CN109613895A - 一种智能生产线数字孪生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能生产线数字孪生系统，包括物理空间层、信息层和虚拟空间层；所述物理空间层由物理生产线、智能感知设备和工控网络构成；信息层包括数据转换模块、数据分析模块以及生产线信息数据库；虚拟空间层适配个人电脑、手持设备多种平台和环境，它由三维可视化引擎在信息层生产线信息数据库的驱动下，在线实时和离线非实时渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线，具有多视角可视化展示、自然交互、状态监控等功能。本发明通过各种智能感知设备采集物理生产线实时状态信息，并基于此信息来驱动三维可视化引擎渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，从而实现虚拟生产线与物理生产线的孪生镜像。

Description

一种智能生产线数字孪生系统
技术领域
本发明涉及智能制造技术领域，尤其是一种智能生产线数字孪生系统。
背景技术
世界各主要国家纷纷提出了促进本国制造业发展的战略，如美国工业互联网、德国工业4.0、中国制造2025等，为推进智能制造提供了契机。这些举措的目的都是借助信息技术，实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作。智能化工厂是实现“智能制造”的必由之路，而智能化生产线又是实现智能化工厂的基础。但是，目前生产线物理空间与信息空间相互独立，数据传递存在滞后性，虚实空间无法实时交互与融合，智能化水平还不高。鉴于此现状，数字孪生(Digital Twin，DT)作为实现信息物理系统(cypher-physical system，CPS)融合的技术手段引起了广泛的关注。
数字孪生技术是指利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能进行描述和建模，在虚拟空间中存在一个与物理空间中的物理实体对象完全一样的数字镜像，使得产品和生产系统的数字空间模型和物理空间模型处于实时交互中，使二者能够及时地掌握彼此的动态变化并实时地做出响应。
最近几年来，数字孪生在理论层面和应用层面均取得了快速发展，引起了国内外学者和企业的广泛关注。然而，经过检索相关专利和论文发现，目前数字孪生系统的实现在实时可视化、自然交互以及多平台环境支持方面还存在不足，例如有的没有与物理模型一致的虚拟三维模型，有的虚拟三维模型无法实时跟踪和反应物理模型状态，有的无法提供自然交互方式，如多视角漫游、细部放大观察等，有的不支持远程、手持设备等平台和环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于个人电脑、手持设备等多种平台和环境下生产线在线实时和离线非实时状态的多视角可视化展示、自然交互和状态监控，以及生产件数、故障数、故障率和生产节拍等分析数据的可视化展示，实现生产线虚实映射和深层次的信息物理融合，从而提升生产线的智能化水平的智能生产线数字孪生系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种智能生产线数字孪生系统，包括物理空间层、信息层和虚拟空间层；
所述物理空间层由物理生产线、智能感知设备和工控网络构成，物理空间层借助智能感知设备实现物理生产线状态信息的实时获取，并通过工控网络传输至信息层；
所述信息层包括数据转换模块、数据分析模块以及生产线信息数据库；
所述虚拟空间层适配个人电脑、手持设备多种平台和环境，虚拟空间层由三维可视化引擎在信息层生产线信息数据库的驱动下，在线实时和离线非实时渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线，具有多视角可视化展示、自然交互、状态监控功能；虚拟空间层对信息层中数据分析模块产生的各种结果数据进行可视化展示。
所述智能感知设备包括可编程逻辑控制器PLC、传感器和远程终端单元，所述物理生产线状态信息包括物理生产线机床、工业机器人、工件、物料、传送装置、物流设备、仓储设备的位置、位姿、速度和状态信息。
所述智能感知设备实时获取的物理生产线状态信息由工控网络传输至信息层，支持Zigbee、Bluetooth、LAN、WIFI、NB-IoT多种传输协议。
所述信息层通过数据转换模块，将智能感知设备实时获取的物理生产线状态信息数据转换为虚拟空间层应用系统可识别和使用的数据；所述信息层通过数据分析模块，实现生产线某个时间段生产件数、故障数、故障率、生产节拍信息的分析。
所述虚拟空间层中的应用系统通过三维可视化引擎，在实时获取的物理生产线数据库的驱动下，对虚拟生产线三维轻量化模型进行渲染，从而生成与物理生产线中机床、工业机器人、工件、物料单元实时位置、位姿、速度、状态信息相一致的虚拟生产线模型。
所述虚拟空间层中的应用系统具有在线实时和离线非实时多视角可视化展示、自然交互、状态监控功能，并对生产件数、故障数、故障率、生产节拍生产线信息进行可视化展示，适配个人电脑、手持设备多种平台和环境。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：本发明通过各种智能感知设备采集物理生产线实时状态信息，并基于此信息来驱动三维可视化引擎渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，从而实现虚拟生产线与物理生产线的孪生镜像，可在线实时和离线非实时地进行多视角可视化展示、自然交互、状态监控，并可对生产件数、故障数、故障率、生产节拍等生产线信息进行可视化展示，整个系统支持本地、远程、局域网、广域网、因特网等多种网络环境以及电脑和手持设备等多种平台。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明实施例一的实施原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种智能生产线数字孪生系统，包括物理空间层、信息层和虚拟空间层；
所述物理空间层由物理生产线、智能感知设备和工控网络构成，物理空间层借助智能感知设备实现物理生产线状态信息的实时获取，并通过工控网络传输至信息层；
所述信息层包括数据转换模块、数据分析模块以及生产线信息数据库；
所述虚拟空间层适配个人电脑、手持设备多种平台和环境，虚拟空间层由三维可视化引擎在信息层生产线信息数据库的驱动下，在线实时和离线非实时渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线，具有多视角可视化展示、自然交互、状态监控等功能；虚拟空间层对信息层中数据分析模块产生的各种结果数据，如生产件数、故障数、故障率、生产节拍等进行可视化展示。
如图1所示，所述感知设备包括可编程逻辑控制器PLC、传感器和远程终端单元，所述物理生产线状态信息包括物理生产线机床、工业机器人、工件、物料、传送装置、物流设备、仓储设备的位置、位姿、速度和状态信息。所述感知设备获取的物理生产线状态信息由工控网络传输至信息层，支持Zigbee、Bluetooth、LAN、WIFI、NB-IoT多种传输协议。
如图1所示，所述信息层通过数据转换模块，将智能感知设备实时获取的物理生产线状态信息数据转换为虚拟空间层应用系统可识别和使用的数据；所述信息层通过数据分析模块，实现生产线某个时间段生产件数、故障数、故障率、生产节拍信息的分析。
如图1所示，所述虚拟空间层中的应用系统通过三维可视化引擎，在实时获取的物理生产线数据库的驱动下，对虚拟生产线三维轻量化模型进行渲染，从而生成与物理生产线中机床、工业机器人、工件、物料单元实时位置、位姿、速度、状态信息相一致的虚拟生产线模型；所述虚拟空间层中的应用系统可在线实时和离线非实时地进行多视角可视化展示、自然交互、状态监控，并可对生产件数、故障数、故障率、生产节拍等生产线信息进行可视化展示，适用于个人电脑、手持设备多种平台和环境。
实施例一
(1)物理空间层实施
如图2所示，物理空间层中的可编程逻辑控制器PLC、传感器、远程终端单元等智能感知设备布置于物理生产线对应单元上或与其相连，以此来获取物理生产线中机床、工业机器人、工件、物料、传送装置、物流设备、仓储设备的位置、位姿、速度、状态等信息。
各智能感知设备通过工业以太网总线互联，支持Zigbee、Bluetooth、LAN、WIFI、NB-IoT等多种传输协议，并通过工业以太网总线连入以太局域网，信息层据此可读取感知数据。
(2)信息层实施
如图2所示，信息层包括ThingWrox系统以及数据库管理系统DBMS。
ThingWrox系统包含数据转换模块和数据分析模块。其中数据转换模块可将智能感知设备获得数据转换为虚拟空间层应用系统可识别和使用的数据，通过DBMS存储为生产线信息数据库；数据分析模块可根据实际业务需求进行开发定制，在DBMS的支持下实现数据的分析和挖掘，如对生产线系统可分析某一时间段内生产件数、故障数、故障率、生产节拍等信息。
在部署方面，ThingWrox系统单独部署在一个服务器中，DBMS部署于另一个服务器中；当然也可以将二者部署于同一个服务器。但不管怎样，应向虚拟空间层的应用系统开发者暴露这些服务器的公网IP地址，以便虚拟空间层的应用系统读取生产线数据。
(3)虚拟空间层实施
如图2所示，虚拟空间层中的虚拟生产线三维轻量化模型，可通过PiXYZ软件将三维CAD系统(creo、CATIA等)生成的三维模型进行轻量化处理，以尽量减少模型面片数，保证渲染流畅。
虚拟空间层采用Unity 3D等三维可视化引擎，可支持多种平台和操作系统，如Windows、Linux、Mac OSX、iOS、Android、WebGL等，其渲染生成的三维场景和模型具有良好的自然交互性。
Unity 3D根据获取的物理生产线状态信息数据，通过平移、旋转、缩放、着色等方式对虚拟生产线三维轻量化模型进行渲染，从而生成与物理生产线中机床、工业机器人、工件、物料等单元实时位置、位姿、速度、状态信息相一致的虚拟生产线模型。
虚拟空间层中的应用系统具有在线实时和离线非实时多视角可视化展示、自然交互、状态监控等功能，并可对生产件数、故障数、故障率、生产节拍等生产线信息进行可视化展示，适配个人电脑、手持设备(平板、智能手机)多种平台和环境。在多视角可视化展示方面，包括鸟瞰漫游、对象跟随(如物料、工件等)漫游、多场景集中展示等；在自然交互方面，包括细部放大观察、对象状态即时展示等；在状态监控方面，包括各工序以及对象的正常、故障状态展示等。
综上所述，本发明通过各种智能感知设备采集物理生产线实时状态信息，并基于此信息来驱动三维可视化引擎渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，实现虚拟生产线与物理生产线的孪生镜像。

Claims (6)

1.一种智能生产线数字孪生系统，其特征在于：包括物理空间层、信息层和虚拟空间层；
所述物理空间层由物理生产线、智能感知设备和工控网络构成，物理空间层借助智能感知设备实现物理生产线状态信息的实时获取，并通过工控网络传输至信息层；
所述信息层包括数据转换模块、数据分析模块以及生产线信息数据库；
所述虚拟空间层适配个人电脑、手持设备多种平台和环境，虚拟空间层由三维可视化引擎在信息层生产线信息数据库的驱动下，在线实时和离线非实时渲染生成与物理生产线一致的虚拟生产线，具有多视角可视化展示、自然交互、状态监控功能；虚拟空间层对信息层中数据分析模块产生的各种结果数据进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的智能生产线数字孪生系统，其特征在于：所述智能感知设备包括可编程逻辑控制器PLC、传感器和远程终端单元，所述物理生产线状态信息包括物理生产线机床、工业机器人、工件、物料、传送装置、物流设备、仓储设备的位置、位姿、速度和状态信息。
3.根据权利要求1所述的智能生产线数字孪生系统，其特征在于：所述智能感知设备实时获取的物理生产线状态信息由工控网络传输至信息层，支持Zigbee、Bluetooth、LAN、WIFI、NB-IoT多种传输协议。
4.根据权利要求1所述的智能生产线数字孪生系统，其特征在于：所述信息层通过数据转换模块，将智能感知设备实时获取的物理生产线状态信息数据转换为虚拟空间层应用系统可识别和使用的数据；所述信息层通过数据分析模块，实现生产线某个时间段生产件数、故障数、故障率、生产节拍信息的分析。
5.根据权利要求1所述的智能生产线数字孪生系统，其特征在于：所述虚拟空间层中的应用系统通过三维可视化引擎，在实时获取的物理生产线数据库的驱动下，对虚拟生产线三维轻量化模型进行渲染，从而生成与物理生产线中机床、工业机器人、工件、物料单元实时位置、位姿、速度、状态信息相一致的虚拟生产线模型。
6.根据权利要求1所述的智能生产线数字孪生系统，其特征在于：所述虚拟空间层中的应用系统具有在线实时和离线非实时多视角可视化展示、自然交互、状态监控功能，并对生产件数、故障数、故障率、生产节拍生产线信息进行可视化展示，适配个人电脑、手持设备多种平台和环境。
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