(例如启动机器，其包括例示且运行所有构件)。
所述虚拟生产机器像真实机器一样运转，运行虚拟控制器，虚拟控制器像真实控制器一样运转，运行真实的应用程序和控制程序，并且所述虚拟控制器连接到虚拟传感器、虚拟促动器或其它虚拟装置。
在有利的实施例中，方法进一步包括在虚拟生产线中集成多个虚拟生产机器、对各虚拟机器提供数据通信接口和通过数据通信接口将虚拟机器连接到上级系统。
在有利的实施例中，方法进一步包括在虚拟生产线或混合生产线中集成多个虚拟生产机器和通过数据通信接口连接到上级系统。
在有利的实施例中，方法进一步包括对虚拟机器提供模拟接口，其包括模拟物料流模拟的多种步骤的能力。对于物料流模拟的这样的步骤的示例是加载产品的CAD(计算机辅助设计)数据或使物料流同步。模拟接口可用作物料流模拟接口。
在有利的实施例中，方法进一步包括一旦真实机器可用，即由虚拟机器的真实世界等效体来替代虚拟机器而没有任何修改，从而得到由真实生产机器和虚拟生产机器构成的混合环境。
在有利的实施例中，方法进一步包括利用增强现实技术来将虚拟机器叠加在真实场景上。
在有利的实施例中，方法进一步包括通过生产线配合来使虚拟生产机器同步，生产线配合利用数据通信接口来发送机器信号以启动下一个机器周期。
在有利的实施例中，方法进一步包括通过利用类似于虚拟机器的物料流模拟机构来沿着物料流使机器同步，而在物料流侧使虚拟机器同步。
在有利的实施例中，方法进一步包括在物料流上利用自发机器同步来使机器同步，其中零件从一个机器移动到另一个机器。
附图说明
现在将参照在图中显示的实施例来示例性地描述本发明，其中，
图1显示了虚拟生产线的示例性且示意性的实施例，
图2示出了在试车期间由虚拟生产机器来操作真实零件的示例性的情形，
图3示出了在试车期间由真实生产机器来操作虚拟零件的示例性的情形。
具体实施方式
在实施例的描述中，可区别出以下四个实施例情形：
1) VM-(VP)-VM
2) RM-(RP)-VM
3) VM-(VP)-RM
4) RM-(VP)-VM
5) RM-(VP)-RM
其中，VM：虚拟机器；RM：真实机器，VP：虚拟零件；RP：真实零件。
图1显示了情形1。
如在图1中显示的那样，虚拟生产线1的示意性的示例包括四个虚拟生产机器2、3、4、5。虚拟机器2、3、4、5布置在生产线中且是同步的，从而实现从生产线中的第一虚拟机器(虚拟机器2)通过第二虚拟机器3和第三虚拟机器4而到第四虚拟机器5的虚拟物料流。
在这里显示的示例性的实施例中，虚拟生产线1为虚拟包装线，其用于对塑料袋填充液体、包装它们、贴标签于包装且对贴有标签的包装堆垛。因此，第一虚拟机器2为虚拟袋填充机器，它在它的输出端处传送虚拟袋。虚拟袋8传送到第二虚拟机器3，第二虚拟机器3为虚拟包装机，其在它的输出端处传送在内部具有许多虚拟袋8的虚拟纸板箱或虚拟包装9。虚拟纸板箱或虚拟包装9传送到第三虚拟机器4，第三虚拟机器4为虚拟贴标机，其将虚拟标签10虚拟地贴于虚拟纸板箱或虚拟包装9。贴有标签的虚拟纸板箱或虚拟包装9传送到第四虚拟机器5，第四虚拟机器5为虚拟堆垛机。虚拟堆垛机5可包括集成到虚拟堆垛基元中的虚拟机器人11。
虚拟生产机器(如虚拟袋填充机2、虚拟包装机3、虚拟贴标机4和虚拟堆垛机5)像它们的真实世界等效体一样运转，它们是它们的真实世界等效体的虚拟型式。它们在虚拟域中运行真实的自动化应用程序。
对于虚拟堆垛机5，在图1中示意性且示例性地显示了虚拟生产机器如何做这个工作。虚拟生产机器具有虚拟控制器，虚拟控制器像真实控制器一样运转，运行真实控制应用程序，并且虚拟控制器连接到虚拟传感器、虚拟促动器或其它虚拟装置，正如实际中它们将连接到虚拟装置那样。
如虚拟堆垛机5的示例所显示的那样，虚拟生产机器包括模拟模型12、虚拟机器人控制器13、虚拟驱动控制器14，其均经由虚拟现场总线连接件16连接到更高级别的虚拟控制器15。此外，虚拟生产机器具有通信接口17和模拟接口18。
虚拟控制器经由例如虚拟现场总线或虚拟化的局部I/O而连接到机器传感器和促动器，这等效于它在真实世界中连接的方式。
基于机器的模拟模型12来模拟机器行为，模拟模型12模仿机器的传感器和促动器与通过机器的物料流。
在共同的虚拟时间下执行所有构件，以确保正确的时间行为。中央模拟主机触发所有涉及的构件(如虚拟控制器、模拟器等)的执行。
使用虚拟化控制器、现场总线等能够实现虚拟生产机器的概念，当使用真实的HW控制器时虚拟生产机器的概念不可行。
为了有助于操作虚拟生产机器，将虚拟生产机器设置为软件容器(例如VMWare、Docker等)，其包括所有需要的虚拟控制器、虚拟现场总线、模拟工具等，以及它们的相互连接，进一步包括机器管理软件和所有需要的软件许可证，机器管理软件用于例示且运行所有构件，这等效于启动真实机器。通过该方法实现的虚拟机器可作为软件文件而得到，软件文件将由例如机器建造者提供且可经由因特网从机器建造者分发给例如系统集成者。系统集成者下载包含虚拟机器的软件容器，并且将它集成到虚拟生产线中需要它的位置处。
虚拟生产机器隐藏内部的结构和构件。因此，来自不同供应商的不同虚拟生产机器可集成到生产线中，甚至可使用来自不同自动化供应商的控制器。
虚拟生产机器通过用户界面(例如模拟工具的屏幕和虚拟化的HMI)来使它的运行可见。
作为虚拟生产线的部分，虚拟生产机器需要能够与其它虚拟机器同步。为了这个目的，虚拟生产机器提供两个接口。首先，存在数据通信接口17，其可以是基于以太网的接口或任何其它标准的通信接口，通过数据通信接口17，虚拟生产机器可接通到上级生产线控制器19、SCADA、HMI(人机界面)或MES(制造工程系统)，或接通到相邻的上游或下游机器。用语上游或下游指代通过生产线的物料流的方向。多个虚拟生产机器可集成在虚拟生产线中，并且如实际中那样通过它们的数据通信接口17连接到上级系统。数据通信接口17能够实现与逻辑互动机构6(例如工业以太网通信总线)的通信联结。
除了虚拟生产机器2、3、4、5，虚拟生产线1的测试和试车还需要虚拟生产机器的逻辑互动和物理互动以及用以实现逻辑互动和物理互动的相应的机构。
根据消费者的说明书，通过虚拟机器的外部通信接口17来实现从一个虚拟机器到另一个虚拟机器或从虚拟机器到生产线通信的逻辑互动。箭头20示意性地表示各虚拟机器的通信接口17与逻辑互动机构6(例如工业以太网总线)之间的逻辑互动。
模仿物理互动需要模拟贯穿整个虚拟生产线1的物料流。虚拟生产线提供模拟虚拟物料流的可能性。箭头21示意性地表示物理互动的模拟，从而建立虚拟物料流。
在生产线试车的初始阶段中，假定真实机器不可用。因此，虚拟试车全部是虚拟的。在虚拟生产线1中考虑虚拟物料流。
虚拟生产机器2、3、4、5生产虚拟零件8、9，通过虚拟的出料器和进料器来将虚拟零件8、9运输到生产线中的下一个机器。
该物料流在虚拟生产机器2、3、4、5之上模拟，并且需要生产线中所有生产机器的同步运行。
生产线中的机器通过上级生产线配合(例如生产线控制器19、SCADA 系统等)同步，或在物料流侧同步，其中后者的模式被称为自发机器同步。
生产线配合利用机器信号(例如仅用于示例的“机器完成”或其它原则上已知的机器信号)来根据物料流启动下一个机器(“机器启动”)。在该情形中，类似于虚拟机器，虚拟(或甚至是真实的)生产线控制器19用于通过如实际中那样通过它们的数据通信接口17发送信号的方式来沿着物料流使虚拟机器同步。
通过物料流的同步意味着检测越过机器边界的虚拟零件，这未被虚拟生产机器模拟。虚拟生产机器被认为不能够检测来自另一个虚拟生产机器的虚拟进入零件。因此，需要技术用于在来自上游机器的零件到达时同步触发下一个机器周期的执行。实际中这可通过进料器上的传感器来实现。这在虚拟生产线中通过传感器值注入来模拟。传感器值注入通过各虚拟生产机器提供的模拟接口7(也被称为物料流模拟机构)来触发生产机器。在相邻的下游机器中虚拟地创造的零件CAD模型通过标准的CAD格式来提供，且通过模拟接口来获取。图1显示了两个选择。
各虚拟生产机器2、3、4、5可通过提供独立视图的单独的容器来模拟。然后使这些视图同步；即，从一个虚拟机器中移动出来的虚拟零件必须同步地移动到下一个虚拟的下游机器中。
一旦真实机器可用，虚拟生产机器即可由它们的真实世界配对体来逐步替代而没有任何修改，因为虚拟生产机器精确地如真实机器一样运转。因此，真实机器一旦可用，即替代虚拟生产机器，从而得到由真实生产机器和虚拟生产机器构成的混合环境。
通过虚拟生产机器来扩展现有的生产线是混合环境的另一个示例。这些情形导致扩展物料流模拟。
自发机器同步需要零件从一个机器移动到另一个机器。因此，生产零件的机器(所谓的源机器)可以是真实生产机器或虚拟生产机器。同样的情况适用于接收零件的机器。生产的零件为真实零件或虚拟零件。
生产线模拟用于模拟如以下描述的真实机器和虚拟机器之间或虚拟机器和虚拟机器之间的零件运输。
图2显示了情形2：RM-(RP)-VM。
图2示出了在试车期间由虚拟生产机器来操作真实零件的示例性的情形。在该示例中，相比于图1，虚拟袋填充机器2由真实袋填充机器2r替代。包装机器3为如在图1的示例中的虚拟包装机器3。在图2中，这里为了使真实机器2r和虚拟机器3之间的差异可见，虚拟机器3由用虚线绘制的正方形表示。利用视觉跟踪机构或专用的传感器来跟踪真实零件8r和它的位置。在限定的位置处，通过利用虚拟包装机器3的模拟接口7注入传感器值来触发虚拟包装机器3。为了试车目的，由真实机器生产的真实零件8r落下。
随后的虚拟生产机器由如以上描述的虚拟物料流来触发。
可选地，可利用增强现实(AR)技术来将虚拟机器叠加在真实场景上。
图3显示了情形3：VM-(VP)-RM。
图3示出了在试车期间由真实生产机器来操作虚拟零件的示例性的情形。在该示例中，相比于图1，虚拟贴标签机器4由真实贴标签机器4r替代。包装机器3为如在图1的示例中的虚拟包装机器3。为了使真实机器4r和虚拟机器3之间的差异可见，虚拟机器3由以虚线绘制的正方形表示，虚拟包装9也如这样。为了试车，虚拟包装9由虚拟包装机器3传送到真实贴标签机器4r。
真实机器不能检测虚拟物料流的零件。因此，这里根据本发明，虚拟物料流模拟提供虚拟零件9的位置信息，虚拟零件9在限定的位置处触发真实机器4r。触发真实机器9r通过数据通信接口来实现，数据通信接口(例如OPC接口21)提供对真实机器4r的进料器传感器的变量(传感器值注入)的通路，其中真实机器4r在测试或维护模式下运行，即它在执行时不消耗真实物料。
在情形4(RM-(VP)-VM)中，在真实机器完成(通过数据通信接口发出信号)之后，得到的虚拟零件再次由生产线模拟生成且进一步移动到下一个虚拟机器，以由其“接管”，下一个虚拟机器在这里为虚拟堆垛机5(见图1)。再次，可选地利用增强现实(AR)技术，可将虚拟机器以及虚拟零件叠加在真实场景上，从而场景包括虚拟生产机器和真实生产机器。
应理解，同样在图1中显示的情形中，由虚拟机器来操作虚拟零件，可利用增强现实(AR)技术来将虚拟机器和虚拟零件覆盖在真实场景上。
情形5仅仅是情形4的左手侧和情形3的右手侧的结合。
图4以示例性且示意性的方式示出了根据本发明的物料流模拟的两个选择。图4显示了三个机器2、3、4，其可各为如以前描述的虚拟机器。利用传送带系统24来将真实零件从一个机器移动到另一个机器。传送带24具有分支区段25，从而允许例如扩展真实产品在它的通过生产线的路线上的运输范围。模拟通过生产线的包括分支的物料流。模拟物料流包括将产品的CAD数据导入到机器中和从机器中导出。此外，在图4中，存在物料流模拟机构23。
虚线26象征在经由物料流模拟机构23来使机器2、3、4同步的情形中的数据流。来自机器2的信号(例如生产的零件的CAD数据或机器2已完成等)传送到物料流模拟机构23。在该情形中，物料流模拟机构设计成与虚拟机器类似，并且它用于沿着物料流使机器同步。虚拟生产机器和真实生产机器通过它们的数据通信接口连接到物料流模拟机构。物料流模拟机构23运行如最终应用于真实生产线和真实物料运输机构(例如传送机系统24)的物料流控制程序。生产机器2、3、4和传送机系统24集成在物料流模拟机构23中。物料流模拟机构23将相应的信号传递到生产线中的下一个机器(例如机器3)。这样的信号可以是“机器启动”信号或者真实产品或虚拟产品的CAD数据，同时考虑物料流的状况，例如产品是否应完全从机器2移交给机器3，或者产品是否应跟随在分支25处的分支路径。
虚线27象征作为备选的自发机器同步。这需要零件(真实的或虚拟的)从一个机器直接移动到另一个机器。生产零件的机器(所谓的源机器，例如机器2)可以是真实生产机器或虚拟生产机器。同样的情况适用于接收零件的机器，例如机器3。生产的零件为真实零件或虚拟零件。生产线同步用于模拟如之前描述的真实机器和虚拟机器之间或虚拟机器和虚拟机器之间的零件运输。
根据本发明的方法和系统的有意思的应用情形是在生产过程的使用期限运行期间进行生产优化的能力。为了实现这个，在正在进行的生产过程期间，虚拟机器并行于真实机器连接，并且虚拟机器并行于真实机器运行。虚拟机器集成到生产线中与真实机器相同的位置处，执行与真实机器相同的步骤。现在，在运行生产过程期间，可使虚拟机器性能优化，而不影响真实机器的性能。这意味着，真实机器基于当前设置的参数继续生产。一旦完成虚拟机器的优化，虚拟机器的设置即输入真实机器，也就是说，真实机器由优化的虚拟机器替代或更新。
总之，根据本发明的系统以有利的方式允许模拟虚拟生产机器和模拟物料流、与上级生产线管理系统通信、能够实现生产线的增强现实(AR)表达，并且可检测可为混合生产线的部分的真实机器的状态。
参考标识列表
1 虚拟生产线
2 虚拟生产机器、虚拟袋填充机器
2r 真实袋填充机器
3 虚拟生产机器、虚拟包装机器
4 虚拟生产机器、虚拟贴标签机器
4r 真实贴标签机器
5 虚拟生产机器
6 逻辑互动机构
7 物料流模拟接口
8 虚拟袋
8r 真实袋
9 虚拟包装
10 虚拟标签
11 虚拟机器人
12 模拟模型
13 虚拟机器人控制器
14 虚拟驱动控制器
15 更高级别的虚拟控制器
16 虚拟现场总线连接件
17 通信接口
18 模拟接口
19 生产线控制器
20 表示通信接口17和逻辑互动机构6之间的互动的箭头
21 表示虚拟物料流的箭头
22 真实机器的OPC接口
23 物料流模拟机构
24 传送机系统
25 分支
26 虚线
27 虚线。

Claims (15)

1.一种用于生产线的试车和优化的方法，其中，在真实世界中所述生产线由至少两个生产机器构成，所述生产机器是同步的，并且其中，存在沿着所述生产线且在所述生产机器之间的物料流，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：模拟所述生产线中的所述物料流的至少一部分，并且沿着至少部分地模拟的物料流使所述机器同步。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
将所述生产机器(2, 3, 4, 5)中的至少一个设置为虚拟机器(3)，集成所述机器以形成虚拟生产线(1)或结合真实机器和虚拟机器的混合生产线，其中，所述虚拟生产机器(3)和所述虚拟生产线(1)是它们相应的真实世界等效体的虚拟型式；
在所述虚拟机器(3)处提供物料流模拟接口(7)，用于模拟虚拟物料流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：对真实机器提供数据通信接口(22)，用于模拟所述虚拟物料流。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：提供逻辑互动机构(6)，通过其可实现所述机器(2, 3, 4, 5)之间的逻辑互动。
5. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：对所述虚拟生产机器提供虚拟控制器(13, 14, 15)，所述虚拟控制器(13, 14, 15)像真实控制器一样运转，运行真实的控制应用程序，并且所述虚拟控制器(13, 14, 15)连接到虚拟传感器、虚拟促动器或其它虚拟装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：将所述虚拟生产机器(3)设置为软件容器，其包括所有需要的虚拟控制器、虚拟现场总线、模拟工具等，以及它们的相互连接，所述软件容器进一步包括机器管理软件和所有需要的软件许可证，所述机器管理软件用于例示且运行所有构件，这等效于启动所述真实机器。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：在虚拟生产线中集成多个虚拟生产机器，对各虚拟机器提供数据通信接口(17)，并且通过所述数据通信接口(17)将所述虚拟机器连接到上级系统(19)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：对所述虚拟机器提供模拟接口(18)，其包括模拟物料流模拟的多种步骤的能力。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：一旦所述真实机器(2r)可用，虚拟机器(2)即由它的真实世界等效体(2r)来替代而没有任何修改，从而得到由真实生产机器(2r)和虚拟生产机器(3)构成的混合环境。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：利用增强现实技术来将所述虚拟机器(3)叠加在真实场景上。
11.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过生产线配合来使所述机器同步，所述生产线配合利用机器信号来根据所述物料流启动下一个机器。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：通过利用类似于虚拟机器的物料流模拟机构(23)来沿着所述物料流使所述机器同步，而在物料流侧使所述虚拟机器同步。
13.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述物料流上利用自发机器同步来使机器同步，其中零件从一个机器移动到另一个机器。
14.一种用于生产线的试车和优化的系统，其构造成执行根据前述权利要求中的一项所述的方法。
15.一种存储机器可执行的指令的机器可读介质，当执行所述指令时，所述指令使用于生产线的试车和优化的系统执行根据前述权利要求中的一项所述的方法。
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