CN112487668B - 一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，包括以下步骤：生产线仿真模型搭建步骤、孪生化步骤、系统调试步骤、硬件在环调试步骤和设备在环调试步骤。还公开了一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，包括生产线仿真模型搭建模块、孪生化模块、系统调试模块、硬件在环调试模块和设备在环调试模块。所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法及其系统，由于实行一个本地部件孪生体调试成功后就替换该本地部件孪生体为实体部件，当替换后出现问题，只需重新对该本地部件孪生体进行调试和优化即可，节约了时间和降低了成本。

Description

一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法及其系统

技术领域

本发明涉及自动化生产线技术领域，特别是一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法及其系统。

背景技术

现有自动化生产线及设备开发模式是从机械设计、电控设计最后到软件验证的串行模式。在串行开发模式下，各级设计问题只有到了集成调试阶段才会逐渐暴露出来，甚至会引发一些系统级问题，导致自动化设备的功能完整性、控制逻辑准确性、性能可靠性不能满足生产需求，使得生产线系统性能降低。目前生产线调试的方法，是在系统仿真调试完全成功后再将整个系统投入实体设备的生产，但这种方法的弊端是，要在调试完毕后才开始生产实体设备，然后实现整个虚拟跟实体的替换，如果替换后出现问题，又要重新对虚拟部分进行调试，然后再重新改进实体设备，从而延长了开发周期和增加了成本。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法及其系统，由于实行一个本地部件孪生体调试成功后就替换该本地部件孪生体为实体部件，当替换后出现问题，只需重新对该本地部件孪生体进行调试和优化即可，节约了时间和降低了成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，包括以下步骤：

生产线仿真模型搭建步骤：依据生产线中异地设备的选型建立本地部件仿真模型，然后将所有所述本地部件仿真模型组成本地设备仿真模型，最后将所有所述本地设备仿真模型集成搭建成本地生产线仿真模型；

孪生化步骤：将所述本地生产线仿真模型通过动态孪生化生成本地生产线孪生体，其中，所述本地部件仿真模型生成了本地部件孪生体，本地设备仿真模型生成了本地设备孪生体；

系统调试步骤：利用本地管控系统的过程控制对所述本地生产线孪生体进行本地离线仿真调试，并标记通过本地离线仿真调试的所述本地部件孪生体，然后将标记的所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

硬件在环调试步骤：建立所述本地设备孪生体与本地总控服务器的本地通讯，通过仿真调试得到最终优化的控制程序；

设备在环调试步骤：当所述本地部件孪生体全部通过离线仿真调试并全部替换为对应的实体部件后，该实体部件组成的实体设备对应的异地设备通过异地控制器与本地总控服务器建立通讯，并由本地设备孪生体向异地设备下发相应的传感触发信号执行动作，其中，所述本地设备孪生体延迟下发所述传感触发信号，从而使所述本地设备孪生体超前所述异地设备动作。

例如，所述生产线仿真模型搭建步骤具体为：

首先,依据生产线中异地设备的选型建立自动化生产线关键要素的通用三维CAD模型；

然后,采取简化、替换或删除的方式处理顶点数和面片数较大的通用三维CAD模型，得到轻量化的本地部件仿真模型；

然后,构建所述本地部件仿真模型之间清晰的模型层级结构；

最后,根据设备资源配置、车间布局规划和工艺路径规划，集成所有本地部件仿真模型和模型层级结构，构成本地设备仿真模型；

所述孪生化步骤具体为：

首先,基于虚拟控制器的输入输出控制对所述本地设备仿真模型进行泛化封装；

其中，对所述本地设备仿真模型进行的泛化封装包括：封装驱动设备所用到的仿真马达组件、布置匹配实际的设备传感仿真模型和创建输入输出触发函数；

然后,建立本地设备仿真模型与本地总控服务器和本地管控系统的通讯接口；

然后,通过与虚拟控制器建立通讯，校准所述本地设备仿真模型的输入输出端口；

最后,初步调试本地管控系统的过程控制的逻辑，最后形成本地生产线孪生体。

值得说明的是，所述系统调试步骤具体为：

首先,在本地管控系统的过程控制下对所述本地生产线孪生体开展订单的模拟投放和执行，从而实现调试订单投放和生产过程监控功能；

然后,通过在所述本地生产线孪生体中随机产生设备故障，模拟设备远程故障诊断与维护功能的执行来实现调试故障检测与处理功能；

最后,当对应的所述本地部件孪生体通过了所述本地离线仿真调试时，则将所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；当所述本地部件孪生体不通过所述本地离线仿真调试时，则重新调节所述本地部件孪生体的参数。

可选地，所述硬件在环调试步骤具体为：

首先，选定本地总控服务器的型号和相对应的通讯协议，确定输入输出设备及点位地址并设计控制程序；

然后，烧录控制程序，建立本地设备孪生体与本地总控服务器的通讯并绑定点位；

然后，通过异地设备的执行部件和工艺参数，确定控制需求，配置控制程序；

然后，制定并运行仿真实验，通过本地总控服务器下发指令驱动所述本地生产线孪生体，模拟订单投放的过程控制；本地总控服务器接收各个本地部件孪生体的传感信号，并通过工业以太网分发传输到各个异地控制器中；所述异地控制器接收到传感信号后根据控制程序逻辑输出执行信号并上传到本地总控服务器，然后所述本地总控服务器转发执行信号到所述本地部件孪生体中执行模型动作控制；

最后，调试验证无误后，得到最终优化的控制程序。

具体地，所述设备在环调试步骤具体为：

首先,所述本地设备孪生体向所述本地总控服务器发送传感触发信号，所述本地总控服务器利用虚实同步技术和工业以太网通讯技术向所述异地控制器转发所述传感触发信号；

然后,所述异地控制器接收所述传感触发信号后执行控制程序逻辑，并向所述异地设备下发执行器控制信号，所述异地设备接收到执行器控制信号后执行动作；

其中，异地控制器延迟向所述异地设备下发执行器控制信号，并利用5G技术消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯的延迟。

例如，一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，包括生产线仿真模型搭建模块、孪生化模块、系统调试模块、硬件在环调试模块和设备在环调试模块；

所述生产线仿真模型搭建模块用于依据生产线中异地设备的选型建立本地部件仿真模型；还用于将所有所述本地部件仿真模型组成本地设备仿真模型，还用于将所有所述本地设备仿真模型集成搭建成本地生产线仿真模型；

所述孪生化模块用于将所述本地生产线仿真模型通过动态孪生化生成本地生产线孪生体；还用于将所述本地部件仿真模型生成了本地部件孪生体，还用于将本地设备仿真模型生成了本地设备孪生体；

所述系统调试模块用于利用本地管控系统的过程控制对所述本地生产线孪生体进行本地离线仿真调试；还用于标记通过本地离线仿真调试的所述本地部件孪生体；还用于将标记的所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

所述硬件在环调试模块用于建立所述本地设备孪生体与本地总控服务器的本地通讯；还用于通过仿真调试得到最终优化的控制程序；

所述设备在环调试模块用于当所述本地部件孪生体全部通过离线仿真调试并全部替换为对应的实体部件后，将该实体部件组成的实体设备对应的异地设备通过异地控制器与本地总控服务器建立通讯；还用于通过本地设备孪生体向异地设备下发相应的传感触发信号执行动作，其中，所述本地设备孪生体延迟下发所述传感触发信号，从而使所述本地设备孪生体超前所述异地设备动作。

值得说明的是，所述生产线仿真模型搭建模块具体用于依据生产线中异地设备的选型建立自动化生产线关键要素的通用三维CAD模型；

用于采取简化、替换或删除的方式处理顶点数和面片数较大的通用三维CAD模型，得到轻量化的本地部件仿真模型；

用于构建所述本地部件仿真模型之间清晰的模型层级结构；

和用于根据设备资源配置、车间布局规划和工艺路径规划集成所有本地部件仿真模型和模型层级结构，构成本地设备仿真模型；

所述孪生化模块具体用于基于虚拟控制器的输入输出控制对所述本地设备仿真模型进行泛化封装，用于对所述本地设备仿真模型进行的泛化封装包括：封装驱动设备所用到的仿真马达组件、布置匹配实际的设备传感仿真模型和创建输入输出触发函数；

用于建立本地设备仿真模型与本地总控服务器和本地管控系统的通讯接口；

用于通过与虚拟控制器建立通讯，校准所述本地设备仿真模型的输入输出端口；

和用于初步调试本地管控系统的过程控制的逻辑，最后形成本地生产线孪生体。

可选地，所述系统调试模块具体用于在本地管控系统的过程控制下对所述本地生产线孪生体开展订单的模拟投放和执行从而实现调试订单投放和生产过程监控功能；

用于通过在所述本地生产线孪生体中随机产生设备故障，模拟设备远程故障诊断与维护功能的执行来实现调试故障检测与处理功能；

用于当对应的所述本地部件孪生体通过了所述本地离线仿真调试时，将所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

和用于当所述本地部件孪生体不通过所述本地离线仿真调试时，重新调节所述本地部件孪生体的参数。

具体地，所述硬件在环调试模块具体用于选定本地总控服务器的型号和相对应的通讯协议，确定输入输出设备及点位地址并设计控制程序；

用于烧录控制程序，建立本地设备孪生体与本地总控服务器的通讯并绑定点位；

用于通过异地设备的执行部件和工艺参数，确定控制需求，配置控制程序；

用于指定并运行仿真实验，通过本地总控服务器下发指令驱动所述本地生产线孪生体，模拟订单投放的过程控制；

用于通过本地总控服务器接收各个本地部件孪生体的传感信号，并通过工业以太网分发传输到各个异地控制器中；

用于通过所述异地控制器接收到传感信号后根据控制程序逻辑输出执行信号并上传到本地总控服务器；

用于通过所述本地总控服务器转发执行信号到所述本地部件孪生体中执行模型动作控制；

和用于在调试验证无误后，得到最终优化的控制程序。

可选地，所述设备在环调试模块具体用于通过所述本地设备孪生体向所述本地总控服务器发送传感触发信号；

用于通过所述本地总控服务器利用虚实同步技术和工业以太网通讯技术向所述异地控制器转发所述传感触发信号；

用于通过所述异地控制器接收所述传感触发信号后执行控制程序逻辑，并向所述异地设备下发执行器控制信号；

和用于通过异地控制器延迟向所述异地设备下发执行器控制信号，并利用5G技术消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯延迟。

本发明的有益效果：所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法利用分布式硬件在环(Hardware-in-the-loop，物理控制器在环)的近物理仿真方法，对生产线进行分布式并行的调试验证，先利用本地设备孪生体进行调试，将调试成功本地设备孪生体对应的本地部件孪生体替换成实体部件，再逐渐将整个本地设备孪生体替换成实体设备，最后实现整个生产线的替换，避免调试时直接操作实物出错所造成的损失。由于实行一个本地部件孪生体调试成功后就替换该本地部件孪生体为实体部件，当替换后出现问题，只需重新对该本地部件孪生体进行调试和优化即可，节约了时间和降低了成本。通过工业网络的通讯，将多台异地设备远程连接在一起，实现分布式并行调试，做到问题早发现、早解决，以解决当前生产线串行开发的不足，缩短系统集成调试和验证的周期，降低开发成本。所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法借助工业网络和虚拟对象实现生产线集成调试过程的分布式并行化，提高迭代优化的质量，缩短调试验证的周期并降低成本，减少或避免不必要的损失，降低了串行设计的开发周期和成本，还能提高仿真调试的置信度。

所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法的设备在环调试步骤并不要求同步调试，而是使本地设备孪生体延迟下发传感触发信号给异地设备，使本地设备孪生体超前于异地设备运行，目的是保证本地监控人员能比异地现场人员更早的发现控制逻辑错误并及时采取规避措施。

纯实物调试存在以下缺点：需要等待实体对象设计完成和控制系统逻辑编写完成才能进行实物调试工作，造成等待浪费；生产线的自动化设备通常来自各地制造商，需等待整线集成才能进行整线的集成调试，无法远程集成进行调试工作；生产线的机械设计制造、控制系统搭建、本地管控系统实施，是个串行过程，且互相牵制。各阶段的纯实物调试都会导致后续工作停滞，延长开发周期；车间现场直接进行纯实物调试，难免会出现设计错误、逻辑错误、调试失误等问题，导致机械设备误动作而产生损失，更严重地失误甚至造成不可逆的后果；多次调试迭代耗费时间精力大，不利于控制系统的迭代优化。与纯实物调试相比，所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法能避免上述缺点。

纯虚拟仿真调试存在以下缺点：纯虚拟调试得出的结果置信度低；纯虚拟仿真调试是通过仿真平台编写模型行为逻辑来实现对虚拟生产线的控制，能多次调试迭代优化本地管控系统的过程逻辑、生产线性能，但无法调试验证真实的控制系统是否能正确合理地驱动物理生产线；生产线过程逻辑复杂、自动化程度高时，通过仿真平台实现模型行为逻辑实现起来比较困难；实际生产线的设计做出调整后，仿真模型编写好的行为逻辑也需要随之更改，不能满足实体设备迭代优化的设计过程。与纯虚拟仿真调试相比，所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法能避免上述缺点。

与纯实物调试和纯虚拟调试不同，所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法利用硬件在环仿真，通过工业以太网Ethernet+TCP/IP技术，在生产线现场部署前实现虚拟对象和实体对象的分布式集成调试。如果实体设备仍在制造阶段，可以用本地设备孪生体取代实体设备和用实际的控制程序取代本地设备孪生体动作脚本来调试验证系统逻辑(硬件在环)；如果部分实体设备装配完成，且控制程序经过多次虚拟调试已规避错误，可以将这些实体设备同步并入仿真模拟调试中(分布式设备在环)，这样便可将原本串行的设计方式优化为并行处理，随着开发进度的推进，反复调试迭代的置信度也将逐渐提高，同时避免一些损失并降低开发周期和成本。所述调试方法支持多次调试迭代优化控制系统和本地管控系统的逻辑，可利用迭代后的控制程序来控制本地设备孪生体的执行，也可利用设备迭代设计后的三维模型来快速重构本地设备孪生体。设计阶段调试完成的本地设备孪生体还能用于生产线后续维护阶段的调试，充分利用资源，减少冗余浪费。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的流程图；

图2是本发明的一个实施例中设备的配置图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

下面结合图1和图2，描述本发明实施例的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，包括以下步骤：

生产线仿真模型搭建步骤：依据生产线中异地设备的选型建立本地部件仿真模型，然后将所有所述本地部件仿真模型组成本地设备仿真模型，最后将所有所述本地设备仿真模型集成搭建成本地生产线仿真模型；

孪生化步骤：将所述本地生产线仿真模型通过动态孪生化生成本地生产线孪生体，其中，所述本地部件仿真模型生成了本地部件孪生体，本地设备仿真模型生成了本地设备孪生体；

系统调试步骤：利用本地管控系统的过程控制对所述本地生产线孪生体进行本地离线仿真调试，并标记通过本地离线仿真调试的所述本地部件孪生体，然后将标记的所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

硬件在环调试步骤：建立所述本地设备孪生体与本地总控服务器的本地通讯，通过仿真调试得到最终优化的控制程序；

设备在环调试步骤：当所述本地部件孪生体全部通过离线仿真调试并全部替换为对应的实体部件后，该实体部件组成的实体设备对应的异地设备通过异地控制器与本地总控服务器建立通讯，并由本地设备孪生体向异地设备下发相应的传感触发信号执行动作，其中，所述本地设备孪生体延迟下发所述传感触发信号，从而使所述本地设备孪生体超前所述异地设备动作。

所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法利用分布式硬件在环(Hardware-in-the-loop，物理控制器在环)的近物理仿真方法，对生产线进行分布式并行的调试验证，先利用本地设备孪生体进行调试，将调试成功本地设备孪生体对应的本地部件孪生体替换成实体部件，再逐渐将整个本地设备孪生体替换成实体设备，最后实现整个生产线的替换，避免调试时直接操作实物出错所造成的损失。由于实行一个本地部件孪生体调试成功后就替换该本地部件孪生体为实体部件，当替换后出现问题，只需重新对该本地部件孪生体进行调试和优化即可，节约了时间和降低了成本。通过工业网络的通讯，将多台异地设备远程连接在一起，实现分布式并行调试，做到问题早发现、早解决，以解决当前生产线串行开发的不足，缩短系统集成调试和验证的周期，降低开发成本。所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法借助工业网络和虚拟对象实现生产线集成调试过程的分布式并行化，提高迭代优化的质量，缩短调试验证的周期并降低成本，减少或避免不必要的损失，降低了串行设计的开发周期和成本，还能提高仿真调试的置信度。

所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法的设备在环调试步骤并不要求同步调试，而是使本地设备孪生体延迟下发传感触发信号给异地设备，使本地设备孪生体超前于异地设备运行，目的是保证本地监控人员能比异地现场人员更早的发现控制逻辑错误并及时采取规避措施。

纯实物调试存在以下缺点：需要等待实体对象设计完成和控制系统逻辑编写完成才能进行实物调试工作，造成等待浪费；生产线的自动化设备通常来自各地制造商，需等待整线集成才能进行整线的集成调试，无法远程集成进行调试工作；生产线的机械设计制造、控制系统搭建、本地管控系统实施，是个串行过程，且互相牵制。各阶段的纯实物调试都会导致后续工作停滞，延长开发周期；车间现场直接进行纯实物调试，难免会出现设计错误、逻辑错误、调试失误等问题，导致机械设备误动作而产生损失，更严重地失误甚至造成不可逆的后果；多次调试迭代耗费时间精力大，不利于控制系统的迭代优化。与纯实物调试相比，所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法能避免上述缺点。

纯虚拟仿真调试存在以下缺点：纯虚拟调试得出的结果置信度低；纯虚拟仿真调试是通过仿真平台编写模型行为逻辑来实现对虚拟生产线的控制，能多次调试迭代优化本地管控系统的过程逻辑、生产线性能，但无法调试验证真实的控制系统是否能正确合理地驱动物理生产线；生产线过程逻辑复杂、自动化程度高时，通过仿真平台实现模型行为逻辑实现起来比较困难；实际生产线的设计做出调整后，仿真模型编写好的行为逻辑也需要随之更改，不能满足实体设备迭代优化的设计过程。与纯虚拟仿真调试相比，所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法能避免上述缺点。

与纯实物调试和纯虚拟调试不同，所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法利用硬件在环仿真，通过工业以太网Ethernet+TCP/IP技术，在生产线现场部署前实现虚拟对象和实体对象的分布式集成调试。如果实体设备仍在制造阶段，可以用本地设备孪生体取代实体设备和用实际的控制程序取代本地设备孪生体动作脚本来调试验证系统逻辑(硬件在环)；如果部分实体设备装配完成，且控制程序经过多次虚拟调试已规避错误，可以将这些实体设备同步并入仿真模拟调试中(分布式设备在环)，这样便可将原本串行的设计方式优化为并行处理，随着开发进度的推进，反复调试迭代的置信度也将逐渐提高，同时避免一些损失并降低开发周期和成本。所述调试方法支持多次调试迭代优化控制系统和本地管控系统的逻辑，可利用迭代后的控制程序来控制本地设备孪生体的执行，也可利用设备迭代设计后的三维模型来快速重构本地设备孪生体。设计阶段调试完成的本地设备孪生体还能用于生产线后续维护阶段的调试，充分利用资源，减少冗余浪费。

例如，所述生产线仿真模型搭建步骤具体为：

首先,依据生产线中异地设备的选型建立自动化生产线关键要素的通用三维CAD模型；

然后,采取简化、替换或删除的方式处理顶点数和面片数较大的通用三维CAD模型，得到轻量化的本地部件仿真模型；

然后,构建所述本地部件仿真模型之间清晰的模型层级结构；

最后,根据设备资源配置、车间布局规划和工艺路径规划，集成所有本地部件仿真模型和模型层级结构，构成本地设备仿真模型；

所述孪生化步骤具体为：

首先,基于虚拟控制器的输入输出控制对所述本地设备仿真模型进行泛化封装；

其中，对所述本地设备仿真模型进行的泛化封装包括：封装驱动设备所用到的仿真马达组件、布置匹配实际的设备传感仿真模型和创建输入输出触发函数；

然后,建立本地设备仿真模型与本地总控服务器和本地管控系统的通讯接口；

然后,通过与虚拟控制器建立通讯，校准所述本地设备仿真模型的输入输出端口；

最后,初步调试本地管控系统的过程控制的逻辑，最后形成本地生产线孪生体。

所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，首先采用数字孪生技术，将多台分布在不同地区的异地设备数字化建模，实现异地设备的数字化集成，再进行整线规划得到本地生产线仿真模型。然后根据实体设备的工艺需求、运动参数、运动逻辑等关键信息，在数字孪生平台中利用虚拟控制器的梯形图或图形化编程快速实现控制逻辑，实现整线的动态孪生化。

所述虚拟控制器优选为软PLC，本地设备孪生体的输入/输出信号，从虚拟控制器控制的角度来说是输出/输入信号，信号主要用于控制驱动器根据特定参数实现相应动作。根据不同类型的输入输出值来驱动数字化模型的动作，这就要求预先封装相应的功能函数，赋予仿真模型内置的动作逻辑，以满足虚拟控制器控制本地设备孪生体的需要。所述设备传感仿真模型用于模拟实际设备的传感触发效果，匹配虚拟控制器梯形图编程的传感输入信号控制。所述输入输出触发函数能实现实物控制的相关输入输出设备的数字化封装，如转换开关、点动开关、信号指示灯、执行器等。

通过虚拟控制器建立通讯，简单实现数字化设备的控制逻辑，用于离线仿真验证生产线孪生体的准确性，确保每个数字化设备的输入输出组件能正确工作。

值得说明的是，所述系统调试步骤具体为：

首先,在本地管控系统的过程控制下对所述本地生产线孪生体开展订单的模拟投放和执行，从而实现调试订单投放和生产过程监控功能；

然后,通过在所述本地生产线孪生体中随机产生设备故障，模拟设备远程故障诊断与维护功能的执行来实现调试故障检测与处理功能；

最后,当对应的所述本地部件孪生体通过了所述本地离线仿真调试时，则将所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；当所述本地部件孪生体不通过所述本地离线仿真调试时，则重新调节所述本地部件孪生体的参数。

部分本地部件孪生体通过了各项调试，可以将这些本地部件孪生体替换为实体部件，通过虚实交叉的半实物仿真方式，更逼真地进行整线系统调试，提高调试结果的置信度。

可选地，所述硬件在环调试步骤具体为：

首先，选定本地总控服务器的型号和相对应的通讯协议，确定输入输出设备及点位地址并设计控制程序；

然后，烧录控制程序，建立本地设备孪生体与本地总控服务器的通讯并绑定点位；

然后，通过异地设备的执行部件和工艺参数，确定控制需求，配置控制程序；

然后，制定并运行仿真实验，通过本地总控服务器下发指令驱动所述本地生产线孪生体，模拟订单投放的过程控制；本地总控服务器接收各个本地部件孪生体的传感信号，并通过工业以太网分发传输到各个异地控制器中；所述异地控制器接收到传感信号后根据控制程序逻辑输出执行信号并上传到本地总控服务器，然后所述本地总控服务器转发执行信号到所述本地部件孪生体中执行模型动作控制；

最后，调试验证无误后，得到最终优化的控制程序。

制定仿真实验时，为控制程序运行创造必要的环境条件，在数字孪生平台中的本地生产线孪生体中模拟控制器的输入信号仿真输出信号，并通过网口接线的方式将信号传输到硬件控制器中，控制程序再反馈输出信号到数字孪生平台中，实现闭环的控制调试。运行仿真实验时，验证控制逻辑是否正确，输出结果，并分析是否满足需求。否则，反复执行PDCA(计划Plan、执行Do、检查Check、处理Act)循环，迭代优化控制程序。调试验证无误后，还会归档控制程序，用于现场整线集成调试时作参考。各个设备控制逻辑经过PDCA循环迭代后，将最终优化的程序归档并烧录到异地设备控制器中，最终完成整线全部设备的控制逻辑调试、迭代、优化与验证。

具体地，所述设备在环调试步骤具体为：

首先,所述本地设备孪生体向所述本地总控服务器发送传感触发信号，所述本地总控服务器利用虚实同步技术和工业以太网通讯技术向所述异地控制器转发所述传感触发信号；

然后,所述异地控制器接收所述传感触发信号后执行控制程序逻辑，并向所述异地设备下发执行器控制信号，所述异地设备接收到执行器控制信号后执行动作；

其中，异地控制器延迟向所述异地设备下发执行器控制信号，并利用5G技术消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯的延迟。

所述执行器控制信号包括电机启停信号、伺服电机脉冲和气缸使能信号，上述步骤能同时驱动本地设备孪生体和异地设备，达到虚实同步效果；还能够在三维场景中查看分布式设备的作业情况，从而实现异地设备的三维可视化监控；还能经过系统调试步骤和硬件在环调试步骤的调试，有效规避绝大部分的逻辑错误，然后将异地设备逐个分布式连接在环，或者生产线全部设备都连接上环，更进一步调试验证控制系统的运动逻辑和本地管控系统的过程逻辑，提高分布式仿真集成调试的置信度，为后续提供有效参考。

利用5G技术尽量消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯延迟，能保证所述本地设备孪生体超前运动，在本地监控发现问题时能及时中断异地设备的动作，避免实体设备误动作产生损失。

如图2所示，一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，包括生产线仿真模型搭建模块、孪生化模块、系统调试模块、硬件在环调试模块和设备在环调试模块；

所述生产线仿真模型搭建模块用于依据生产线中异地设备的选型建立本地部件仿真模型；还用于将所有所述本地部件仿真模型组成本地设备仿真模型，还用于将所有所述本地设备仿真模型集成搭建成本地生产线仿真模型；

所述孪生化模块用于将所述本地生产线仿真模型通过动态孪生化生成本地生产线孪生体；还用于将所述本地部件仿真模型生成了本地部件孪生体；还用于将本地设备仿真模型生成了本地设备孪生体；

所述系统调试模块用于利用本地管控系统的过程控制对所述本地生产线孪生体进行本地离线仿真调试；还用于标记通过本地离线仿真调试的所述本地部件孪生体；还用于将标记的所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

所述硬件在环调试模块用于建立所述本地设备孪生体与本地总控服务器的本地通讯；还用于通过仿真调试得到最终优化的控制程序；

所述设备在环调试模块用于当所述本地部件孪生体全部通过离线仿真调试并全部替换为对应的实体部件后，将该实体部件组成的实体设备对应的异地设备通过异地控制器与本地总控服务器建立通讯；还用于通过本地设备孪生体向异地设备下发相应的传感触发信号执行动作，其中，所述本地设备孪生体延迟下发所述传感触发信号，从而使所述本地设备孪生体超前所述异地设备动作。

首先利用所述系统对本地设备孪生体进行快速的离线验证，保证本地设备孪生体建模的准确性，即纯虚拟离线仿真调试。接着通过工业以太网将异地控制器连接在环，转变为硬件在环仿真调试。最后，经过多次调试迭代优化，控制程序达到可用条件时，结合纯实物调试和硬件在环调试，构成虚实同步的调试方法，通过本地设备孪生体监控异地设备，及时发现并规避异地设备存在的问题。另外，全过程都对本地管控系统的过程控制进行调试迭代。

仿真集成调试可以应用于生产线规划、设计到工程实施和验收，可以提前测试生产线运行状态，减少现场调试时因设计、操作等错误导致机械设备误动作而产生的损失。利用近物理仿真技术，不仅可以使工程师获取一些必要数据来提高对系统动态性能的认识，而且还可以直观地看到系统运行情况。在开发过程中，可以直接在仿真模型中执行实体控制器的逻辑验证和控制测试，而不必等待实体设备制造完成，快速排除设计错误，提前检查系统是否满足实际需求，检验物理生产线系统执行的实用性，实现自动化生产线并行设计，缩短生产线设计、调试、验证周期和降低开发成本。

上述生产线仿真模型搭建模块和孪生化模块是针对异地分布式设备的数字化集成，硬件在环调试模块和设备在环调试模块是在数字化集成的基础上进行虚实结合的半实物仿真调试与验证，从而实现基于数字孪生的分布式近物理仿真集成调试功能。不同厂商提供的设备可以分别、分时、异地与整线进行在线集成调试，脱离地域、场地和时空的限制，在分布式设备集成整线之前并行完成设备控制逻辑、生产线管控逻辑的集成调试与验证，实现智能车间整线调试的并行化进程，减少现场调试次数，缩短项目周期，降低开发成本。

特别地，生产线的设备通常来自各地制造商，则需利用工业以太网将各个设备作为一个网络节点，连接到本地总控服务器中，并通过本地仿真平台进行虚拟调试，实现异地设备的分布式近物理仿真集成调试。

所述基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统立足于以下前提：具有三维数字化设计和三维可视化虚拟调试功能的数字孪生平台，并集成物理引擎以提高虚实映射的真实性；系统可以进行单机设备的虚拟装备，并具备传感触发机制和软控制器功能，可以通过梯形图或脚本控制仿真模型的动作，可以进行单机设备调试以及整线系统调试。系统和自动化设备支持多种主流通讯协议(OPC、Modbus、Profinet、TCP/IP、EtherNet/IP等)，用于实现分时、异地互联的分布式调试。

例如，所述生产线仿真模型搭建模块具体用于依据生产线中异地设备的选型建立自动化生产线关键要素的通用三维CAD模型；

用于采取简化、替换或删除的方式处理顶点数和面片数较大的通用三维CAD模型，得到轻量化的本地部件仿真模型；

用于构建所述本地部件仿真模型之间清晰的模型层级结构；

和用于根据设备资源配置、车间布局规划和工艺路径规划集成所有本地部件仿真模型和模型层级结构，构成本地设备仿真模型；

所述孪生化模块具体用于基于虚拟控制器的输入输出控制对所述本地设备仿真模型进行泛化封装，用于对所述本地设备仿真模型进行的泛化封装包括：封装驱动设备所用到的仿真马达组件、布置匹配实际的设备传感仿真模型和创建输入输出触发函数；

用于建立本地设备仿真模型与本地总控服务器和本地管控系统的通讯接口；

用于通过与虚拟控制器建立通讯，校准所述本地设备仿真模型的输入输出端口；

和用于初步调试本地管控系统的过程控制的逻辑，最后形成本地生产线孪生体。

生产线的异地设备选型有单机设备、物流设备、输送线和机器人。在不影响数字化设备保真度及其外观的前提下实现了数字化设备模型轻量化处理。通过构建清晰的模型层级结构，能清楚地识别出各部件之间的相对运动关系。

值得说明的是，所述系统调试模块具体用于在本地管控系统的过程控制下对所述本地生产线孪生体开展订单的模拟投放和执行从而实现调试订单投放和生产过程监控功能；

用于通过在所述本地生产线孪生体中随机产生设备故障，模拟设备远程故障诊断与维护功能的执行来实现调试故障检测与处理功能；

用于当对应的所述本地部件孪生体通过了所述本地离线仿真调试时，将所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

和用于当所述本地部件孪生体不通过所述本地离线仿真调试时，重新调节所述本地部件孪生体的参数。

基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统的各项功能，均都可依托所述本地生产线孪生体进行模拟调试，具体做法是在对应的本地部件孪生体中通过手动输入或系统下发指令来模拟相应情况，进而调试验证本地管控系统中相应功能模块的执行效果是否能满足需求。

可选地，所述硬件在环调试模块具体用于选定本地总控服务器的型号和相对应的通讯协议，确定输入输出设备及点位地址并设计控制程序；

用于烧录控制程序，建立本地设备孪生体与本地总控服务器的通讯并绑定点位；

用于通过异地设备的执行部件和工艺参数，确定控制需求，配置控制程序；

用于指定并运行仿真实验，通过本地总控服务器下发指令驱动所述本地生产线孪生体，模拟订单投放的过程控制；

用于通过本地总控服务器接收各个本地部件孪生体的传感信号，并通过工业以太网分发传输到各个异地控制器中；

用于通过所述异地控制器接收到传感信号后根据控制程序逻辑输出执行信号并上传到本地总控服务器；

用于通过所述本地总控服务器转发执行信号到所述本地部件孪生体中执行模型动作控制；

和用于在调试验证无误后，得到最终优化的控制程序。

上述模块实现了分布式硬件在环调试，再次调试验证本地管控系统的过程控制逻辑。

具体地，所述设备在环调试模块具体用于通过所述本地设备孪生体向所述本地总控服务器发送传感触发信号；

用于通过所述本地总控服务器利用虚实同步技术和工业以太网通讯技术向所述异地控制器转发所述传感触发信号；

用于通过所述异地控制器接收所述传感触发信号后执行控制程序逻辑，并向所述异地设备下发执行器控制信号；

和用于通过异地控制器延迟向所述异地设备下发执行器控制信号，并利用5G技术消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯延迟。

当一台异地设备装配完成，且它的控制程序经过多次调试验证无误后，即可将所述异地设备连接在环，接受异地控制器的控制，并由本地设备孪生体下发传感触发信号执行动作，实现可视化的虚实同步调试。

采用分布式硬件在环调试技术，在本地备孪生体中执行异地控制器的逻辑验证和控制测试。另外，全过程集成所述本地管控系统，调试验证所述本地管控系统的过程逻辑设计是否满足工艺和客户需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，其特征在于：包括以下步骤：

生产线仿真模型搭建步骤：依据生产线中异地设备的选型建立本地部件仿真模型，然后将所有所述本地部件仿真模型组成本地设备仿真模型，最后将所有所述本地设备仿真模型集成搭建成本地生产线仿真模型；

孪生化步骤：将所述本地生产线仿真模型通过动态孪生化生成本地生产线孪生体，其中，所述本地部件仿真模型生成了本地部件孪生体，本地设备仿真模型生成了本地设备孪生体；

所述孪生化步骤具体为：首先,基于虚拟控制器的输入输出控制对所述本地设备仿真模型进行泛化封装；

其中，对所述本地设备仿真模型进行的泛化封装包括：封装驱动设备所用到的仿真马达组件、布置匹配实际的设备传感仿真模型和创建输入输出触发函数；

然后，建立本地设备仿真模型与本地总控服务器和本地管控系统的通讯接口；

然后，通过与虚拟控制器建立通讯，校准所述本地设备仿真模型的输入输出端口；

最后，初步调试本地管控系统的过程控制的逻辑，最后形成本地生产线孪生体；

系统调试步骤：利用本地管控系统的过程控制对所述本地生产线孪生体进行本地离线仿真调试，并标记通过本地离线仿真调试的所述本地部件孪生体，然后将标记的所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

硬件在环调试步骤：建立所述本地设备孪生体与本地总控服务器的本地通讯，通过仿真调试得到最终优化的控制程序；

设备在环调试步骤：当所述本地部件孪生体全部通过离线仿真调试并全部替换为对应的实体部件后，该实体部件组成的实体设备对应的异地设备通过异地控制器与本地总控服务器建立通讯，并由本地设备孪生体向异地设备下发相应的传感触发信号执行动作，其中，所述本地设备孪生体延迟下发所述传感触发信号，从而使所述本地设备孪生体超前所述异地设备动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，其特征在于，所述生产线仿真模型搭建步骤为：

首先,依据生产线中异地设备的选型建立自动化生产线关键要素的通用三维CAD模型；

然后,采取简化、替换或删除的方式处理顶点数和面片数较大的通用三维CAD模型，得到轻量化的本地部件仿真模型；

然后,构建所述本地部件仿真模型之间清晰的模型层级结构；

最后,根据设备资源配置、车间布局规划和工艺路径规划，集成所有本地部件仿真模型和模型层级结构，构成本地设备仿真模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，其特征在于,所述系统调试步骤具体为：

首先,在本地管控系统的过程控制下对所述本地生产线孪生体开展订单的模拟投放和执行，从而实现调试订单投放和生产过程监控功能；

然后,通过在所述本地生产线孪生体中随机产生设备故障，模拟设备远程故障诊断与维护功能的执行来实现调试故障检测与处理功能；

最后,当对应的所述本地部件孪生体通过了所述本地离线仿真调试时，则将所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；当所述本地部件孪生体不通过所述本地离线仿真调试时，则重新调节所述本地部件孪生体的参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，其特征在于，所述硬件在环调试步骤具体为：

首先，选定本地总控服务器的型号和相对应的通讯协议，确定输入输出设备及点位地址并设计控制程序；

然后，烧录控制程序，建立本地设备孪生体与本地总控服务器的通讯并绑定点位；

然后，通过异地设备的执行部件和工艺参数，确定控制需求，配置控制程序；

然后，制定并运行仿真实验，通过本地总控服务器下发指令驱动所述本地生产线孪生体，模拟订单投放的过程控制；本地总控服务器接收各个本地部件孪生体的传感信号，并通过工业以太网分发传输到各个异地控制器中；所述异地控制器接收到传感信号后根据控制程序逻辑输出执行信号并上传到本地总控服务器，然后所述本地总控服务器转发执行信号到所述本地部件孪生体中执行模型动作控制；

最后，调试验证无误后，得到最终优化的控制程序。

5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试方法，其特征在于：所述设备在环调试步骤具体为：

首先,所述本地设备孪生体向所述本地总控服务器发送传感触发信号，所述本地总控服务器利用虚实同步技术和工业以太网通讯技术向所述异地控制器转发所述传感触发信号；

然后,所述异地控制器接收所述传感触发信号后执行控制程序逻辑，并向所述异地设备下发执行器控制信号，所述异地设备接收到执行器控制信号后执行动作；

其中，异地控制器延迟向所述异地设备下发执行器控制信号，并利用5G技术消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯的延迟。

6.一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，其特征在于：包括生产线仿真模型搭建模块、孪生化模块、系统调试模块、硬件在环调试模块和设备在环调试模块；

所述生产线仿真模型搭建模块用于依据生产线中异地设备的选型建立本地部件仿真模型；还用于将所有所述本地部件仿真模型组成本地设备仿真模型，还用于将所有所述本地设备仿真模型集成搭建成本地生产线仿真模型；

所述孪生化模块用于将所述本地生产线仿真模型通过动态孪生化生成本地生产线孪生体；还用于将所述本地部件仿真模型生成了本地部件孪生体；还用于将本地设备仿真模型生成了本地设备孪生体；

所述孪生化模块具体用于基于虚拟控制器的输入输出控制对所述本地设备仿真模型进行泛化封装，用于对所述本地设备仿真模型进行的泛化封装包括：封装驱动设备所用到的仿真马达组件、布置匹配实际的设备传感仿真模型和创建输入输出触发函数；

用于建立本地设备仿真模型与本地总控服务器和本地管控系统的通讯接口；

用于通过与虚拟控制器建立通讯，校准所述本地设备仿真模型的输入输出端口；

和用于初步调试本地管控系统的过程控制的逻辑，最后形成本地生产线孪生体；

所述系统调试模块用于利用本地管控系统的过程控制对所述本地生产线孪生体进行本地离线仿真调试；还用于标记通过本地离线仿真调试的所述本地部件孪生体；还用于将标记的所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

所述硬件在环调试模块用于建立所述本地设备孪生体与本地总控服务器的本地通讯；还用于通过仿真调试得到最终优化的控制程序；

所述设备在环调试模块用于当所述本地部件孪生体全部通过离线仿真调试并全部替换为对应的实体部件后，将该实体部件组成的实体设备对应的异地设备通过异地控制器与本地总控服务器建立通讯；还用于通过本地设备孪生体向异地设备下发相应的传感触发信号执行动作，其中，所述本地设备孪生体延迟下发所述传感触发信号，从而使所述本地设备孪生体超前所述异地设备动作。

7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，其特征在于：所述生产线仿真模型搭建模块具体用于依据生产线中异地设备的选型建立自动化生产线关键要素的通用三维CAD模型；

用于采取简化、替换或删除的方式处理顶点数和面片数较大的通用三维CAD模型，得到轻量化的本地部件仿真模型；

用于构建所述本地部件仿真模型之间清晰的模型层级结构；

和用于根据设备资源配置、车间布局规划和工艺路径规划集成所有本地部件仿真模型和模型层级结构，构成本地设备仿真模型。

8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，其特征在于：所述系统调试模块具体用于在本地管控系统的过程控制下对所述本地生产线孪生体开展订单的模拟投放和执行从而实现调试订单投放和生产过程监控功能；

用于通过在所述本地生产线孪生体中随机产生设备故障，模拟设备远程故障诊断与维护功能的执行来实现调试故障检测与处理功能；

用于当对应的所述本地部件孪生体通过了所述本地离线仿真调试时，将所述本地部件孪生体替换为对应的实体部件；

和用于当所述本地部件孪生体不通过所述本地离线仿真调试时，重新调节所述本地部件孪生体的参数。

9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，其特征在于：所述硬件在环调试模块具体用于选定本地总控服务器的型号和相对应的通讯协议，确定输入输出设备及点位地址并设计控制程序；

用于烧录控制程序，建立本地设备孪生体与本地总控服务器的通讯并绑定点位；

用于通过异地设备的执行部件和工艺参数，确定控制需求，配置控制程序；

用于指定并运行仿真实验，通过本地总控服务器下发指令驱动所述本地生产线孪生体，模拟订单投放的过程控制；

用于通过本地总控服务器接收各个本地部件孪生体的传感信号，并通过工业以太网分发传输到各个异地控制器中；

用于通过所述异地控制器接收到传感信号后根据控制程序逻辑输出执行信号并上传到本地总控服务器；

用于通过所述本地总控服务器转发执行信号到所述本地部件孪生体中执行模型动作控制；

和用于在调试验证无误后，得到最终优化的控制程序。

10.根据权利要求9所述的一种基于数字孪生的近物理仿真集成调试系统，其特征在于：所述设备在环调试模块具体用于通过所述本地设备孪生体向所述本地总控服务器发送传感触发信号；

用于通过所述本地总控服务器利用虚实同步技术和工业以太网通讯技术向所述异地控制器转发所述传感触发信号；

用于通过所述异地控制器接收所述传感触发信号后执行控制程序逻辑，并向所述异地设备下发执行器控制信号；

和用于通过异地控制器延迟向所述异地设备下发执行器控制信号，并利用5G技术消除异地控制器与本地总控服务器的工业以太网通讯延迟。

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