CN116882222B - 一种基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法，包括：搭建类现实生产线和虚拟生产线；基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动；对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果；根据所述仿真结果布局实际生产线。通过搭建类现实生产线和虚拟生产线能够对实际加工生产用的生产线进行高度还原，反映真实的物理生产线；通过数字孪生技术进行仿真模拟，能够提前检测出布局方案的不足之处并进行优化，加强对实际生产线布局的控制，解决了现有生产线仿真系统操作不便的问题。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别涉及一种基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法。
背景技术
工业仿真是对实体工业的一种虚拟，将实体工业中的各个模块转化成数据整合到一个虚拟的体系中去，在这个体系中模拟实现工业过程中的每一项工作和流程，并与之实现各种交互。虽然工业仿真已经被世界上很多企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。但是目前工业仿真的设计与搭建仍然存在许多问题，例如，在三维仿真中设计的智能虚拟生产线模型不能真实反映物理生产线，导致编写的控制程序和实际控制程序存在差别；智能虚拟生产线在仿真时不能实时展示智能设备的加工过程；智能虚拟生产线在进行调试时需要控制的设备多，操作繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法，以至少解决现有生产线仿真系统操作不便的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，包括：
搭建类现实生产线和虚拟生产线；
基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动；
对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果；
根据所述仿真结果布局实际生产线。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，所述搭建类现实生产线和虚拟生产线的方法包括：
获取生产线参数和工艺参数，所述生产线参数包括生产线占用面积、设备种类、设备数量和人工数量，所述工艺参数包括工艺流程、工站工时和设备参数；
根据所述生产线参数进行3D建模，形成类现实生产线；
根据所述工艺参数和所述类现实生产线进行PLC建模，形成虚拟生产线。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，对实际加工的产品进行3D建模，以获得产品模型；
根据所述生产线参数对生产线和设备进行3D建模，以获得生产线模型和设备模型；
在所述产品模型、所述生产线模型和所述设备模型之间建立运行逻辑，以形成类现实生产线。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，所述根据所述工艺参数和所述类现实生产线进行PLC建模，形成虚拟生产线的方法包括：
根据所述工艺参数构建工艺流程模型；
根据所述工艺参数和所述类现实生产线构建工站流程模型；
将所述工艺流程模型和所述工站流程模型进行融合，以形成虚拟生产线。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，所述对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果的方法包括：
编写仿真程序，所述仿真程序中包括仿真参数；
根据所述仿真程序进行至少一次仿真测试，每次仿真测试中所述仿真参数不完全相同；
仿真测试结束后得到对应的仿真结果。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，所述对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果的方法还包括：
在进行仿真测试时，获取仿真测试的监控图像；
根据所述监控图像判断所述类现实生产线和所述虚拟生产线的仿真效果，以得到优化方案；
利用所述优化方案对所述仿真参数进行调整，以进行下一次的仿真测试。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，所述根据所述仿真结果布局实际生产线的方法包括：
汇总所述仿真结果所对应的仿真测试过程中出现的所有异常；
针对每一所述异常设计改善方案；
根据所述仿真结果和所述改善方案布局实际生产线。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法中，在根据所述仿真结果布局实际生产线之后，所述基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法还包括：
将所述类现实生产线和所述虚拟生产线融合为模拟生产线；
基于数字孪生将所述实际生产线与所述模拟生产线进行通信连接，以实现所述实际生产线和所述模拟生产线的联动；
获取所述实际生产线在实际生产加工中出现的异常，并将所述异常映射于所述模拟生产线；
针对所述异常，对所述模拟生产线进行优化，以获得解决所述异常的优化方案；
根据所述优化方案调整所述实际生产线的布局。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于数字孪生的生产线仿真系统，通过如上任一项所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法搭建而成，所述基于数字孪生的生产线仿真系统包括：
类现实生产线，包括产品模型、设备模型和生产线模型；
虚拟生产线，包括工艺流程模型和工站流程模型；
交互控制端，用于对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，并根据仿真模拟的结果对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行优化。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统中，所述交互控制端包括：控制模块，用于对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟和优化；监控模块，用于监控并展示所述类现实生产线和所述虚拟生产线的仿真模拟过程；报表模块，用于输出仿真模拟的结果以及优化后的所述类现实生产线和所述虚拟生产线的方案。
可选的，在所述的基于数字孪生的生产线仿真系统中，所述交互控制端还包括报警模块，用于在仿真模拟的过程中出现异常时进行报警，并生成异常日志。
本发明提供的基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法，包括：搭建类现实生产线和虚拟生产线；基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动；对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果；根据所述仿真结果布局实际生产线。通过搭建类现实生产线和虚拟生产线能够对实际加工生产用的生产线进行高度还原，反映真实的物理生产线；通过数字孪生技术进行仿真模拟，能够提前检测出布局方案的不足之处并进行优化，加强对实际生产线布局的控制，解决了现有生产线仿真系统操作不便的问题。
附图说明
图1为本实施例提供的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法的流程图；
图2为本实施例提供的基于数字孪生的生产线仿真系统的结构示意图；
图3为本实施例提供的机箱生产线结构图；
图4为本实施例提供的鼠标生产线结构图；
图5为本实施例提供的显示器生产线结构图；
图6为本实施例提供的各产线PLC程序构成图；
图7为本实施例提供的机箱产线计数程序示意图；
图8为本实施例提供的显示器产线模拟报警修正程序示意图；
图9为本实施例提供的TIA 博途联调准备完成示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图说明中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，以便描述本发明的实施例，而不用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
数字孪生（Digital Twin），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。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生可以应用于众多领域，如产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域。
车间数字孪生，其组成主要包括：物理车间、虚拟车间、车间服务系统、车间孪生数据几部分组成。物理车间是真实存在的车间，主要从车间服务系统接收生产任务，并按照虚拟车间仿真优化后的执行策略，执行完成任务；虚拟车间是物理车间的计算机内的等价映射，主要负责对生产活动进行仿真分析和优化，并对物理车间的生产活动进行实时的监测、预测和调控；车间服务系统是车间各类软件系统的总称，主要负责车间数字孪生驱动物理车间的运行，和接受物理车间的生产反馈。
基于此，本实施例提供一种基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，如图1所示，所述基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法包括：
S1，搭建类现实生产线和虚拟生产线；
S2，基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动；
S3，对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果；
S4，根据所述仿真结果布局实际生产线。
本实施例提供的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，通过搭建类现实生产线和虚拟生产线能够对实际加工生产用的生产线进行高度还原，反映真实的物理生产线；通过数字孪生技术进行仿真模拟，能够提前检测出布局方案的不足之处并进行优化，加强对实际生产线布局的控制，解决了现有生产线仿真系统操作不便的问题。
需要说明的是，在具体应用过程中，在本申请所提供的上述步骤之间，还可以增加有其他步骤以丰富细化搭建方法，甚至提供更多的功能。在不违背本申请主旨前提下的其他包含有本申请上述方法的生产线仿真系统的搭建方法也应当属于本申请的保护范围。
进一步的，在本实施例中，步骤S1，搭建类现实生产线和虚拟生产线的方法包括：
S11，获取生产线参数和工艺参数。所述生产线参数代表了实际生产线搭建所需的一些关键参数，包括但不限于生产线占用面积（长宽高尺寸等）、设备种类、设备数量和人工数量等，所述工艺参数代表了整条生产线加工生产所必备的参数，包括但不限于工艺流程、工站工时和设备参数等。
S12，根据所述生产线参数进行3D建模，形成类现实生产线。具体的，在本实施例中，形成类现实生产线的方法可以包括：对实际加工的产品进行3D建模，以获得产品模型；根据所述生产线参数对生产线和设备进行3D建模，以获得生产线模型和设备模型；在所述产品模型、所述生产线模型和所述设备模型之间建立运行逻辑，以形成类现实生产线。运行逻辑主要体现的是产品在各工站之间的流转次序及各工序在整个生产加工过程中的姿态及变化等。
S13，根据所述工艺参数和所述类现实生产线进行PLC建模，形成虚拟生产线。具体的，在本实施例中，形成虚拟生产线的方法可以包括：根据所述工艺参数构建工艺流程模型；根据所述工艺参数和所述类现实生产线构建工站流程模型；将所述工艺流程模型和所述工站流程模型进行融合，以形成虚拟生产线。工艺流程模型和工站流程模型可以通过编程实现，如采用PLC编程，实现整个生产线的工艺流程运动程序以及每一工站的工站流程运动程序。
在本实施例中，基于数字孪生技术将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接的方式为本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。与现有的车间数字孪生不同，在本实施例中，所述类现实生产线与所述虚拟生产线均为仿真模拟的虚拟生产线，而非现实中的实际生产线，也就是说，本申请创造性的将两种基于不同技术产生的虚拟生产线进行数字孪生映射，从而能够在仿真模拟的过程中发现其中存在的异常，通过对异常的解除，可以生成最佳的生产线布局，进而可以根据生成的最佳的生产线布局来布局实际生产线，如此便可以避免实际生产线中可能存在的异常，提高了生产线布局的效率和生产加工的稳定性。
更进一步的，在本实施例中，步骤S3，对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果的方法包括：
S31，编写仿真程序，所述仿真程序中包括仿真参数。具体的，仿真程序提供了类现实生产线和虚拟生产线进行仿真测试的运行程序，具体可以为PLC梯形图程序，PLC梯形图程序的具体编制方法为本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。
S32，根据所述仿真程序进行至少一次仿真测试，每次仿真测试中所述仿真参数不完全相同。如此，通过多次仿真测试，可以找到更优的设计方案。
S33，仿真测试结束后得到对应的仿真结果。
较佳的，在本实施例中，步骤S3，对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果的方法还包括：
S321，在进行仿真测试时，获取仿真测试的监控图像。监控图像包括仿真模拟过程中类现实生产线和虚拟生产线的仿真实时动态图，通过监控图像可以使设计仿真人员简单直观地查看仿真进度。具体的，监控图像可以为二维的信号流，也可以为三维的模拟场景，本实施例对此不做限制。
S322，根据所述监控图像判断所述类现实生产线和所述虚拟生产线的仿真效果，以得到优化方案。仿真效果包括各个工序之间物料传递的顺畅性、产品加工的总工时、以及生产流水线占用的空间大小等。设置多个衡量指标，从而可以对多个衡量指标设置权重，以得到优化方案。
S323，利用所述优化方案对所述仿真参数进行调整，以进行下一次的仿真测试。优化方案通常是针对上一次仿真模拟存在的问题提出的可能的解决方案，并将优化方案落实在仿真参数的调整上后，通过下一次的仿真测试来验证该解决方案是否可行，以及是否会引入新的问题。如此反复，便可以得到一个几乎不存在问题的最优设计方案。
进一步的，在本实施例中，步骤S4，根据所述仿真结果布局实际生产线的方法包括：
S41，汇总所述仿真结果所对应的仿真测试过程中出现的所有异常。异常例如可以是物料流转卡顿、物料掉落、物料无法流转、工站衔接出现问题、工站作业无法完成等。
S42，针对每一所述异常设计改善方案。针对每一异常去排查问题发生点位于类现实生产线还是虚拟生产线，并进行原因分析，根据分析的结果对问题点进行改善解决，形成改善方案。
S43，根据所述仿真结果和所述改善方案布局实际生产线。如此，便可以将仿真模拟过程中出现的异常进行排除，保证实际生产线中不会出现这些异常，提高生产线布局效率及生产稳定性。
较佳的，在本实施例中，在步骤S4，根据所述仿真结果布局实际生产线之后，所述基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法还包括：
S5，将所述类现实生产线和所述虚拟生产线融合为模拟生产线。也就是说，将两者有机结合，形成一个虚拟模拟。在实际应用过程中，由于类现实生产线和虚拟生产线之间本身具有数字孪生的映射关系和联动逻辑，因此可以将其直接看成一个整体，作为模拟生产线。
S6，基于数字孪生将所述实际生产线与所述模拟生产线进行通信连接，以实现所述实际生产线和所述模拟生产线的联动。此步骤类似于上文所提的车间数字孪生，实际生产线为物理生产线，模拟生产线为虚拟生产线，通过两者之间的数字孪生映射，可以在计算机端反映实际生产线的状况。
S7，获取所述实际生产线在实际生产加工中出现的异常，并将所述异常映射于所述模拟生产线。映射的方式为本领域技术人员通过数字孪生技术所可以获得的，此处不再赘述。
S8，针对所述异常，对所述模拟生产线进行优化，以获得解决所述异常的优化方案。此步骤具体可以参考步骤S4，此处不再赘述。
S9，根据所述优化方案调整所述实际生产线的布局。针对已经使用的实际生产线，可以利用数字孪生技术，对实际生产过程中出现的异常问题映射至虚拟端，通过虚拟端仿真模拟提供解决方案，避免实际生产线在调整后仍旧存在问题，往复解决导致的生产效率低下。同时，针对已经布局但未投入使用的实际生产线，可以先在虚拟端进行仿真模拟，确认是否存在异常，若存在异常，则可以利用仿真模拟提供解决方案，并利用解决方案对实际生产线中的异常一次性解决，保证实际生产加工过程中不会再出现异常，保证了实际生产线的稳定性。
本实施例还根据上述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法提出一种基于数字孪生的生产线仿真系统，如图2所示，所述基于数字孪生的生产线仿真系统包括：类现实生产线，包括产品模型、设备模型和生产线模型；虚拟生产线，包括工艺流程模型和工站流程模型；交互控制端，用于对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，并根据仿真模拟的结果对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行优化。
本实施例提供的基于数字孪生的生产线仿真系统，通过交互控制端对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，并根据仿真模拟的结果对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行优化，使得能够提前检测出布局方案的不足之处，加强对实际生产线布局的控制，解决了现有生产线仿真系统操作不便的问题。
较佳的，在本实施例中，所述交互控制端还包括报警模块，用于在仿真模拟的过程中出现异常时进行报警，并生成异常日志。报警可以通过指示灯、蜂鸣器等实现。异常日志的内容包括异常发生的时间、工站，异常现象、描述等。
以下，以一具体实施例对本申请提出的基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法进行说明。在本实施例中，生产线生产加工的产品为计算机终端产品，包括主机、显示器和鼠标等。
在本实施例中，采用UG NX进行类现实生产线的搭建，采用TIA博途进行虚拟生产线的搭建，采用Process Simulate进行仿真模拟（其中还搭配有WinCC），采用PLCSIMAdvanced实现几个软件之间的通信。
在其他实施例中，还可以采用其他建模软件、仿真软件和通信技术,例如采用solidworks进行建模，采用MATLAB进行仿真，采用过OPC SEVER进行通信等。本实施例对软件的选用不做限制，仅以上述软件作为示例说明本申请的可实现性。
在本实施例中，整个搭建方法概述如下：先针对计算机终端包装流水线的生产进行需求分析，然后使用MCD创建机器人生产线中的夹具模型与计算机终端模型（如电脑机箱、显示器、鼠标等），导出各计算机终端模型并将其保存为jt格式，再把设计好的夹具模型、计算机终端模型以及机械臂、传送带等与产线有关的模型导入到Process Simulate中，进行Process Simulate的基于计算机终端产线的设计建模，接着再对TIA博途进行基于计算机终端产线的组态，最后进行仿真模拟得到仿真结果。
首先，搭建类现实生产线和虚拟生产线。类现实生产线主要要搭建不同类型夹具、机械臂、传送带等相关工具，以及机箱、鼠标、显示器等计算机终端产品。虚拟生产线主要要搭建类现实生产线的运行流程。
在本实施例中，各产线所使用的机械臂均为六轴工业机器人，型号为IRB 1600ID-4/1.50；传送带为工厂所使用的常规输入生产线、输出生产线和绿带生产线；各种计算机终端产品如机箱、鼠标、显示器等，每种产品均有两条产线，不同的计算机终端产品有各自不同的工序。
具体的，机箱生产线结构如图3所示，大致包括：先由AGV小车将机箱运送至传送带1附近，然后由机械臂1夹取并放置到传送带1上，经传送带1传送到机械臂2附近，再由机械臂2将其夹取放入传送带2上的无盖包装盒中，然后由传送带2传送至终点，机械臂3夹取包装盒盖将包装盒盖上封顶，最后再夹取整个包装盒放置到收纳盒。
以及，鼠标生产线结构如图4所示，大致包括：首先由工人推车将鼠标送至传送带1附近，然后由机械臂1吸取并放置到传送带1上，经传送带1传送到机械臂2附近，机械臂2吸取鼠标放置到电子称上，工人对其重量进行记录并判断是否合格，之后再由机械臂2吸取并放置到传送带2上，当鼠标传送到中途时会自动暂停，由自动喷码机对其进行二维码的喷涂，完成后继续传送至终点，最后由机械臂3吸取并放置到收纳盒。由于产品结构特殊性，该产线机械臂的夹具均为吸取式。
以及，显示器生产线结构如图5所示，大致包括：首先由工人推车将显示器送至传送带1附近，然后由机械臂1夹取并放置到传送带1上，传送到中途时自动暂停，由工人对其进行插电接通测试，通过后传送到机械臂2附近，机械臂2先吸取保护膜张贴至显示器屏幕，再将显示器吸取放置到传送带2上，传送至终点，最后由机械臂3吸取并放置到收纳盒。由于产品结构特殊性，该产线机械臂的夹具均为吸取式。
夹取式夹具的3D建模需考虑两端夹头的移动距离、姿态、作业坐标、移动路径等；吸取式夹具的3D建模需考虑夹具功能的开启/关闭、姿态、作业坐标、移动路径等。机械臂的3D建模需考虑臂长、关节数、定位精度、负载能力及运动学参数等。最终通过调试，将夹具与机械臂连接。夹具及机械臂的3D建模为本领域技术人员所公知的，此处不再赘述。当然，在其他实施例中，需根据实际生产加工需求，设计不同的生产线部件。
在各个产品、设备等的3D建模完成后，建立坐标系，按照生产工艺流程，将设备按序连接，以形成初版的类现实生产线。
针对三种计算机终端产品共六条产线这一情况，为实现对每一条产线的生产控制，为每条产线创建了相应的输入输出变量，例如midong、m1等等，达到通过底层PLC逻辑控制产品生产的目的。然后也创建了六个输入变量与Process Simulate中各产线动作的最后一个结束信号相连接，即c1jieshu、c2jieshu等等，接着，为统计三种产品的生产数量，创建了三个整型计数变量c_count、m_count和d_count，最后是创建了模拟错误发生引起报警相关的输入输出变量check_end和transport1_2_start，以及状态变量condition和模拟修正变量correct。当然，在实际应用过程中，可以与WinCC的监控画面或报警画面进行连接，以实现观察功能和报警功能。
在创建完各种变量后，便可根据各产线预设功能编写PLC程序，程序内容可参见图6。具体的PLC程序代码为本领域技术人员可根据实现的功能所编写的，此处不再赘述。至此，虚拟生产线搭建完成。
接着，基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动。
具体的，Process Simulate中的输出信号（Output Signal）是用于连接每个动作的桥梁，类似于传递信令或指令，使得整个加工过程可以顺利地进行。每个动作的开始和完成都可以通过输出信号来表示。当一个动作完成后，将会产生一个信号传递给下一个动作，以此类推，直到完成整个加工过程。因此，输出信号在Process Simulate中具有非常重要的作用，它们可以有效地控制、监测和优化整个加工过程。信号可以通过WinCC等上位机软件直接赋予，也可以通过TIA博途软件编写PLC程序，并与Process Simulate通讯使信号进行置位与复位。各个动作的开始、结束信号均为布尔型信号，当开始信号置位为1时，动作开始运行，当结束信号置位为1时，动作结束运行。本实施例中自定义了七个输出信号，分别为启动三种计算机终端产品共六条产线的启动信号：c_start、c1_start、c2_start、m1_start、m2_start、d1_start、d2_start。
PLC与WinCC间的通讯可通过PLCSIM Advanced实现。首先要检查并确保WinCC与PLC的变量连接正确，再进行仿真通讯操作。启动CPU，开启在线模式并监视，然后在WinCC中点击在PC上运行系统进行仿真，在登录画面中登录用户Worker，然后跳转到控制画面，单击WinCC的启动机箱生产线按钮，PLC对应程序成功连通，可知PLC与WinCC成功实现通讯。
在本实施例中，预先给各个类现实生产线手动分配开始与结束信号，再通过编辑各产线的逻辑资源块实现完整生产过程的仿真。
之后，对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果。
本实施例的仿真原理大致如下：先在TIA博途创建对应的输入输出变量并编写PLC程序，当输入变量为１时输出变量也为１，将输出变量与Process Simulate中的自定义输出变量m1_start连接。当m1_start接收到TIA博途传递的输出信号并置位为１时，Exits处的car_start也被置为１，即开始仿真产线的第一步骤。当该步骤结束时，其结束信号car_end自动置为１，同样的，Exits处的R1_start也被置为１，开始执行下一步骤。可以看出，其本质原理就是当Entries处的变量置位为１时，同一行对应的Exits处的变量也会自动置１，从而实现了产线整个工作过程的有序进行，底层PLC起到了逻辑控制的作用。
此外，在本实施例中，在WinCC中设置了控制画面、监控画面、报表画面和报警画面，从而实现人员与仿真软件的交互及操作控制。例如，控制画面可以设置一些按钮、开关、指示灯等控制元素来实现交互操作。
具体的，在本实施例中，共新建了登录画面、控制画面、监控画面、报警画面和报表画面共五个画面，每个画面均设有可跳转到其他画面的按钮，故在线仿真时可随时切换画面。登录画面中新建了用户Worker，并设定只有该用户登录后，才有权限跳转到控制画面进行产线的仿真。控制画面中新建了各产线启动按钮，在线仿真时可直接控制ProcessSimulate的产线生产，并配有相应文字描述；监控画面中新建了六个产线圆形图案和六个产线三角形图案，可以实时表示产线的生产情况，同样的配有相应文字描述；报警画面中则新建了报警视图控件，可实现相应报警功能；报表画面新建了配方视图控件，用以实时记录产品完成的数量情况。
在仿真过程中，为统计各产品生产数量，则需使c1jieshu等变量与ProcessSimulate各产线的结束信号连接，使得生产结束时PLC便可“收到通知”，并在PLC程序中使用加计数器（CTU）、ADD等器件进行计数。以机箱产线为例，如图7所示，当机箱1或机箱2完成时，会使对应程序的加计数器（CTU）的CU端从低电平跳转到高电平，从而CV端的值增加1，而ADD的输出结果端OUT为两条产线加计数器（CTU）CV端值的和，即为两条产线产品的总完成数目，故通过该计数程序可实时监视各产品的完成情况。
在仿真过程中，还可能存在一些异常情况，需对这些异常情况进行监控并出发报警。以显示器产线为例，如图8所示，若显示器由工人插电接通测试不通过，则会触发报警信号，模拟实际的出错情况，报警原理如下：工人测试不通过信号触发使变量check_end置1，该变量连接了加减计数器（CTUD）的CU端，使得加减计数器（CTUD）CV端值从0变为1，从而进行了报警。此时要修正该错误可令修正变量correct置为1，而变量correct连接了加减计数器（CTUD）的CD端，使得加减计数器（CTUD）CV端值从1变为0，从而解除了报警，实现了对错误的手动修正。
再然后，利用仿真结果进行产线优化。通过这种方法，企业可以减少部署时间和试错成本，并提高产品品质和产量。
本实施例中，在Process Simulate的仿真产线建立完成后，还需要对产线可继续完善优化的部分进行分析，这不仅可以提高资源设备的利用率，还可以改善生产线各工序人员配置及物料供应。本实施例具体针对产线机械臂姿态、机械臂运动过程的抖动和延时时间等各项指标进行分析并优化。
具体的，在机械臂姿态的优化上，为了确保生产的安全性和准确性，在使用Process Simulate软件进行机械臂夹取和放置运动模拟时，应该考虑到与其他设备之间的干涉问题，因此需要根据具体情况，充分考虑各个物料的高度等情况，调整机械臂夹取与放置动作过程中的姿态。
以及，由于机箱整体结构较大，使得机械臂对其夹取与放置过程中路径更长，有时会出现抖动现象。虽然没有对其他设备造成干涉，但若在实际生产中发生此状况，则会存在一定的安全隐患，而且机械臂产生抖动也有些许不美观。因此，在机械臂运动过程去抖动上，在机箱产线的路径编辑器（Path Editior）中的Motion Type进行修改，在发生抖动现象的对应点处将PTP改为LIN，经验证修改后机械臂实现了直线稳定运动，达到了机械臂运动过程去抖动的目的。
以及，在延时时间优化上，通过模拟实际工人观察并记录示数的过程，对一些工站设置了延时时间，如在鼠标产线中为鼠标称重工序延时两秒；鼠标喷码工序也延时两秒；显示器产线中的工人插电接通测试工序也进行了延时两秒的设置，以模拟实际的测试过程。
以下，针对本实施例的仿真调试验证过程进行详细说明。
TIA博途端的操作流程大致包括：将编写好的PLC程序下载到设备中，经编译未出现错误；启动CPU并转至在线，启用监视，便可实时监视 PLC 程序连通情况；打开WinCC控制画面，并点击在PC上启动运行系统，即可打开 WinCC触摸屏，至此，如图9所示，TIA 博途已做好全部的与 Process Simulate 联调的准备工作。
Process Simulate端的操作流程大致包括：①验证连接：打开Process Simulate主界面，在设置（Options）界面的PLC板块选择连接设置（Connection Settings），在弹出的对话框中，选择Add中的PLCSIM Advanced，若已启动PLCSIM Advanced则其会自动找到并显示对应的Instance name，加入并选中，最后点击验证（Validate）来验证此外部连接是否有效；②动作运行：将所有产线运行动作添加到复合操作zong中，将zong拖入到序列编辑器（Sequence Editor)中，点击播放按钮，观察到各产线生产过程能够正常运行；③把工程切换到线仿真模式（Line Simulation Mode），在信号查看器（Signal Viewer）中将所要用到的输入输出信号与对应 PLC 输入输出变量进行连接；④打开仿真面板（SimulationPanel），把各产线的逻辑资源块及所需输入输出信号添加到仿真面板中，用来监视整个产线的生产。
至此，Process Simulate已完成所有的与TIA博途联调的准备工作，接下来需要进行联合调试，模拟仿真计算机终端生产线的生产过程。
机箱产线：在Process Simulate中将各产线仿真程序拖入Line Operation中，然后将Line Operation拖入序列编辑器（Sequence Editor)中，点击播放按钮，便开始进行仿真。在WinCC触摸屏中先按下启动机箱产线按钮，待AGV小车将两个机箱送至产线附近时，依次按下启动机箱1生产线、启动机箱2生产线，对应的PLC程序连通，使得Process Simulate中对应的输出信号也变绿呈有效状态，然后根据Process Simulate中已编辑设置好的机箱产线逻辑资源块按照工序进行仿真。两个机箱生产过程结束后，仿真动作停止。ProcessSimulate中两条产线的结束信号变绿呈有效状态，然后传输到底层PLC，使对应输出变量置位，从而使得WinCC监控画面中与之相连接的圆形图案变绿，表示两条产线均完成了正常运作。因此，在本系统中可以跳转到监控画面，观察机箱产线的指示灯颜色，从而知悉产线的生产状态。较佳的，在本实施例中，可以跳转到报表画面，更新配方视图控件，得到机箱完成数量及机箱出错数量，经验证与PLC程序中对应的整型计数变量相一致，成功完成机箱产线仿真过程。
鼠标产线：在Process Simulate中将各产线仿真程序拖入Line Operation中，然后将Line Operation拖入序列编辑器（Sequence Editor)中，点击播放按钮，便开始进行仿真。当工厂中已生产了足够数量的机箱时，可转而增加鼠标的生产。在WinCC触摸屏中依次按下启动鼠标2生产线、启动鼠标1生产线，对应的PLC 程序连通，使得Process Simulate中对应的输出信号也变绿呈有效状态，然后根据Process Simulate中已编辑设置好的鼠标产线逻辑资源块按照工序进行仿真。两个鼠标生产过程结束后，仿真动作停止。ProcessSimulate中两条产线的结束信号变绿呈有效状态，然后传输到底层PLC，使对应输出变量置位，从而使得WinCC监控画面中与之相连接的圆形图案变绿，表示两条产线均完成了正常运作。同样的，在本系统中可以跳转到监控画面，观察鼠标产线指示灯颜色，从而获悉生产完成，跳转到报表画面，更新配方视图控件，得到鼠标完成数量及鼠标出错数量，经验证与PLC程序中对应的整型计数变量相一致，成功完成鼠标产线仿真过程。
显示器产线：在Process Simulate中将各产线仿真程序拖入Line Operation中，然后将Line Operation拖入序列编辑器（Sequence Editor)中，点击播放按钮，便开始进行仿真。在WinCC触摸屏中依次按下启动显示器1生产线、启动显示器2生产线，对应的PLC程序连通，使得Process Simulate中对应的输出信号也变绿呈有效状态，然后根据ProcessSimulate中已编辑设置好的显示器产线逻辑资源块按照工序进行仿真。两个显示器生产过程结束后，仿真动作停止。在 Process Simulate中，发现只有第一条产线的结束信号变绿呈有效状态，第二条产线的结束信号仍为红色无效状态，传输信息到底层PLC，使对应输出变量置位，使得WinCC监控画面中与之相连接的第一条产线圆形图案变绿，表示产线完成了正常运作，第二条产线三角形图案变红，表示产线运作过程发生了错误导致产线未能正常进行而中断，跳转到报警画面，得知显示器2产线发生错误，显示器2由工人插电接通测试不通过，模拟实际生产的出错情况；跳转到报表画面，更新配方视图控件，得到显示器完成数量及显示器出错数量，经验证与PLC程序中对应的整型计数变量相一致，得出结果是显示器1产线仿真过程正常进行，而显示器2产线仿真过程出现错误。在PLC模拟报警修正程序中将变量correct手动置位为1，即可对显示器2进行模拟修正。然后在Process Simulate的序列编辑器（Sequence Editor）中点击复位按钮，再点击播放按钮重新进行仿真。当修正完错误且再次进行生产时，在监控画面观察到两条产线都通过了工人插电接通测试工序，然后跳转到报警画面，发现两条产线均未发生错误。待两个显示器生产过程结束后，仿真动作停止。此时Process Simulate中两条产线的结束信号变绿呈有效状态，然后传输信息到底层PLC，使对应输出变量置位，从而使得WinCC监控画面中与之相连接的圆形图案变绿，表示两条产线均完成了正常运作，可知显示器2修正成功。跳转到报表画面，更新配方视图控件，得到最新的显示器完成数量及显示器出错数量，与上一次仿真过程相比，显示器完成数量增加了2，显示器出错数量不变，符合实际。经验证与 PLC程序中对应的整型计数变量相一致，成功完成显示器产线仿真过程。
完成所有仿真过程后，注销用户Worker，结束授权。
通过仿真调试后，可以得到最优的产线布局方案。通过该产线布局方案可以进行实际的生产线布局，从而能够在实际生产线布局前，提前检测出布局方案中的不足之处，从而快速修改方案，并加强对整个布局流程的控制，提高了企业的核心竞争力。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
本实施例提供的基于数字孪生的生产线仿真系统及其搭建方法，包括：搭建类现实生产线和虚拟生产线；基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动；对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果；根据所述仿真结果布局实际生产线。通过搭建类现实生产线和虚拟生产线能够对实际加工生产用的生产线进行高度还原，反映真实的物理生产线；通过数字孪生技术进行仿真模拟，能够提前检测出布局方案的不足之处并进行优化，加强对实际生产线布局的控制，解决了现有生产线仿真系统操作不便的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，其特征在于，包括：
搭建类现实生产线和虚拟生产线；
基于数字孪生将所述类现实生产线与所述虚拟生产线进行通信连接，以实现所述类现实生产线和所述虚拟生产线的联动；
对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果；
根据所述仿真结果布局实际生产线；
其中，搭建类现实生产线和虚拟生产线的方法包括：
获取生产线参数和工艺参数，所述生产线参数包括生产线占用面积、设备种类、设备数量和人工数量，所述工艺参数包括工艺流程、工站工时和设备参数；
根据所述生产线参数进行3D建模，形成类现实生产线，包括：对实际加工的产品进行3D建模，以获得产品模型；根据所述生产线参数对生产线和设备进行3D建模，以获得生产线模型和设备模型；在所述产品模型、所述生产线模型和所述设备模型之间建立运行逻辑，以形成类现实生产线；所述运行逻辑是产品在各工站之间的流转次序及各工序在整个生产加工过程中的姿态及变化；
根据所述工艺参数和所述类现实生产线进行PLC建模，形成虚拟生产线，包括：根据所述工艺参数构建工艺流程模型；根据所述工艺参数和所述类现实生产线构建工站流程模型；将所述工艺流程模型和所述工站流程模型进行融合，以形成虚拟生产线。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，其特征在于，所述对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果的方法包括：
编写仿真程序，所述仿真程序中包括仿真参数；
根据所述仿真程序进行至少一次仿真测试，每次仿真测试中所述仿真参数不完全相同；
仿真测试结束后得到对应的仿真结果。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，其特征在于，所述对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，以获得仿真结果的方法还包括：
在进行仿真测试时，获取仿真测试的监控图像；
根据所述监控图像判断所述类现实生产线和所述虚拟生产线的仿真效果，以得到优化方案；
利用所述优化方案对所述仿真参数进行调整，以进行下一次的仿真测试。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，其特征在于，所述根据所述仿真结果布局实际生产线的方法包括：
汇总所述仿真结果所对应的仿真测试过程中出现的所有异常；
针对每一所述异常设计改善方案；
根据所述仿真结果和所述改善方案布局实际生产线。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法，其特征在于，在根据所述仿真结果布局实际生产线之后，所述基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法还包括：
将所述类现实生产线和所述虚拟生产线融合为模拟生产线；
基于数字孪生将所述实际生产线与所述模拟生产线进行通信连接，以实现所述实际生产线和所述模拟生产线的联动；
获取所述实际生产线在实际生产加工中出现的异常，并将所述异常映射于所述模拟生产线；
针对所述异常，对所述模拟生产线进行优化，以获得解决所述异常的优化方案；
根据所述优化方案调整所述实际生产线的布局。
6.一种基于数字孪生的生产线仿真系统，通过如权利要求1~5任一项所述的基于数字孪生的生产线仿真系统的搭建方法搭建而成，其特征在于，所述基于数字孪生的生产线仿真系统包括：
类现实生产线，包括产品模型、设备模型和生产线模型；
虚拟生产线，包括工艺流程模型和工站流程模型；
交互控制端，用于对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟，并根据仿真模拟的结果对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行优化。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的生产线仿真系统，其特征在于，所述交互控制端包括：
控制模块，用于对所述类现实生产线和所述虚拟生产线进行仿真模拟和优化；
监控模块，用于监控并展示所述类现实生产线和所述虚拟生产线的仿真模拟过程；
报表模块，用于输出仿真模拟的结果以及优化后的所述类现实生产线和所述虚拟生产线的方案；
报警模块，用于在仿真模拟的过程中出现异常时进行报警，并生成异常日志。
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