CN110333698A - 基于数字孪生平台的工厂管理系统及其方法 - Google Patents

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周俊雄
周俊杰
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Abstract

本发明涉及工厂管理系统技术领域，特别涉及一种基于数字孪生平台的工厂管理系统及其方法，用于对工厂等比例3D模型的管理；包括工厂层、车间层、设备层、以及控制层，用于根据实际车间内传输的信号控制所述工厂层、车间层和设备层中的数字孪生体产生相应动作，并选择查看所述工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。本发明的发明目的在于提供一种基于数字孪生平台的工厂管理系统及其方法，采用本发明提供的技术方案能够在数字孪生平台上对整个工厂园区布局建模，以第一人称视角指引客户了解整个车间分布，以及查看工厂内设备运转状态。

Description

基于数字孪生平台的工厂管理系统及其方法
技术领域
本发明涉及工厂管理系统技术领域，特别涉及一种基于数字孪生平台的工厂管理系统及其方法。
背景技术
数字孪生开发平台是通过利用数字化模型、传感器更新、运行信号等数据，在虚拟空间中完成对现实自动化设备映射，创建与现实设备同步的虚拟设备，用于设备可视化的全生命周期管理。
数字孪生开发平台是一种开发与生产线自动化设备同步运行的数字化设备，其具有以下特点：一、动作同步，客户可在软件中观看整个产品工艺过程和各个机构的动作；二、信息同步，生产设备的物料信息，PLC的I O信号同步反馈在软件中，当前加工的物料信息和状态可同步显示；三、运维同步，实时查看远端设备生产状态；当发生异常报警时，可在3D模型中快速定位异常部件的位置和报警信息。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于数字孪生平台的工厂管理系统及其方法，采用本发明提供的技术方案能够在数字孪生平台上对整个工厂园区布局建模，以第一人称视角指引客户了解整个车间分布，以及查看工厂内设备运转状态。
为了达到上述发明目的，本发明一方面提供基于数字孪生平台的工厂管理系统，用于对工厂等比例3D模型的管理；包括
工厂层，包括所述3D模型中的工厂建筑数字孪生体以及所述工厂建筑数字孪生体的参数信息；
车间层，包括车间内的车间设备数字孪生体以及所述车间设备数字孪生体的参数信息；
设备层，包括生产设备数字孪生体以及所述生产设备数字孪生体的参数信息；以及
控制层，用于根据实际车间内传输的信号控制所述工厂层、车间层和设备层中的数字孪生体产生相应动作，并选择查看所述工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。
优选的，所述工厂层的工厂建筑数字孪生体包括：建筑数字孪生体、通道数字孪生体和车间数字孪生体；
所述车间层的车间设备数字孪生体包括：AGV数字孪生体和物流滚筒线数字孪生体；
所述设备层的生产设备数字孪生体包括：仓储数字孪生体和自动化设备数字孪生体。
优选的，所述控制层在所述工厂层的控制，包括通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置，并以第一人称视角漫游展示移动位置的模拟景象和参数信息。
优选的，所述控制层在所述车间层的控制，包括通过MES信号获取实际车间内的车间设备的参数信息，同步发送至所述车间设备数字孪生体中的映射模型。
优选的，还包括PLC控制平台；所述控制层在所述设备层的控制，包括通过PLC控制平台的PLC/WCS信号获取实际车间内的生产设备的参数信息，同步发送至所述生产设备数字孪生体中的映射模型。
基于上述工厂管理系统，本发明还提供一种工厂管理方法，包括创建步骤和管理步骤：
所述创建步骤包括：
S100、按照实际工厂布局创建对等比例3D模型；
S200、对3D模型中的工厂建筑数字孪生体、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体赋予模型物理属性；
S300、获取实际车间内的车间设备和生产设备的参数信息，分别同步发送至车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体中的映射模型；
S400、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体根据实际车间内传输的参数信息产生相应动作；
所述管理步骤包括：
S500、通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置，并以第一人称视角漫游展示移动位置的模拟景象和参数信息；
S600、手动选择查看所述工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。
在步骤S200中，对3D模型中的工厂建筑数字孪生体、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体赋予模型物理属性；优选的，对车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体的运动组件进行命名，通过代码定义各个运动组件的物理属性，限制模型的相对位移，仿真实际设备运动属性，约束运动轨迹，定义虚拟控制信号。
优选的，在步骤S300中，通过PLC控制平台的通讯接口，对实际车间内的生产设备与3D模型中的生产设备数字孪生体进行信号配置，将生产设备的参数信息通过上位机数据库产生驱动生产设备数字孪生体产生动作和显示的虚拟I/O信号。
优选的，在对实际车间内的生产设备与3D模型中的生产设备数字孪生体进行信号配置中，对数字孪生体的模型物理属性与虚拟I/O信号进行配置，将已经定义好的模型物理属性中的组件物理及运动属性通过代码定义虚拟I/O 信号的变量名，令每个数字孪生体的控制与PLC控制平台的虚拟I/O信号对应。
在步骤S500中，通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置；优选的，手动切换通过鼠标或键盘控制移动；所述自动切换通过绕固定移动轨迹循环展示工厂场景。
由上可知，应用本发明提供的技术方案可以得到以下有益效果：该工厂管理系统及其方法通过数字孪生体的建立以及数字孪生体与实际车间内的同步通讯连接，不仅能够实现实时显示车间内设备的基本信息和运行状态，还能够根据需求选择任一设备进行监控，使得工厂管理更为直观和简便化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例工厂管理系统结构框图；
图2为本发明实施例工厂管理方法创建步骤流程框图；
图3为本发明实施例工厂管理方法管理步骤流程框图；
图4为本发明实施例工厂管理方法虚拟设备部分元器件定义预览图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术的问题，本发明实施例中提出了一种基于数字孪生平台的工厂管理系统以及相应的管理方法。在说明本发明实施例之前，先介绍数字孪生开发平台，以帮助理解本发明实施例中的相关方案。
数字孪生开发平台是通过利用数字化模型、传感器更新、运行信号等数据，在虚拟空间中完成对现实自动化设备映射，创建与现实设备同步的虚拟设备，用于设备可视化的全生命周期管理。
基于数字孪生开发平台，本发明实施例中提供了一种工厂管理系统，用于对工厂等比例3D模型的管理。具体方案如下所述：
请参见图1，该工厂管理系统包括工厂层、车间层、设备层和控制层。
其中，工厂层，包括3D模型中的工厂建筑数字孪生体以及工厂建筑数字孪生体的参数信息。上述工厂建筑数字孪生体包括但不限于分别与建筑、通道和车间相对应的建筑数字孪生体、通道数字孪生体和车间数字孪生体。
车间层，包括车间内的车间设备数字孪生体以及车间设备数字孪生体的参数信息。上述车间设备数字孪生体包括但不限于分别与AGV车和物流滚筒线相对应的AGV数字孪生体和物流滚筒线数字孪生体。
设备层，包括生产设备数字孪生体以及生产设备数字孪生体的参数信息。上述生产设备数字孪生体包括但不限于分别与仓储和自动化设备相对应的仓储数字孪生体和自动化设备数字孪生体。
在此需要说明的是，在本实施例中尽管列举了多种建筑数字孪生体、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体，但对于规模较大的工厂，还可以包括其他厂区内涵盖的建筑体数字孪生体以及其他车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体，在此不做详细说明。
控制层，用于根据实际车间内传输的信号控制工厂层、车间层和设备层中的数字孪生体产生相应动作，并选择查看工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。
具体的，包括
在工厂层的控制中，通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置，并以第一人称视角漫游展示移动位置的模拟景象和参数信息，指引客户了解整个车间分布。
在车间层的控制中，通过MES信号获取实际车间内的车间设备的参数信息，同步发送至车间设备数字孪生体中的映射模型，使得实际车间内的车间设备参数信息实时显示在车间层。例如AGV车、物流线中物料的状态，点击相应的数字孪生体即可显示当前物料的编号、数量等信息，如需查看生产设备的运转情况，可点击生产设备数字孪生体进入设备层。
与工厂层和车间层的控制不同的是，本实施例在对设备层的控制过程中，通过PLC控制平台实现，为此本实施例还包括PLC控制平台。
控制层在设备层的控制，包括通过PLC控制平台的PLC/WCS信号获取实际车间内的生产设备的参数信息，同步发送至生产设备数字孪生体中的映射模型，使得实际车间内的生产设备的参数信息和运转状态实时显示在设备层。
通过上述系统，使得实际车间内各设备的参数信息与创建的数字孪生体之间实现同步，进而实现实时显示车间内设备的基本信息和运行状态，还能对车间内的设备实现监控。
为了便于本发明实施例工厂管理系统的实现，基于上述工厂管理系统，本实施例另一方面还提供一种工厂管理方法，包括创建步骤和管理步骤。
其中，请参见图2，创建步骤包括：
S100、按照实际工厂布局创建对等比例3D模型。
在用户启动应用后，通过导入接口将实际设备等比例3D模型导入软件中进行处理，搭建设备环境。数字孪生软件，首先需要保证数字化模型与实际模型的形统一，在物理空间与虚拟空间进行映射，将具有与设备零件的高保真度3D模型导入到搭建好的软件环境中，对模型的外观、尺寸、参数进行核对，使各模型的相对位置保持一致。
S200、对3D模型中的工厂建筑数字孪生体、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体赋予模型物理属性。
对车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体的运动组件进行命名，通过代码定义各个运动组件的物理属性，限制模型的相对位移，仿真实际设备运动属性，约束运动轨迹，定义虚拟控制信号。
在设备中存在，大量的原动件，如气缸、电机、液压缸等，驱动执行机构完成对应的动作，需将每个执行机构进行命名，通过编辑对应的代码定义各执行单元的重量、运动轨迹、速度和启停等。例如定义AGV数字孪生体和物流滚筒线数字孪生体的编号信息、速度信号和位置信号等。
为了实现工厂的管理，实际车间内设备与数字孪生体之间的同步具体包括动作同步和信息同步，其中步骤S300实现信息同步，步骤S400则实现动作同步。
S300、获取实际车间内的车间设备和生产设备的参数信息，分别同步发送至车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体中的映射模型。
具体，包括：
S301、车间设备的参数信息获取过程，采用MES信号接收和控制车间AGV 车和物流滚筒线的信号，同步发给车间设备数字孪生中的映射模型，实现车间设备数字孪生体与实际车间中的AGV车和物料滚筒线上的物料同步运动。
S302、生产设备的参数信息获取过程，通过PLC控制平台的通讯接口，对实际车间内的生产设备与3D模型中的生产设备数字孪生体进行信号配置，将生产设备的参数信息，例如自动化设备的传感器、电机、机器人、产量、稼动率等参数信息，通过上位机数据库产生驱动生产设备数字孪生体产生动作和显示的虚拟I/O信号。
在信号配置之前，需要对步骤S200中赋予的数字孪生体的模型物理属性与虚拟I/O信号进行配置，将已经定义好的模型物理属性中的组件物理及运动属性通过代码定义虚拟I/O信号的变量名，令每个数字孪生体的控制与PLC 控制平台的虚拟I/O信号对应。在该过程中可根据实际设备的PLC、数据库信号对虚拟模型进行点对点的信号配置，让每一个控制信号都有其对应控制的虚拟信号，将数字孪生脚本的命名标准统一，可快速的对整个设备模型命名和配置其对应的属性变量。
数字孪生体与PLC控制平台连接后，实现数字孪生体与实际设备产品之间信息、报警信息同步，同时还实现生产产品的原材料类型、数量等信息同步。例如设备运行过程中发现异常报警时，数字孪生体会同步显示报警信息，并将异常部位闪烁显示，可快速定位异常的位置，现实远程监控及可视化功能。
对仓储的仓储状态，则以三维模式实时显示仓位的存储状态和堆垛机的运动状态。
S400、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体根据实际车间内传输的参数信息产生相应动作。
基于软件底层代码的开发，数字孪生平台已实现与西门子、倍福、三菱、欧姆龙等品牌的兼容，将硬件通讯接口与软件接口联结，实现硬件驱动硬件和硬件驱动软件的功能，将现实设备中的控制信号，传感器信号，运行数据实时的传递给数字孪生体，实现同步动作，同步显示的效果。本实施例根据不同PLC品牌进行通讯接口配置，使PLC控制平台的程序信号与虚拟I/O信号互联互通，建立起连接虚拟空间与现实世界的桥梁。
数字孪生体与PLC控制平台连接后，实现虚拟模型与实际设备工艺动作同步，此时数字孪生体与现场设备模式状态保持一致，当设备启动时，数字孪生体的动作实时反映现场设备动作，实现该设备的数字孪生动作同步。
在对工厂管理系统完成创建后，工作人员可通过管理步骤实现工厂管理。
请参见图3，上述管理步骤包括：
S500、通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置，并以第一人称视角漫游展示移动位置的模拟景象和参数信息。
其中手动切换通过鼠标或键盘控制移动；自动切换通过绕固定移动轨迹循环展示工厂场景。
S600、手动选择查看工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。
采用上述工厂管理系统及其方法，通过数字孪生体的建立以及数字孪生体与实际车间内的同步通讯连接，不仅能够实现实时显示车间内设备的基本信息和运行状态，还能够根据需求选择任一设备进行监控，使得工厂管理更为直观和简便化。当客户来访时，生成新的客户订单，设备初始化，进行订单生产，界面会实时刷新设备生产订单过程，可以查看订单的生产情况。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的，本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的不部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RSM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于数字孪生平台的工厂管理系统，其特征在于：用于对工厂等比例3D模型的管理；包括
工厂层，包括所述3D模型中的工厂建筑数字孪生体以及所述工厂建筑数字孪生体的参数信息；
车间层，包括车间内的车间设备数字孪生体以及所述车间设备数字孪生体的参数信息；
设备层，包括生产设备数字孪生体以及所述生产设备数字孪生体的参数信息；以及
控制层，用于根据实际车间内传输的信号控制所述工厂层、车间层和设备层中的数字孪生体产生相应动作，并选择查看所述工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。
2.根据权利要求1所述的工厂管理系统，其特征在于：
所述工厂层的工厂建筑数字孪生体包括：建筑数字孪生体、通道数字孪生体和车间数字孪生体；
所述车间层的车间设备数字孪生体包括：AGV数字孪生体和物流滚筒线数字孪生体；
所述设备层的生产设备数字孪生体包括：仓储数字孪生体和自动化设备数字孪生体。
3.根据权利要求2所述的工厂管理系统，其特征在于：所述控制层在所述工厂层的控制，包括通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置，并以第一人称视角漫游展示移动位置的模拟景象和参数信息。
4.根据权利要求3所述的工厂管理系统，其特征在于：所述控制层在所述车间层的控制，包括通过MES信号获取实际车间内的车间设备的参数信息，同步发送至所述车间设备数字孪生体中的映射模型。
5.根据权利要求4所述的工厂管理系统，其特征在于：还包括PLC控制平台；所述控制层在所述设备层的控制，包括通过PLC控制平台的PLC/WCS信号获取实际车间内的生产设备的参数信息，同步发送至所述生产设备数字孪生体中的映射模型。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的工厂管理系统的管理方法，其特征在于：包括创建步骤和管理步骤：
所述创建步骤包括：
S100、按照实际工厂布局创建对等比例3D模型；
S200、对3D模型中的工厂建筑数字孪生体、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体赋予模型物理属性；
S300、获取实际车间内的车间设备和生产设备的参数信息，分别同步发送至车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体中的映射模型；
S400、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体根据实际车间内传输的参数信息产生相应动作；
所述管理步骤包括：
S500、通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置，并以第一人称视角漫游展示移动位置的模拟景象和参数信息；
S600、手动选择查看所述工厂层、车间层和设备层中任意数字孪生体及其参数信息。
7.根据权利要求6所述的工厂管理方法，在步骤S200中，对3D模型中的工厂建筑数字孪生体、车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体赋予模型物理属性；其特征在于：对车间设备数字孪生体和生产设备数字孪生体的运动组件进行命名，通过代码定义各个运动组件的物理属性，限制模型的相对位移，仿真实际设备运动属性，约束运动轨迹，定义虚拟控制信号。
8.根据权利要求7所述的工厂管理方法，其特征在于：在步骤S300中，通过PLC控制平台的通讯接口，对实际车间内的生产设备与3D模型中的生产设备数字孪生体进行信号配置，将生产设备的参数信息通过上位机数据库产生驱动生产设备数字孪生体产生动作和显示的虚拟I/O信号。
9.根据权利要求8所述的工厂管理方法，其特征在于：在对实际车间内的生产设备与3D模型中的生产设备数字孪生体进行信号配置中，对数字孪生体的模型物理属性与虚拟I/O信号进行配置，将已经定义好的模型物理属性中的组件物理及运动属性通过代码定义虚拟I/O信号的变量名，令每个数字孪生体的控制与PLC控制平台的虚拟I/O信号对应。
10.根据权利要求7所述的工厂管理方法，在步骤S500中，通过手动或自动切换控制移动到工厂建筑数字孪生体上的不同位置；其特征在于：手动切换通过鼠标或键盘控制移动；所述自动切换通过绕固定移动轨迹循环展示工厂场景。
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