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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。



图1-Gartner 2017年十大科技趋势[1]


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[2]。



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DigitalTwin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。



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。


我们来看看贝加莱最新的ACOPOStrak和SuperTrak的数字孪生表现,先看段视频:(https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4MTQ5Mzk3OA==&mid=2658759583&idx=1&sn=87f6ff82c33ba7c9caa485724cc8111b&chksm=8419f92ab36e703c3c5944439f1ff95a6dbb6ed9048aef733914e20b39515d89ff1266302cfc&mpshare=1&scene=23&srcid=0130kB5DcghpL72dKTdsL6uD#rd




在这个视频中,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。



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:



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。


参考文献


[1]https://blogs.gartner.com/smarterwithgartner/files/2016/10/TopTenStrTechTrends2017_Infographic_Final.png


[2]Michael Grieves,Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual FactoryReplication,LLC,2014


[3]https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/cip/deloitte-cn-cip-industry-4-0-digital-twin-technology-en-171215.pdf




关于贝加莱


贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业,2017年7月,贝加莱成为ABB集团全球机器与工厂自动化业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者,贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力,为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境,贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神,为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。



发布时间:2019年1月30日 14:11 人气: 审核编辑:王妍

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