木棉樹(shù)MCD虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)

一、前言

      1、應(yīng)用背景

       通常情況下，數(shù)字化工廠生產(chǎn)線建設(shè)周期長(zhǎng)、投資大、自動(dòng)化控制邏輯復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度與工作量比較多。按照常規(guī)生產(chǎn)線建設(shè)規(guī)律，越早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，整改的成本就越低，因此有必要在生產(chǎn)線正式生產(chǎn)、安裝和調(diào)試之前，在虛擬環(huán)境下對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行模擬調(diào)試，解決生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC程序控制等問(wèn)題。在模擬調(diào)試完成之后，再把調(diào)試好的程序移植到真實(shí)的生產(chǎn)線上。

      2、實(shí)現(xiàn)目的

       智能工廠生產(chǎn)線虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)，是數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的應(yīng)用拓展，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線在實(shí)際投入生產(chǎn)或集成之前，即可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真及測(cè)試，通過(guò)將產(chǎn)線的機(jī)械、自動(dòng)化、電氣系統(tǒng)的仿真技術(shù)結(jié)合，打造生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中即可對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行全方位的仿真及調(diào)試，助力企業(yè)縮短產(chǎn)線設(shè)計(jì)與調(diào)試周期，降低風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約成本，提升質(zhì)量與靈活性。

      3、系統(tǒng)概述

       虛擬調(diào)試系統(tǒng)可分Software inLoop（SIL）與Hardware inLoop（HIL）兩類環(huán)境。SIL把所有設(shè)備資源虛擬化，由虛擬控制器VRC、虛擬HMI、虛擬PLC模擬器、虛擬訊號(hào)及算法軟件等等進(jìn)行模擬仿真。HIL則是把全部設(shè)備硬件連接到仿真環(huán)境中，使用真實(shí)物理控制器、真實(shí)HMI、真實(shí)的I/O訊號(hào)與虛擬環(huán)境交互仿真。

       木棉樹(shù)MCD一體化虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)是屬于SIL類型，我們可以在SIL環(huán)境中驗(yàn)證通過(guò)后，可替換任一虛擬資源為真實(shí)設(shè)備，進(jìn)行部分驗(yàn)證，最終全替換為HIL，完成物理與虛擬映射的調(diào)試。

      4、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

       借助木棉樹(shù)MCD的VRC虛擬控制器實(shí)現(xiàn)與木棉樹(shù)MMSDT數(shù)字孿生的聯(lián)合虛擬調(diào)試，不需要真實(shí)的PLC硬件，即可完成PLC程序調(diào)試和生產(chǎn)線仿真驗(yàn)證。此種方式只需一臺(tái)PC即可完成聯(lián)合調(diào)試工作，不需要復(fù)雜的設(shè)置。運(yùn)用聯(lián)合虛擬調(diào)試相較于基于傳統(tǒng)可編程控制器的調(diào)試具有以下優(yōu)點(diǎn)：

       ①.縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期，減少停產(chǎn)時(shí)間；

       ②.更好的PLC程序和機(jī)器人軌跡質(zhì)量，并可重復(fù)測(cè)試；

       ③.在室內(nèi)即可完成調(diào)試，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程師的技能要求降低；

       ④.降低了調(diào)試成本；

       ⑤.在虛擬環(huán)境中測(cè)試程序，驗(yàn)證干涉區(qū)，降低碰撞事故與風(fēng)險(xiǎn)；

       ⑥.數(shù)字孿生仿真，直觀表達(dá)，所見(jiàn)及所得；

       ⑦.WebGPU高性能三維可視化渲染，自然光效真實(shí)還原，沉浸式體驗(yàn)。

      5、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

       木棉樹(shù)MCD一體化虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)支持四層系統(tǒng)仿真，分別是：控制層仿真、信號(hào)層仿真、設(shè)備層仿真、工藝層仿真。具有：卓越的易用性和設(shè)計(jì)便捷性、高度靈活的組態(tài)方式與開(kāi)放性、高設(shè)計(jì)效率、良好的可擴(kuò)展性和互操作性等主要特點(diǎn)。

（系統(tǒng)拓?fù)鋱D）

二、虛擬控制器

      1、實(shí)現(xiàn)目的

       虛擬控制器是木棉樹(shù)MCD虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)模塊，它可以模擬各種傳感器的輸入，執(zhí)行器的輸出和控制器的算法邏輯，它也可以模擬與實(shí)際控制器之間的通信接口，以便與其他ECU進(jìn)行交互，如CAN總線通信等。這樣就可以使用虛擬控制器驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)仿真和測(cè)試，驗(yàn)證生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC程序控制的功能和性能，同時(shí)優(yōu)化相應(yīng)的控制策略。

      2、PLC高級(jí)仿真器

       木棉樹(shù)MCD的VRC模塊可以作為虛擬控制器對(duì) S7、ET200等常用的PLC功能進(jìn)行全方位仿真。通過(guò)它可以在電腦中虛擬出一臺(tái) PLC，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC基本的程序邏輯模擬，還可以仿真通訊，安全程序等功能；通過(guò)PLCSIM Advanced，可以實(shí)現(xiàn)在電腦中虛擬出PLC，用于PLC仿真調(diào)試，還可以與 TIA Portal WinCC Runtime和經(jīng)典WinCC進(jìn)行通訊聯(lián)調(diào)。

      3、三維仿真驅(qū)動(dòng)

       它與MMSDT數(shù)字孿生三維仿真場(chǎng)景連通，形成一體化的仿真流程，進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，從而對(duì)PLC程序進(jìn)行全面驗(yàn)證，直觀表達(dá)，所見(jiàn)及所得。

      4、開(kāi)放式API

       同時(shí)，它支持開(kāi)放式的應(yīng)用程序編程接口（API），可以用于將虛擬PLC連接到其他軟件，或其他高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用。

三、節(jié)拍云圖

      1、實(shí)現(xiàn)目的

       節(jié)拍云圖是木棉樹(shù)軟件在FEA有限元應(yīng)力云圖上的擴(kuò)展表達(dá)，它是一種用于顯示生產(chǎn)線中的節(jié)拍頻率、物理干涉所產(chǎn)生的交變應(yīng)力分布情況的三維立體圖表。它源于廣義的馮米塞斯應(yīng)力準(zhǔn)則，用于分析和解讀產(chǎn)品在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的交變應(yīng)力狀態(tài)，幫助工程師評(píng)估生產(chǎn)節(jié)拍的周期頻率和穩(wěn)定性。

      2、三維云圖

       節(jié)拍云圖是一種三維的Mises應(yīng)力云圖，區(qū)別于簡(jiǎn)單的平面熱力圖，它能在三維立體的維度上渲染三維空間中的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，表達(dá)更為全面。

      3、顏色表示

       Mises節(jié)拍云圖使用顏色來(lái)表示交變應(yīng)力的強(qiáng)度。通常，高應(yīng)力區(qū)域使用紅色或暖色調(diào)表示，表示較高的應(yīng)力值，而低應(yīng)力區(qū)域使用藍(lán)色或冷色調(diào)表示，表示較低的應(yīng)力值。通過(guò)觀察顏色的變化，可以了解生產(chǎn)線中應(yīng)力的分布情況。

      4、表達(dá)解讀

       最大破壞點(diǎn)：節(jié)拍云圖中最明顯的特征是最大主應(yīng)力所在的區(qū)域。最大主應(yīng)力是生產(chǎn)線中最大的應(yīng)力值，通常對(duì)應(yīng)著生產(chǎn)線的破壞點(diǎn)。在節(jié)拍云圖中，這一區(qū)域通常呈現(xiàn)出高應(yīng)力的顏色，比如紅色。

       不穩(wěn)定的集中區(qū)域：節(jié)拍云圖還可以顯示出應(yīng)力集中的區(qū)域。這些區(qū)域通常是結(jié)構(gòu)中的幾何不連續(xù)或干涉集中的位置。這些區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力值，需要特別注意。

       節(jié)拍均勻性：通過(guò)觀察節(jié)拍云圖中顏色的分布情況，可以了解生產(chǎn)線的應(yīng)力均勻性。如果顏色呈現(xiàn)出較為均勻的分布，表示生產(chǎn)線的頻率分布相對(duì)均勻；如果顏色出現(xiàn)明顯的不均勻性，表示應(yīng)力集中或不均勻加載的可能性較高。

四、物理干涉

      1、實(shí)現(xiàn)目的

       干涉檢查是虛擬仿真調(diào)試工作中非常重要的一個(gè)步驟，尤其是機(jī)器人工具與工件、工裝夾具之間的碰撞干涉，更是重中之重。

       木棉樹(shù)MCD的物理干涉檢查模塊，通過(guò)設(shè)置生產(chǎn)線虛擬裝配的約束關(guān)系，利用路徑軌跡跟蹤、空間分解、包圍盒碰撞、葉子節(jié)點(diǎn)遞歸等數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上各生產(chǎn)單元的物理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢查，幫助工程師對(duì)安全區(qū)、干涉區(qū)的優(yōu)化驗(yàn)證，降低碰撞事故與風(fēng)險(xiǎn)。

      2、路徑軌跡跟蹤

       木棉樹(shù)MCD使用TCP路徑軌跡跟蹤功能來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的干涉檢查，這個(gè)功能能夠在機(jī)器人的TCP運(yùn)動(dòng)路徑上實(shí)時(shí)生成軌跡線條，通過(guò)觀察軌跡線條與周邊物體的交叉情況，就能快速的判斷出是否發(fā)生了干涉。

       路徑軌跡指令支持關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令、線性運(yùn)動(dòng)指令、圓弧運(yùn)動(dòng)指令和絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)指令。

      3、包圍盒碰撞

       碰撞檢測(cè)是為了判斷多個(gè)物體（幾何體）是否發(fā)生相交，由于任何一個(gè)物體都有可能與其他物體發(fā)生碰撞，則包含n個(gè)物體的碰撞檢測(cè)過(guò)程中，最壞的情況可能需要進(jìn)行n(n-1)/2 = O(n^2)次測(cè)試，平方時(shí)間復(fù)雜度通常會(huì)降低程序的運(yùn)行速度。為了減少這種情況的發(fā)生，木棉樹(shù)MCD的物理干涉檢查把碰撞檢測(cè)分為兩個(gè)階段。粗略測(cè)試階段（broad phase）-> 精確測(cè)試階段（narrow phase），包圍盒碰撞屬于粗略測(cè)試階段。

       粗略測(cè)試階段會(huì)通過(guò)簡(jiǎn)單的算法將即將可能會(huì)發(fā)生碰撞的物體劃分出來(lái)，在將這些物體送到精確測(cè)試階段，經(jīng)過(guò)精確測(cè)試判斷這些即將可能會(huì)發(fā)生碰撞的物體是否真的會(huì)發(fā)生碰撞，不去處理在這一時(shí)刻不會(huì)發(fā)生碰撞的物體。這樣可以降低精確測(cè)試的物體數(shù)，從而降低檢測(cè)的時(shí)間。木棉樹(shù)MCD的包圍體包括軸對(duì)齊包圍盒（AABB）、有向包圍盒（OBB）兩種計(jì)算方法。

      4、空間分解

       在物理干涉檢查中，木棉樹(shù)MCD使用了空間分解的方法來(lái)計(jì)算碰撞的精確測(cè)試階段，核心思想是將一個(gè)復(fù)雜的大空間劃分成若干個(gè)較小的、更易于處理或分析的小空間。我們采用了有限元法作為空間分解的計(jì)算方法，通過(guò)將連續(xù)的物理場(chǎng)離散化為有限數(shù)量的相互連接的元素（這里采用的是立方體），對(duì)每個(gè)元素建立方程并求解整個(gè)系統(tǒng)的近似解。

      5、葉子節(jié)點(diǎn)遞歸

       生產(chǎn)線中的自動(dòng)化設(shè)備，特別是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作使用了樹(shù)形結(jié)構(gòu)，在樹(shù)形結(jié)構(gòu)中，機(jī)器人的基座、腰部、臂部、手腕、指部各節(jié)點(diǎn)存在父子關(guān)系。我們從葉子節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)，通過(guò)遞歸的方式遍歷樹(shù)形結(jié)構(gòu)，獲取節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)、祖先節(jié)點(diǎn)等信息，并計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的路徑軌跡，從而判斷各節(jié)點(diǎn)可能存在的碰撞干涉，優(yōu)化驗(yàn)證。

      6、可視化仿真呈現(xiàn)

       有別于歐美虛擬調(diào)試軟件平淡的三維視覺(jué)畫(huà)面，木棉樹(shù)MCD集成了MMS3D渲染引擎和MMSDT數(shù)字孿生庫(kù)，加強(qiáng)了3D可視化的仿真表達(dá)，從干涉告警的光效表達(dá)，到物體移動(dòng)的環(huán)境光線追蹤，靈活的鏡頭控制、實(shí)時(shí)動(dòng)作仿真、破壞點(diǎn)標(biāo)注，更好的幫助了工程師優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍消除干涉問(wèn)題。

五、生產(chǎn)節(jié)拍

      1、實(shí)現(xiàn)目的

       生產(chǎn)平衡與生產(chǎn)節(jié)拍是工業(yè)生產(chǎn)中提高產(chǎn)能的重要指標(biāo)，生產(chǎn)平衡能提升效率、降低成本，需把握工序時(shí)間并改善瓶頸工序。生產(chǎn)節(jié)拍是連續(xù)完成相同產(chǎn)品的時(shí)間間隔，可用于合理分配人力或自動(dòng)化設(shè)備的工作頻率。

       而通過(guò)調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，達(dá)到生產(chǎn)平衡，提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能是木棉樹(shù)MCD虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)的核心能力。從而有效平衡各單元的工作負(fù)荷，減少設(shè)備閑置和等待時(shí)間，提升生產(chǎn)線的整體生產(chǎn)效率，確保在滿足生產(chǎn)需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置。

      2、分割作業(yè)

       如何讓流水線生產(chǎn)平衡，解決生產(chǎn)斷流、瓶頸工序的問(wèn)題，是木棉樹(shù)MCD生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)試模塊的主要作用。

       我們把各個(gè)生產(chǎn)單元作業(yè)分割，并行調(diào)節(jié)，整體串聯(lián)運(yùn)行，實(shí)時(shí)更新單元的運(yùn)行動(dòng)作，并且實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)“節(jié)拍云圖”、“物理干涉檢查”等模塊，可視化生產(chǎn)節(jié)拍仿真動(dòng)作。

      3、集成化仿真器

       生產(chǎn)節(jié)拍的調(diào)試是由木棉樹(shù)VRC虛擬控制器驅(qū)動(dòng)，針對(duì)快速調(diào)試、零代碼調(diào)試的需求，在同時(shí)滿足PLC模擬編程的同時(shí)，木棉樹(shù)MCD也同時(shí)內(nèi)置了集成化的PLC仿真器，把復(fù)雜的PLC模擬編程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的API數(shù)值，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)加減就能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

      4、生產(chǎn)看板

       通過(guò)數(shù)據(jù)圖表的方式展示生產(chǎn)線的平衡狀態(tài)，包括工位信息：每個(gè)生產(chǎn)單元的工作狀態(tài)（工作中、待機(jī)中）、生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)值、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。生產(chǎn)進(jìn)度：每分鐘的計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度的圖表、計(jì)劃產(chǎn)量和完成率、計(jì)劃產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量的時(shí)間圖表走勢(shì)。告警信息：告警時(shí)間、位置和類型，正常工作、空閑待機(jī)、異常干涉的時(shí)間圖表走勢(shì)等。

六、總結(jié)

       總之，數(shù)字孿生生產(chǎn)工藝的虛擬調(diào)試，工程師可以在物理生產(chǎn)線啟動(dòng)之前，通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬調(diào)試直觀發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，確保生產(chǎn)線在啟動(dòng)時(shí)能夠正常運(yùn)行，并且能夠模擬生產(chǎn)線的各種運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，使得工程師可以在虛擬環(huán)境中測(cè)試和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，確保產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定，減少生產(chǎn)線的停機(jī)時(shí)間，提高整體生產(chǎn)效率。

       木棉樹(shù)MCD虛擬調(diào)試仿真系統(tǒng)，結(jié)合了VRC虛擬控制器、MMSDT數(shù)字孿生、MMS3D三維渲染引擎、FEA有限元分析等多種技術(shù)棧，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)節(jié)、物理干涉檢查、交變應(yīng)力云圖分析等主要功能，滿足了在智能制造中提高生產(chǎn)效率，節(jié)省建設(shè)成本的目的。