DE112018005582T5 - Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops und dessen System - Google Patents

Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops und dessen System Download PDF

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workshops
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Qiang Liu
Jiewu Leng
Ding Zhang
Xin Chen
Lijun WEI
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Guangdong University of Technology
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops und dessen System, das auf ein Designsystem für Smart-Workshops angewendet wird und die folgenden Schritte enthält: Schritt A: Erfassen und Modellieren in dem Simulationssystem gemäß den Konstruktionsanforderungsinformationen der Produktionslinie; Schritt B: die Bewegungsplanung jeder Einzelmaschine, die Planung der Logistik und der Bewegung der Erzeugnisse werden ausgeführt; das Bewegungssteuerungsskript wird erstellt; Schritt C: mit der digitalen Zwillingstechnik wird ein Kommunikationskanal zwischen dem SPS-System des digitalen Workshop-Modells, dem SPS-System der Workshop-Anlagen und dem Host-Computer hergestellt; und Schritt D: das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell des Workshops wird als Muster für das anschließende Design und die Entwicklung der Einzelmaschinen, des Steuersystems und des Ausführungssystems verwendet. Das kundenspezifische Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops und dessen System verwenden die digitale Zwillingstechnik, integrieren die physischen Geräte segmentweise, führen die verteilte Integration vor der Endmontage durch, vermeiden die Fehler der Steuerlogik und der logistischen Konstruktion, verkürzen die Modifizierungszeit und reduzieren den Raumbedarf und die Kapitalkosten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft die industrielle Automatisierungstechnik, insbesondere ein kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops und dessen System.
  • Stand der Technik
  • Mit der rasanten Entwicklung intelligenter Produktionsanlagen und Kommunikationstechnologien wird die Anforderung an ein schnelles Design und eine rationelle Ausführung automatisierter Produktionslinien in der chinesischen Produktionsindustrie immer dringlicher. Das kundenspezifische Design dient zum Erfüllen der differenzierten Anforderungen des Kunden. Beim Design werden Techniken und Methoden, wie Auswahl, Konfiguration, Transformation usw., verwendet, um ein neues Designprojekt zu erstellen. Das schnelle kundenspezifische Designverfahren für Workshops ist zu einem dringenden Bedürfnis der intelligenten Produktion geworden. Das kundenspezifische Design des Workshops muss schnell ein statisches Workshop-Layout anfertigen, das den differenzierten Anforderungen des Produktionsstandorts des Kunden, der erwarteten Produktionskapazität, des Prozessvorgangs und der vorhandenen Anlagen entspricht. Ein Bewegungsdesign der Anlagen des Workshops und der Erzeugnisse wird abgeschlossen, um das integrierte Design und die Optimierung des oberen Managementsystems und der Workshops zu realisieren. Das kundenspezifische Design des Workshops erstreckt sich auf die Integration von Anlagen, Steuersystem und Steuersoftware und beinhaltet die adaptive Modifikation seines Ausführungssystems und Motors und die Einstellungseffizienz seiner Ausführung. Die benötigten Anlagen des Workshops sind meist heterogen. Die Steuerung und Kommunikationsschnittstelle sind unterschiedlich, jedoch müssen die Einzelmaschinen, die Zwischenmaschinen und die spezifischen Maschinen zusammenarbeiten. Es gibt eine häufige Kommunikation, die für die Integration der gesamten Linie des Workshops extrem schwierig ist.
  • Der Stand der Technik konzentriert sich auf die Workshop-Modellierung und die Workshop-Belegung, wobei der Schwerpunkt auf der Modularisierung liegt, um den Raum zu belegen. In Kombination mit den Argumentations- und Optimierungstechniken wird ein Designprojekt angefertigt, das den individuellen Anforderungen entspricht. Zudem wird die Offline-Simulation und -Analyse eingeführt. Diese Techniken nähern sich einem statischen Design und die größten Nachteile sind: (1) Das durch die vorhandene Designmethode angefertigte Designprojekt integriert das digitale Modell des Workshops nicht mit dem oberen Managementsystem und kann daher den virtuellen Online-Betrieb des „digitalen Modells des Workshops, das von den Produktionsbefehlen des Steuersystems angetrieben wird“, nicht realisieren; gleichzeitig kann die Befehls- und Informationssynchronisation zwischen dem digitalen Modell der Einzelmaschine und dem physischen Gerät nicht durchgeführt werden, so dass der virtuelle Betriebsprozess des Workshops den realen Produktionsprozess nicht realistisch simulieren kann. Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Korrelationsanalyse und der Überprüfung des virtuellen Betriebs des digitalen Modells des Workshops sind nicht hoch; (2) das vorhandene kundenspezifische Designprozess des Workshops ist stark vom Ausführungsprozess des Workshops abgekoppelt; das Designprojekt besitzt keine Online-Auswertung für den tatsächlichen Ausführungsprozess, wodurch es nicht möglich ist, das Design an die tatsächlichen Betriebsergebnisse anzupassen und zu optimieren, so dass die Designqualität nicht effektiv garantiert werden kann; (3) die Serialisierung des vorhandenen Designprozesses führt zu einem übermäßig langen Designzyklus; im vorhandenen kundenspezifische Designprozess des Workshops werden das Workshop-Layout, die Geräteintegration, die Entwicklung des Steuersystems und die Entwicklung des Managementsystems serialisiert; insbesondere können die größeren Änderungen in der vorherigen Phase direkt zur Erneuerung des Folgeprozesses führen, wodurch höhere Änderungskosten und ein langer Zyklus entstehen; im Allgemeinen mangelt es den aktuellen kundenspezifischen Designprozess des Workshops an effektiven integrierten Verifizierungsmethoden, Plattformen und Optimierungstechniken in Echtzeit.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops und dessen System zu schaffen, das parallelisiert und vollständig integriert ist und die Interaktion zwischen dem Designprozess und dem Ausführungsprozess optimiert.
  • Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße kundenspezifische Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops gelöst, das auf ein Designsystem für Smart-Workshops angewendet wird und die folgenden Schritte enthält:
    • Schritt A: Erfassen und Modellieren in dem Simulationssystem gemäß den Konstruktionsanforderungsinformationen der Produktionslinie und Erstellen eines digitalen Modells des Workshops und eines dreidimensionalen grafischen Modell jeder Einzelmaschine;
    • Schritt B: die Bewegungsplanung jeder Einzelmaschine, die Planung der Logistik und der Bewegung der Erzeugnisse werden ausgeführt; das Bewegungssteuerungsskript wird erstellt; eine Offline-Simulation wird durchgeführt, bis der Offline-Betrieb normal ist;
    • Schritt C: mit der digitalen Zwillingstechnik wird ein Kommunikationskanal zwischen dem SPS-System des digitalen Workshop-Modells, dem SPS-System der Workshop-Anlagen und dem Host-Computer hergestellt; eine Verknüpfung von Daten und Informationen wird hergestellt; durch die binäre Synchronisationstechnik des Downlink-Befehls und der Uplink-Informationen werden die Echtzeitdaten des physischen Geräts, die Überwachungsdaten des SCADA-Systems und die dreidimensionalen virtuellen Simulationsdaten in Echtzeit synchronisiert, wodurch das digitale 3D-Zwillingsmodell des intelligenten Workshops erhalten wird; und
    • Schritt D: das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell des Workshops wird als Muster für das anschließenden Design und die Entwicklung der Einzelmaschinen, des Steuersystems und des Ausführungssystems verwendet. Über das virtuelle Steuernetzwerk und das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell wird Integration und Synchronisation durchgeführt; das Online-Debugging wird synchron durchgeführt.
  • Vorzugsweise enthält das Erstellen eines digitalen Modells des Workshops in Schritt A : die Erstellung des digitalen Modells des Workshops beruht auf die Gebäudestruktur des Workshops; unter Berücksichtigung der Faktoren, wie Workshop-Logistikart, Herstellungsprozess, Produktionsorganisationsform und Gerätegeometrie, wird das Gesamtlayout der Produktionslinie erstellt; wenn der Raum des Workshops eine schmale und lange Form hat und sich der Materialein- und - ausgang des Workshops auf verschiedenen Seiten des Workshops befinden, ist die Produktionslinie des Workshops linear oder L-förmig ausgebildet; wenn der Raum des Workshops eine quadratische Form hat und sich die Materialein- und -ausgang des Workshops auf der gleichen Seite des Workshops befinden, ist die Produktionslinie des Workshops U-förmig ausgebildet; wenn sich der Materialein- und -ausgang des Workshops auf verschiedenen Seiten befinden, ist sie S-förmig ausgebildet.
  • Vorzugsweise enthält das Erstellen eines digitalen Modells des Workshops in Schritt A : basierend auf der ausgewählten Typnummer der Einzelmaschine wird das digitale Modell des Workshops erstellt; zunächst wird die Kapazitätsbilanz des Workshops berücksichtigt, um die dreidimensionale grafische Modellierung des speziellen Geräts der Einzelmaschine und des Zwischengeräts, wie für Übertragung und Cache, auszuführen; die virtuelle Montage des Workshops wird entsprechend dem Produktionslinienlayout auf der dreidimensionalen virtuellen Designplattform durchgeführt.
  • Vorzugsweise werden in Schritt A bei der dreidimensionalen grafischen Modellierung des speziellen Geräts der Einzelmaschine das mobile Gerät und das stationäre Gerät klassifiziert.
  • Vorzugsweise ist der konkrete Inhalt von Schritt C wie folgt: ein virtuelles Steuernetzwerk wird hergestellt; mit der digitalen Zwillingstechnik wird eine virtuelle Simulationsplattform eingerichtet, wodurch die Einzelmaschine mit dem entsprechenden digitalen Einzelmaschinenmodell in dem digitalen Workshop synchronisiert werden kann; das obere MES-System wird in das digitale Zwillingsmodul im Workshop integriert; der Betrieb der gesamten Linie erfolgt unter dem generierten MES-Befehl; gleichzeitig wird der Ausführungszustand des digitalen Zwillingsmodells des Workshops an das MES zurückgemeldet, um einen Online-Simulationsbetrieb zu realisieren.
  • Vorzugsweise ist in Schritt C die Integration des oberen MES-Systems in das digitale Modell des Workshops wie folgt: der Befehlskanal und der Informationskanal werden über das Steuernetzwerk und die Konfigurationssoftware hergestellt, um einen Datenaustausch durchzuführen; durch den Downlink-Befehlskanal und den Uplink-Informationskanal wird die Verbindung zwischen dem digitalen Zwillingsmodell des Workshops und dem oberen MES-System und dem intelligenten Managementsystem hergestellt und eine Datensynchronisation erreicht.
  • Vorzugsweise ist zwischen Schritt C und Schritt D ein selektiver Optimierungsschritt vorhanden: ein Auftrag wird auf das MES-System simuliert; durch die Betriebsergebnisse werden die Auftragsabschlussrate, die Bilanzrate der Produktionslinie und die Anlagenauslastungsrate sowie die Anlagenrobustheit, - sprödigkeit und -flexibilität der gesamten Produktionslinie analysiert; entsprechend den Analyseindikatoren wird das Design des Smart-Workshops modifiziert, um die Analyseindikatoren zu optimieren. Dieser Vorgang wird zirkuliert, damit die Leistung des Workshops gesteuert wird.
  • Vorzugsweise ist in Schritt A das dreidimensionale grafische Modell der Einzelmaschine ein 3D-CAD-Modell, das mit einer CAD-3D-Konstruktionssoftware erstellt wird, wobei die bewegenden Teile der Einzelmaschine im Modell unabhängig voneinander dargestellt und identifiziert werden können.
  • Vorzugsweise ist der Host-Computer in Schritt C eine Konfigurationssoftware. Die Aufgabe wird weiter durch das Kundenspezifische Schnelldesignsystem für Smart-Workshops gelöst, das das Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops verwendet, das einen Host-Computer, ein Simulationssystem und eine SPS-Steuerung umfasst, wobei das Simulationssystem, der Host-Computer und die SPS-Steuerung ein Kommunikationsnetzwerk der Informationen vor Ort und der digitalen Befehle bilden; wobei das Simulationssystem dazu dient, die Informationen der Konstruktionsanforderungen der Produktionslinie zu erfassen und entsprechend diesen ein dreidimensionales Modell zu erstellen, damit ein digitales Modell des Workshops und ein dreidimensionales grafisches Modell jeder physischen Einzelmaschine angefertigt werden; wobei das Simulationssystem und die physischen Einzelmaschinen gleichzeitig mit der SPS-Steuerung verbunden sind, wobei die SPS-Steuerung ein Synchronisationssteuermodul beinhaltet, wobei das Synchronisationssteuermodul verwendet wird, um das Simulationsmodell der Produktionslinie und die physischen Einzelmaschinen synchron nach Daten zu betreiben und die Echtzeit-Zustandsdaten des Simulationsmodells der Produktionslinie und der physischen Einzelmaschinen zu sammeln; wobei der Host-Computer ein Konfigurationsüberwachungssystem, ein ERP-System und eine MES-Steuereinheit aufweist, wobei das Konfigurationsüberwachungssystem zum Empfang der Echtzeit-Zustandsdaten dient, um eine Konfigurationsüberwachungsansicht zu erstellen und eine Echtzeitüberwachung des Simulationsmodells der Produktionslinie und der physischen Einzelmaschinen durchzuführen; wobei die MES-Steuereinheit zum Senden eines Testbefehls an die SPS-Steuerung und zum Empfang der Echtzeit-Zustandsdaten für die Analyse dient, wobei die Testergebnisse für die physischen Einzelmaschinen erhalten werden, wobei entsprechend den Testergebnissen der physischen Einzelmaschinen ein Designplan für die Optimierung der Produktionslinie erstellt wird.
  • Das kundenspezifische Schnelldesignsystem für Smart-Workshops kann durch das digitale Zwillingsmodell zwischen dem digitalen Modell des Workshops und dem dreidimensionalen grafischen Modell der physischen Einzelmaschinen und dem Host-Computer eine Verbindung der physischen Befehle und der digitalen Informationen herstellen, um das Design, die Montage, die Modifizierung, die Optimierung, die Überwachung und die Datenausgabe der Produktionslinie zu realisieren. Im Produktionsprozess der Produktionslinie wird durch die Simulation der halbphysischen Objekte die Einzelmaschinen der zu prüfenden Einheiten der Produktionslinie in die entsprechende Produktionslinieneinheit des Simulationsmodells der Produktionslinie eingeleitet. Die reale Produktionslinie wird durch eine Halbsimulation ersetzt oder teilweise ersetzt. Die Modifikation und die Optimierung müssen nicht erst dann durchgeführt werden, wenn die gesamte Produktionslinie hergestellt und zusammengebaut ist. Stattdessen können während des Design- und Herstellungsprozesses der Produktionslinie ein Einheitentest und ein Integrationstest für jede Einheit durchgeführt werden. Dadurch kann das Designprojekt der Produktionslinie rechtzeitig korrigiert werden, um die Modifizierungszeit zu verkürzen und die Kosten zu reduzieren.
  • Der Host-Computer führt eine Analyse der physischen Einzelmaschinen und der Echtzeitdaten der Sensoren in dem Simulationsmodell der Produktionslinien durch, um das Designprojekt und die physischen Objekte zu optimieren, damit ein Design zur Optimierung der Produktionslinie erstellt wird. Die Rationalität des Produktionsliniendesigns wird effektiv erhöht. Der Simulationsbetrieb der Produktionslinie wird nur durch halbphysische Objekte ausgeführt. Die Auslastungsrate der Anlagen, die Produktionsbilanzrate, die Robustheit des Systems usw. während des Simulationsbetriebs werden analysiert. Es ist nicht erforderlich, eine Modifizierung in einer riesigen realen Produktionslinie wiederholt durchzuführen, um das effizienteste Designprojekt zu erstellen. Das Designprojekt zur Optimierung der Produktionslinie kann direkt in das reale Produktionssystem eingeleitet werden. Dadurch werden die Produktionsinputkosten reduziert und die Unsicherheit zwischen Design und Produktion wird verringert, so dass die Zeit vom Produktdesign bis zur Produktion verkürzt wird und die Zuverlässigkeit und Erfolgsquote der Produkte erhöht wird. Die Stabilität des Systems wird garantiert und der Produktentwicklungs- und Produktionszyklus wird stark verkürzt. Die Wertschöpfungskette des gesamten Unternehmens wird wirksam hergestellt. Daher kann die Einführung der Produkte in den Markt beschleunigt und die Produktqualität verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des kundenspezifischen Schnelldesignverfahrens für Smart-Workshops der Erfindung;
    • 2 eine schematische Darstellung der Bildung des Kommunikationsnetzwerks von dem Simulationssystem, dem Host-Computer und der SPS-Steuerung einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 3 eine Darstellung des Funktionsprinzips einer Ausführungsform des kundenspezifischen Schnelldesignsystems für Smart-Workshops der Erfindung;
    • 4 eine Darstellung des Vergleichs des serialisierten kundenspezifischen Schnelldesignverfahrens für Smart-Workshops und des parallelisierten kundenspezifischen Schnelldesignverfahrens für Smart-Workshops;
    • 5 eine Darstellung des Aufbauprinzips des kundenspezifischen Schnelldesignsystems für Smart-Workshops der Erfindung.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer konkreten Ausführungsform detailliert beschrieben.
  • 1 bis 5 zeigen ein kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops, das auf ein Designsystem für Smart-Workshops angewendet wird und die folgenden Schritte enthält:
    • Schritt A: Erfassen und Modellieren in dem Simulationssystem gemäß den Konstruktionsanforderungsinformationen der Produktionslinie und Erstellen eines digitalen Modells des Workshops und eines dreidimensionalen grafischen Modells jeder Einzelmaschine, enthaltend: Schritt A1: die Erstellung des digitalen Modells des Workshops beruht auf die Gebäudestruktur des Workshops; unter Berücksichtigung der Faktoren, wie Workshop-Logistikart, Herstellungsprozess, Produktionsorganisationsform und Gerätegeometrie, wird das Gesamtlayout der Produktionslinie erstellt ; wenn der Raum des Workshops eine schmale und lange Form hat und sich der Materialein- und -ausgang des Workshops auf verschiedenen Seiten des Workshops befinden, ist die Produktionslinie des Workshops linear oder L-förmig ausgebildet; wenn der Raum des Workshops eine quadratische Form hat und sich die Materialein- und -ausgang des Workshops auf der gleichen Seite des Workshops befinden, ist die Produktionslinie des Workshops U-förmig ausgebildet; wenn sich der Materialein- und -ausgang des Workshops auf verschiedenen Seiten befinden, ist sie S-förmig ausgebildet; Schritt A2: basierend auf der ausgewählten Typnummer der Einzelmaschine wird das digitale Modell des Workshops erstellt; zunächst wird die Kapazitätsbilanz des Workshops berücksichtigt, um die dreidimensionale grafische Modellierung des speziellen Geräts der Einzelmaschine und des Zwischengeräts, wie für Übertragung und Cache, ausgeführt; die virtuelle Montage des Workshops wird entsprechend dem Produktionslinienlayout auf der dreidimensionalen virtuellen Designplattform durchgeführt; bei der dreidimensionalen grafischen Modellierung des speziellen Geräts der Einzelmaschine werden das mobile Gerät und das stationäre Gerät klassifiziert; das dreidimensionale grafische Modell der Einzelmaschine ist ein 3D-CAD-Modell, das mit einer CAD-3D-Konstruktionssoftware erstellt wird; die bewegenden Teile der Einzelmaschine im Modell können unabhängig voneinander dargestellt und identifiziert werden.
    • Schritt B: die Bewegungsplanung jeder Einzelmaschine, die Planung der Logistik und die Bewegung der Erzeugnisse werden ausgeführt; das Bewegungssteuerungsskript wird erstellt; eine Offline-Simulation wird durchgeführt, bis der Offline-Betrieb normal ist.
    • Schritt C: mit der digitalen Zwillingstechnik wird ein Kommunikationskanal zwischen dem SPS-System des digitalen Workshop-Modells, dem SPS-System der Workshop-Anlagen und dem SCADA-System hergestellt; eine Verknüpfung von Daten und Informationen wird hergestellt; durch die binäre Synchronisationstechnik des Downlink-Befehls und der Uplink-Informationen werden die Echtzeitdaten des physischen Geräts, die Überwachungsdaten des SCADA-Systems und die dreidimensionalen virtuellen Simulationsdaten in Echtzeit synchronisiert, wodurch das digitale 3D-Zwillingsmodell des intelligenten Workshops erhalten wird; der konkrete Inhalt ist wie folgt: ein virtuelles Steuernetzwerk wird hergestellt; mit der digitalen Zwillingstechnik wird eine virtuelle Simulationsplattform eingerichtet, wodurch die Einzelmaschine mit dem entsprechenden digitalen Einzelmaschinenmodell in dem digitalen Workshop synchronisiert werden kann; das obere MES-System wird in das digitale Zwillingsmodul im Workshop integriert; der Betrieb der gesamten Linie erfolgt unter dem generierten MES-Befehl; gleichzeitig wird der Ausführungszustand des digitalen Zwillingsmodells des Workshops an das MES zurückgemeldet, um einen Online-Simulationsbetrieb zu realisieren; wenn das obere MES-System in das digitale Modell des Workshops integriert ist, werden der Befehlskanal und der Informationskanal über das Steuernetzwerk und die Konfigurationssoftware hergestellt, um einen Datenaustausch durchzuführen; durch den Downlink-Befehlskanal und den Uplink-Informationskanal wird die Verbindung zwischen dem digitalen Zwillingsmodell des Workshops und dem oberen MES-System und dem intelligenten Managementsystem hergestellt und eine Datensynchronisation erreicht. In einem selektiven Optimierungsschritt wird ein Auftrag auf dem MES-System simuliert. Durch die Betriebsergebnisse werden die Auftragsabschlussrate, die Bilanzrate der Produktionslinie und die Anlagenauslastungsrate sowie die Anlagenrobustheit, -sprödigkeit und -flexibilität der gesamten Produktionslinie analysiert. Entsprechend den Analyseindikatoren wird das Design des Smart-Workshops modifiziert, um die Analyseindikatoren zu optimieren. Dieser Vorgang wird zirkuliert, um den Optimierungsprozess „Simulationsbetrieb - Leistungsanalyse - Programmanpassung“ durchzuführen, damit die Leistung des Workshops gesteuert wird.
    • Schritt D: das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell des Workshops wird als Muster für das anschließende Design und die Entwicklung der Einzelmaschinen, des Steuersystems und des Ausführungssystems verwendet. Über das virtuelle Steuernetzwerk und das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell wird Integration und Synchronisation durchgeführt. Das Online-Modifizierung wird synchron durchgeführt.
  • Ein System, das das oben genannte kundenspezifische Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops verwendet, umfasst einen Host-Computer, ein Simulationssystem und eine SPS-Steuerung.
  • Das Simulationssystem, der Host-Computer und die SPS-Steuerung bilden ein Kommunikationsnetzwerk der Informationen vor Ort und der digitalen Befehle.
  • Das Simulationssystem dient dazu, die Informationen der Konstruktionsanforderungen der Produktionslinie zu erfassen und entsprechend diesen ein dreidimensionales Modell zu erstellen, damit ein digitales Modell des Workshops und ein dreidimensionales grafisches Modell jeder physischen Einzelmaschine angefertigt werden.
  • Das Simulationssystem und die physischen Einzelmaschinen sind gleichzeitig mit der SPS-Steuerung verbunden.
  • Die SPS-Steuerung beinhaltet ein Synchronisationssteuermodul. Das Synchronisationssteuermodul wird verwendet, um das Simulationsmodell der Produktionslinie und die physischen Einzelmaschinen synchron nach Daten zu betreiben und die Echtzeit-Zustandsdaten des Simulationsmodells der Produktionslinie und der physischen Einzelmaschinen zu sammeln.
  • Der Host-Computer weist ein Konfigurationsüberwachungssystem, ein ERP-System und eine MES-Steuereinheit auf. Das Konfigurationsüberwachungssystem dient zum Empfang der Echtzeit-Zustandsdaten, um eine Konfigurationsüberwachungsansicht zu erstellen und eine Echtzeitüberwachung des Simulationsmodells der Produktionslinie und der physischen Einzelmaschinen durchzuführen.
  • Die MES-Steuereinheit dient zum Senden eines Testbefehls an die SPS-Steuerung und zum Empfang der Echtzeit-Zustandsdaten für die Analyse. Die Testergebnisse für die physischen Einzelmaschinen werden erhalten. Entsprechend den Testergebnissen der physischen Einzelmaschinen wird ein Designplan für die Optimierung der Produktionslinie erstellt.
  • Die Konfigurationssoftware ist eine Art Host-Computersoftware. Die Konfigurationssoftware ist das untergeordnete Konzept der Host-Computersoftware und wird auch als Konfigurationsüberwachungssoftware bezeichnet. Sie befinden sich in der Softwareplattform und der Entwicklungsumgebung auf der Ebene der Überwachungsebene des automatischen Steuerungssystems und verwendet eine flexible Konfiguration. Dadurch wird ein gemeinsames Softwarewerkzeug zum schnellen Konfiguration von Überwachungsfunktion für industrielle Automatisierungssteuerungssysteme bereitgestellt.
  • MES (Manufacturing Execution System) ist ein Produktionsprozess-Ausführungssystem eines Produktionsunternehmens und ein Produktionsinformations-Managementsystem für die Ausführungsschicht des Produktionsunternehmens. MES kann dem Unternehmen Managementmodule, wie Produktionsdatenmanagement, Planungs- und Scheduling-Management, Produktionsplanungsmanagement, Bestandsmanagement, Qualitätsmanagement, Personalmanagement, Arbeitszentrum/Anlagenmanagement, Werkzeugmanagement, Beschaffungsmanagement, Kostenmanagement, Projektmanagement und Produktionsprozesssteuerung, Integration und Analyse der Daten der oberen Ebene, Integration und Zerlegung der Daten der unteren Ebene usw., zur Verfügung stellen, um eine solide, zuverlässige, umfassende und praktikable Management-Plattform für das Unternehmen einzurichten.
  • ERP-System ist die Abkürzung für Enterprise Resource Planning und beruht auf der Informationstechnologie. Es ist eine Integration von Informationstechnologie und fortschrittlichen Managementideen und dient zum Bereitstellen einer Management-Plattform für Entscheidungsmittel für die Mitarbeiter und die Entscheidungsebene des Unternehmens.
  • Digitaler Zwilling: ein Simulationsprozess der Integration von Multidisziplinen, multi-physikalischen Größen, Multiskalen, Multiwahrscheinlichkeiten unter Verwendung von physischen Modellen, Sensoraktualisierungen, Betriebsdaten usw.; der Zwilling in der virtuellen Raum wird erstellt, um den gesamten Lebenszyklus des realen Zwillings abzubilden. Dies wird auch als „Digital Mirroring“, „Digital Twins“ oder „Digital Mapping“ bezeichnet.
  • Wie in 5 gezeigt, wird das kundenspezifische Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops wie folgt durchgeführt: auf der Grundlage der 3D-Designplattform eines Drittanbieters werden die 3D-Modelle (Montagestandard/Struktur) der Einzelmaschinen, der Übertragung, der Be- und Entladung, der Lagerung, Bewegungsspuren der beweglichen Teile, Sensoren und Steuerskripte sowie Kommunikationsstandards zu einem Gegenstand verpackt. Ein Parametermodell dafür wird angefertigt. Eine kundenspezifische Gerätebank wird eingerichtet, um das kundenspezifische schnelle Design der Workshops zu unterstützen. Ein Downlink-Befehlskanal und ein Uplink-Informationskanal werden erstellt. Durch die Soft-SPS und SPS-Kommunikation, Netzwerkintegration, gemeinsam genutzte Datenstruktur und Makroobjekt, Datenbankzugriffskomponenten und andere Baugruppen kann die Kommunikation der Echtzeitbefehle und der Informationen vor Ort zwischen der Plattform und dem oberen MES-System sowie dem Motor und den untergeordneten Geräten unterstützt werden, um die physikalische Simulation und die halbphysische Simulation des Workshops zu stützen.
  • Das kundenspezifische Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops verwendet die SPS als Brücke und die digitale Zwillingstechnik, um einen Kommunikationskanal zwischen der Soft-SPS des digitalen Modells des Workshops und der SPS der physischen Anlagen des Workshops und der Konfigurationssoftware herzustellen, damit die Verbindung und die Kommunikation von Daten und Informationen realisiert wird. Durch die binäre Synchronisationstechnik für Downlink-Befehle und Uplink-Informationen wird die Echtzeitsynchronisation von Echtzeitdaten der physischen Geräte, Konfigurationsüberwachungsdaten und dreidimensionalen virtuellen Simulationsdaten realisiert, wodurch die Synchronisation von Bewegungen zwischen dem virtuellen Workshop (digitales Modell) und dem realen Workshop (physische Geräte) erzielt wird. Durch das Steuernetzwerk und das SCADA-System werden der Befehlskanal und der Informationskanal für den Datenaustausch eingerichtet. Durch den Downlink-Befehlskanal und den Uplink-Informationskanal wird die Verbindung und die Datensynchronisation des digitalen Zwillingsmodells mit dem oberen MES-System und dem intelligenten Management-System hergestellt.
  • Die Vorteile der Erfindung sind:
    1. (1) Das Designprojekt kann in drei Dimensionen betrachtet werden, wodurch die Designabweichung vermieden werden kann, die durch eine unzureichende Interaktion mit der Sprache oder den 2D-Zeichnungen zwischen dem Kunden und dem Designer verursacht wird, so dass die Konstruktionskorrekturkosten erheblich gesenkt werden.
    2. (2) Die Qualität des Designprojekts kann schnell bewertet und optimiert werden. In dem virtuellen Ausführungsmodus wird die Ausführungseffizienz des Designprojekts online analysiert und bewertet, wodurch die Designqualität optimiert und verbessert wird.
    3. (3) Der kundenspezifische Designzyklus wird stark verkürzt. Wie in 4 gezeigt, wandelt die Erfindung den herkömmlichen serialisierten kundenspezifischen Designprozess in einen parallelisierten Prozess um ; zunächst wird das traditionelle Gesamtprojektdesign durch den virtuellen Designprozess des Workshops ersetzt, wobei ein dreidimensionales digitales Zwillingsmodell des Workshops angefertigt wird, einschließlich des Workshoplayouts, der Bewegung der Geräte und der Bewegung der Erzeugnisse, wodurch die vollständige vorläufige Designoptimierung abgeschlossen wird; danach basieren alle Designer auf dem dreidimensionalen digitalen Zwillingsmodell des Workshops und führen gleichzeitig Forschung und Entwicklung für Einzelmaschinen, Steuersysteme und Ausführungssysteme durch; durch das virtuelle Steuernetzwerk und das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell werden eine Integration und eine Synchronisation abgeschlossen, wodurch der parallelisierte Entwicklungsprozess realisiert, das Designprodukt verringert und der Designzyklus verkürzt wird.
    4. (4) Der Integrationszyklus der gesamten Produktionslinie des Workshops wird erheblich verkürzt; durch die digitale Zwillingstechnik werden die physischen Geräte schrittweise integriert, um die verteilte Integration vor der Montage abzuschließen. Die Fehler der Kontrolllogik und der logistischen Konstruktion werden vermieden. Die gemeinsame Modifizierungszeit wird verkürzt. Der Raumbedarf und die Kapitalkosten werden reduziert.
  • Die technischen Prinzipien der Erfindung wurden oben in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben. Diese Beschreibung dient lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung und soll den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Basierend auf der Erläuterung hierin kann der Fachmann verschiedene andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entwickeln, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

  1. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops, das auf ein Designsystem für Smart-Workshops angewendet wird und die folgenden Schritte enthält: Schritt A: Erfassen und Modellieren in dem Simulationssystem gemäß den Konstruktionsanforderungsinformationen der Produktionslinie, und Erstellen eines digitalen Modells des Workshops und eines dreidimensionalen grafischen Modells jeder Einzelmaschine; Schritt B: Ausführen der Aktionsplanung jeder Einzelmaschine, der Planung der Logistik und der Bewegung des Produkts; Erstellen des Bewegungs- und Aktionssteuerungsskripts, und Durchführen einer Offline-Simulation bis der Offline-Betrieb normal ist; Schritt C: Herstellen eines Kommunikationskanals zwischen dem SPS-System des digitalen Workshop-Modells, dem SPS-System der Workshop-Anlagen und dem Host-Computer mit einer digitalen Zwillingstechnik; Realisieren einer Verknüpfung zwischen Daten und Informationen; Realisieren der Synchronisation in Echtzeit der Echtzeitdaten des physischen Geräts, der Überwachungsdaten des SCADA-Systems und der dreidimensionalen virtuellen Simulationsdaten durch die binäre Synchronisationstechnik des Downlink-Befehls und der Uplink-Informationen; und Erhalten des digitalen 3D-Zwillingsmodells des intelligenten Workshops; und Schritt D: Ausgeben des dreidimensionalen digitalen Zwillingsmodells des Workshops zu betrachten als Muster für das anschließende Design und die Entwicklung der Einzelmaschinen, des Steuersystems und des Ausführungssystems; Integrieren und Synchronisieren über das virtuelle Steuernetzwerk und das dreidimensionale digitale Zwillingsmodell; und Durchführen synchronen Online-Austestens.
  2. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen eines digitalen Modells des Workshops in Schritt A Folgendes enthält: Erstellen des Gesamtlayouts der Produktionslinie in Abhängigkeit von der Gebäudestruktur des Workshops und unter Berücksichtigung der Faktoren, sowie Workshop-Logistikart, Herstellungsprozess, Produktionsorganisationsform und Gerätegeometrie; Ausbilden der Produktionslinie des Workshops als linear oder L-förmig, wenn der Raum des Workshops eine schmale und lange Form hat und sich der Materialein- und -ausgang des Workshops auf verschiedenen Seiten des Workshops befinden, Ausbilden der Produktionslinie des Workshops als U-förmig, wenn der Raum des Workshops eine quadratische Form hat und sich der Materialein- und -ausgang des Workshops auf der gleichen Seite des Workshops befinden; und Ausbilden der Produktionslinie des Workshops als S-förmig, wenn sich der Materialein- und -ausgang des Workshops auf verschiedenen Seiten befinden.
  3. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstellen eines digitalen Modells des Workshops in Schritt A Folgendes enthält: Berücksichtigen der Kapazitätsbilanz des Workshops in Abhängigkeit von der ausgewählten Typnummer der Einzelmaschine, Ausführen der dreidimensionalen grafischen Modellierung des speziellen Geräts von den Einzelmaschinen und des Zwischengeräts, die Übertragungsgerät und Cachegerät umfasst, von den Einzelmaschinen; und Ausführen der virtuellen Montage des Workshops in Abhängigkeit von dem Produktionslinienlayout auf der dreidimensionalen virtuellen Designplattform.
  4. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Gerät und das stationäre Gerät klassifiziert werden, wenn in Schritt A die dreidimensionale grafische Modellierung des speziellen Geräts der Einzelmaschine erstellt wird.
  5. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C ferner Folgendes umfasst: Herstellen eines virtuellen Steuernetzwerks; Einrichten einer virtuellen Simulationsplattform mit der digitalen Zwillingstechnik, um die Einzelmaschine mit dem entsprechenden digitalen Einzelmaschinenmodell in dem digitalen Workshop zu synchronisieren; Integrieren des oberen MES-Systems mit dem digitalen Zwillingsmodul des Workshops, um eine Operation der gesamten Linie unter einem generierten MES-Befehl zu realisieren; und Zurückmelden des Ausführungszustands des digitalen Zwillingsmodells des Workshops an das MES, um einen Online-Simulationsbetrieb zu realisieren.
  6. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrieren des oberen MES-Systems in das digitale Modell des Workshops in Schritt C Folgendes umfasst: Herstellen des Befehlskanals und des Informationskanals über das Steuernetzwerk und die Konfigurationssoftware, um einen Datenaustausch durchzuführen; Realisieren der Verbindung und Datensynchronisation zwischen dem digitalen Zwillingsmodell des Workshops, dem oberen MES-System und dem intelligenten Managementsystem durch den Downlink-Befehlskanal und den Uplink-Informationskanal.
  7. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein selektiver Optimierungsschritt zwischen Schritt C und Schritt D vorhanden ist, umfassend: Simulieren der Vergabe von mehreren Aufträgen auf das MES-System; Analysieren der Auftragsabschlussrate, der Bilanzrate der Produktionslinie und der Anlagenauslastungsrate sowie der Anlagenrobustheit, -sprödigkeit und - flexibilität der gesamten Produktionslinie über die Betriebsergebnisse; Modifizieren des Designs des Smart-Workshops in Abhängigkeit von den Analyseindikatoren, um die Analyseindikatoren zu optimieren; und Zirkulieren dieses Vorgangs, um die Leistung des Workshops zu steuern.
  8. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem dreidimensionalen grafischen Modell der Einzelmaschine in Schritt A um ein 3D-CAD-Modell, das mit einer CAD-3D-Konstruktionssoftware erstellt wird, handelt, wobei die beweglichen Teile der Einzelmaschine im Modell unabhängig voneinander dargestellt und identifiziert werden können.
  9. Kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Host-Computer in Schritt C eine Konfigurationssoftware ist.
  10. Kundenspezifisches Schnelldesignsystem für Smart-Workshops, das das kundenspezifisches Schnelldesignverfahren für Smart-Workshops nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass das System Folgendes umfasst: einen Host-Computer, ein Simulationssystem und eine SPS-Steuerung, wobei das Simulationssystem, der Host-Computer und die SPS-Steuerung ein Kommunikationsnetzwerk der Informationen vor Ort und der digitalen Befehle bilden, das Simulationssystem, das zum Erfassen und Modellieren in dem Simulationssystem gemäß den Konstruktionsanforderungsinformationen der Produktionslinie, und zum Erstellen eines digitalen Modells des Workshops und eines dreidimensionalen grafischen Modells jeder Einzelmaschine dient, wobei das Simulationssystem und die physischen Einzelmaschinen gleichzeitig mit der SPS-Steuerung verbunden sind, die SPS-Steuerung, die ein Synchronisationssteuermodul umfasst, wobei das Synchronisationssteuermodul zum Betreiben einer Gleichaktion von dem Simulationsmodell der Produktionslinie und den physischen Einzelmaschinen durch Daten und zum Sammeln der Echtzeit-Zustandsdaten des Simulationsmodells der Produktionslinie und der physischen Einzelmaschinen dient, den Host-Computer, der ein Konfigurationsüberwachungssystem, ein ERP-System und eine MES-Steuereinheit umfasst, wobei das Konfigurationsüberwachungssystem zum Empfang der Echtzeit-Zustandsdaten dient, um eine Konfigurationsüberwachungsansicht zu erstellen und das Simulationsmodell der Produktionslinie und die physischen Einzelmaschinen in Echtzeit zu überwachen, die MES-Steuereinheit, die zum Senden eines Testbefehls an die SPS-Steuerung und zum Empfang Echtzeit-Zustandsdaten für Analyse dient, wobei Testergebnisse für die physischen Einzelmaschinen erhalten werden, und ein Designplan für Optimierung der Produktionslinie gemäß Testergebnissen von den physischen Einzelmaschinen erstellt wird.
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