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数字孪生:在产线投资之前就知道它是否可行?

Digital Twin的热度

全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续在2016和2017年将Digital Twin列为当年十大战略科技发展趋势,使得Digital Twin成为了这几年在IIoT、智能制造大潮中非常流行的词汇,然而这种景象总让人们以为它仅仅是一个处于“概念”阶段的词汇。

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图1-Gartner 2017年十大科技趋势

什么是Digital Twin?

最早定义“Digital Twin”的是美国密歇根大学的Michael Grieves教授在2003年提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”,并且他提议将数字孪生与工程设计进行对比,来更好的理解产品的生产与设计,在设计与执行之间形成紧密的闭环。

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图2-Michael Grieves教授于2003年提出“Digital Twin”概念

知名咨询公司德勤(Deloitte)也于2017年发布了“工业4.0与数字孪生”中对Digital Twin的架构进行了清晰的描述,德勤认为通过数字孪生企业可以实现产品快速面市、改善运营、创新的业务模式以及降低生产缺陷,图3则显示了其实现架构。

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图3-德勤关于数字孪生的架构

Digital Twin有什么用?

本文不是学术论文,我们需要把“Digital Twin”落在实处,简而言之,Digital Twin可以理解为在虚拟的世界对物理的生产线进行建模,并对其进行仿真,然后将其“下载”到物理世界,然后可以实时获取产线的生产状态,并对其进行数据进行统计呈现、传输至MES/ERP等,并接受来自产线调整的参数进行工艺换装。

贝加莱最新的ACOPOStrak的HMI中显示的虚拟系统与物理的系统是一一对应的,仿真系统可以实时读取控制器中ACOPOStrak当前的运行状态,并显示,另外,当仿真完成后,下载到控制器也可以直接驱动系统来执行。

Digital Twin有哪些应用场景?

通过Digital Twin,设计人员可以在以下几个方面下手

1.产线组装之前的验证

产线设计最难的地方在哪里?

做产线设计的人应该最清楚,对于制造而言,其产线设计最难的也是最耗费时间的是在验证阶段,因为一个产品的生产由多个工序构成,在每个工序输送系统的速度、加速度、间距等参数必须在负载下进行验证是否可行,而这个过程在传统上,需要实际的物理装置装配好以后才能进行。

2.虚拟调试

显然,虚拟调试是Digital Twin最为好的应用,对于工程师而言,在物理的产线未组装完成,甚至尚未采购前就开始开发程序,逻辑、运动关系,然后在系统里进行虚拟的参数调校,等系统组装完成,直接下载程序,即可实现快速的上电调试,而这个时候系统的参数优化、匹配已经在前期虚拟调试阶段完成了。

3.工艺换装时的验证

第二种情况是对已有的产线进行换装,但是,我必须要验证新的生产状态下,例如:新增的滑块、减掉滑块,系统是否可行?

尤其对于SuperTrak和ACOPOStrak这样的柔性传送系统,他们的底层都自带托盘防碰撞机制,这样即使程序出现错误,也不会导致托盘(或他们承载的产品)之间发生碰撞。这种机制对于产线安全极为重要。但是在正常运转的生产流程中,应该尽量避免防碰撞机制的触发,以免托盘不必要的反复加减速,导致增加系统散热和功率上的负担,甚至生产节拍的降低。Digital Twin可以完美地完成这个任务,它不仅可以仿真程序的内容,也可以完全一致地体现传送系统的防碰撞机制,这样在换装之前,我们就可以在仿真中完成防碰撞机制的规避。

数字孪生-在产线投资之前确保它是可行的

对于投资高昂产线的企业主而言,验证其是否可行非常必要,因此,SuperTrak和ACOPOStrak这种可以借助于Digital Twin实现预先的验证和规划,对于产线设计而言,非常关键:

(1)知道可以达到的水平,和为此而需要的最佳机电匹配;

(2)在机械安装完成前软件同步开发测试;

(3)工艺换装也可以提前规划;

图4反映了与德勤所提供的相似的数字孪生实现架构,通过工业现场的实时通信POWERLINK,以及集成开发平台Automation Studio、物理的对象SuperTrak/ACOPOStrak和ABB机器人,建模仿真软件、OPC UA实现的互联来构成整个产线的数字孪生架构。

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图4-基于Digital Twin思想的产线设计

它是如何实现的?

基于贝加莱集成开发平台Automation Studio开放的数字化连接能力,ACOPOStrak/SuperTrak所构成的数字孪生机电设计架构如图5所示:

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图5-贝加莱实现产线设计Digital Twin的架构

1.机电CAD设计软件提供了产线的物理尺寸与规格,包括了物理的输送段的几何尺寸、滑块的对应参数(尺寸,重量,中心坐标等)。

2.Automation Studio的控制:对于物理的滑块运动而言,其由x,y,z及旋转Φx,Φy,Φz构成,而机械的参数与这些控制模型结合,形成了对整个物理的控制对象的融合。

在Automation Studio中,SuperTrak/ACOPOStrak和机器人被协同在同一软件架构下实现协同,并下载到物理的控制器(一台工业PC)控制执行机构如伺服驱动器(用于控制机器人和周边设备),以及Trak的滑块。

3.Scene Viewer与CAD交互形成产线的几何图形显示,而Automation Studio则将实际运行的物理对象参数返回给Scene Viewer形成动态的图形显示。

4.当产线的机械参数发生变化时,由CAD系统提供新的参数给Automation Studio,Automation Studio将执行新的程序来调整SuperTrak/ACOPOStrak的滑块动作。

基于SuperTrak/ACOPOStrak的数字孪生设计,可以为产线提供全新的方法,并确保投资安全性,提高投资回报。