一种基于数字孪生的智能工厂MES系统的制作方法

一种基于数字孪生的智能工厂mes系统
技术领域
1.本发明涉及企业管理系统技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的智能工厂mes系统。


背景技术：

2.传统制造执行系统的架构为层级结构，从下到上分别由设备层、控制层、数据层以及应用层组成，如图3。制造执行系统根据生产计划让下层的设备层进行生产工作，控制层反馈生产线状态、生产进度、作业执行状态给数据层，应用层依据系统反馈的实时数据，对整个生产过程进行监控，并调度整个生产活动。
3.传统的制造执行系统主要是实现管理的信息化和生产的自动化，但是缺少制造车间的虚拟仿真和三维可视化功能。传统的制造执行系统还有所欠缺，存在一系列不可忽视的问题。
4.缺少车间信息模型，无法进行仿真分析，导致实际的生产信息无法通过信息交流层及时反馈给车间生产线仿真系统，生产过程可视化程度不高；在传统信息化体系架构下缺少自主决策和仿真优化机制，既不能以模型为载体形成工业大数据，又不能有效支撑生产过程仿真分析，生产决策还主要由人来做，而智能工厂要求能够在制造过程中进行智能活动，尽可能地取代技术专家在制造过程中的脑力劳动，把生产自动化变得更加柔性化，智能化和高度的集成化；制造执行系统和车间控制系统耦合度高，不具备柔性生产管控能力，不易于新一代信息技术的融入，所以我们提出了一种基于数字孪生的智能工厂mes系统。


技术实现要素：

5.为了解决传统制造执行系统缺少自主决策和仿真优化机制，既不能以模型为载体形成工业大数据，又不能有效支撑生产过程仿真分析，生产决策还主要由人来做的问题，本发明的目的是提供一种基于数字孪生的智能工厂mes系统。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于数字孪生的智能工厂mes系统，包括有物理车间，所述物理车间是现场客观存在的实体集合；所述物理车间连接有孪生车间和管理系统，用于完成管理系统下达的生产加工任务，且用于按照孪生车间虚拟仿真优化之后进行生产活动；所述物理车间连接有孪生数据，用于对实时的数据采集和监管，所述孪生数据连接有看板系统，用于车间信息的展示。
7.优选的，所述孪生车间通过三维建模技术、模型渲染技术对物理车间静态参数与设备动态逻辑的描述；
8.在生产之前，孪生车间对车间生产计划和生产活动进行虚拟制造并迭代仿真优化，模拟整个生产加工过程，将虚拟生产的仿真分析结果反馈到孪生数据系统中；
9.在生产环节中，物理车间将设备状态数据、生产调度数据、物料消耗数据等实时数据反馈给孪生车间，孪生车间依据收到的物理车间数据持续地完善自己的孪生模型和仿真分析能力，同时对物理车间进行实时的调控、监控以及预测。
10.优选的，所述管理系统用于接收由孪生数据上传的各类数据并利用这些数据为工厂提供数字化服务，提供用户个性化下单定制生产，对生产设备、生产计划、生产活动、生产工艺流程、生产要素等的管理控制和优化服务。
11.优选的，所述孪生数据包含物理车间数据、孪生车间数据、看板系统数据和管理系统数据，以及四者交互融合后的衍生数据；
12.物理车间数据用于描述构成物理车间的设备类型、灯光、排列布局等物理属性数据以及能够反映物理车间运行状态、突发扰动的动态过程数据，物理属性数据主要由设备厂方提供或实地测量，动态过程数据则通过传感器、设备接口、车间控制器、物联网技术等进行采集；
13.孪生车间数据包括与孪生车间运行的数据和运行所需的数据，能够表示物理车间的模型相关数据以及开展的虚拟仿真和评估数据；
14.管理系统数据包括企业管理数据、网页订单数据、数据库操作与人机交互数据；
15.看板系统数据包括物理车间以及孪生车间实时状态以及管理系统数据；
16.衍生数据包括仿真优化决策数据、决策规则、行业标准、历史数据、协议服务、常用算法、常用模型库、常用数据接口。
17.优选的，所述看板系统包括三维虚拟场景以及二维状态看板；
18.三维虚拟场景能够从物流、设备、产品三个方面对车间制造过程实现可视化管控，对生产状况实现快速响应；
19.二维状态看板利用数据报表、二维图表详细展示各类生产资源信息。
20.与现有技术相比，本发明实现的有益效果：
21.本发明，孪生数据作为整个制造执行系统的中枢，以此收集全面的制造数据和仿真数据从而工业大数据，并持续的完善孪生车间的设备孪生模型，从而为优化决策支持提供基础；
22.本发明，借助数字孪生的工业数据分析、虚拟制造和生产仿真分析功能，实现了车间的智能化管控；
23.本发明，孪生数据为系统数据提供了集成与共享平台，消除了信息孤岛，而且可以不断更新和扩充自身的数据，形成了企业统一的数据源，更加符合未来多变的智能工厂的管控需求；
24.本发明，采用虚拟模型构建方法建立孪生车间，采用物理车间控制器数据驱动实现孪生模型的实时动作，模型驱动实现孪生生产线的实时映射，从而准确地描述车间动态行为，管理系统和看板系统读取孪生数据实现对系统的管控，最终在实际项目上应用实现数字孪生的mes系统。
附图说明
25.以下结合附图和具体实施方式来进一步详细说明本发明：
26.图1为基于数字孪生的智能工厂mes系统的示意图；
27.图2为数字孪生的mes系统开发流程示意图；
28.图3为传统制造执行系统的示意图。
具体实施方式
29.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
30.请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
31.实施例1，基于数字孪生的智能工厂mes系统，包括有物理车间，物理车间是现场客观存在的实体集合；物理车间连接有孪生车间和管理系统，用于完成管理系统下达的生产加工任务，且用于按照孪生车间虚拟仿真优化之后进行生产活动；物理车间连接有孪生数据，用于对实时的数据采集和监管，孪生数据连接有看板系统，用于车间信息的展示。
32.实施例2，结合传统制造执行系统的模型的基础和实际需求，加入了孪生车间和孪生数据，提出基于数字孪生的智能工厂mes系统模型框架，孪生数据作为整个制造执行系统的中枢，以此收集全面的制造数据和仿真数据从而工业大数据，并持续的完善孪生车间的设备孪生模型，从而为优化决策支持提供基础。数字孪生mes系统框架如图1。
33.(1)易于实现生产过程的可视化，提升车间的数字化水平
34.通过与数字孪生技术的融合，构建反映实际加工进度的三维孪生设备模型，通过动画、数据面板等技术手段更加形象直观地展示车间生产过程[45]。综合应用虚拟现实技术、数据可视化技术等，对整个车间进行可视化监控。此外，用户对三维虚拟模型进行的操作，能够实时地反馈到实际的生产设备上对其进行调控。
[0035]
(2)为制造执行系统提供虚拟仿真，实现优化分析和自主决策机制
[0036]
孪生车间是在计算机虚拟空间对物理车间的等价映射，对应着物理车间的行为和功能，例如当系统接收到下达的个性化生产计划后可以在孪生车间先进行虚拟制造，对设备的生产能力、物料消耗、交付期、质量等进行仿真分析，将结果反馈给管理系统。而且可以接收物理车间反馈的生产数据，持续的完善仿真分析算法，经过长时间的数据积累和算法优化后，系统就可以尽可能的代替人工进行生产决策，而不用像传统的制造执行系统那样直接接收下达的生产计划进行生产组织。
[0037]
(3)能够很好的支撑数据采集和工业大数据
[0038]
所有与生产相关的数据都要流经孪生数据模块，采集的物理车间的实时数据也要流入数字孪生，例如加工时间、生产进度、时间戳、设备编码、设备行为等，数字孪生系统汇总全面的生产数据后存入工业大数据。
[0039]
(4)易于新一代信息技术的融入
[0040]
基于数字孪生的制造执行系统更易于新一代信息技术的融入，例如可以利用数字孪生技术融入工业大数据、云计算等[46]。同时可以向vr、ar系统提供场景化的三维模型数据，将vr、ar系统融入制造执行系统。
[0041]
数字孪生智能工厂mes系统的组成：
[0042]
基于数字孪生的智能工厂mes系统主要物理车间、孪生车间、管理系统、孪生数据以及看板系统组成。
[0043]
(1)物理车间
[0044]
物理车间是数字孪生智能工厂mes系统的构成前提，主要包含实际的车间现场，指的是现场客观存在的实体集合，有生产原料、车间设备、工装资源，完成管理系统下达的生产加工任务是物理车间的主要职能，并且可以按照孪生车间虚拟仿真优化之后进行生产活动[47]。对其实时的数据采集和监管是建立数字孪生mes系统的前提和目的。与传统的制造车间相比，数字孪生物理车间既要包含传统制造车间的作用与功能，还要具备车间数据信息的传输和接收能力，这需要利用到各类传感器以及数据通信转换设备来实现生产信息数据的传输与转换。
[0045]
(2)孪生车间
[0046]
孪生车间是数字孪生智能工厂mes系统的核心，其本质是是物理车间的数字化表达，通过三维建模技术、模型渲染技术等对物理车间静态参数(形状、尺寸、位置等)与设备动态逻辑(受力、行为规则等)的描述，使其与物理车间具有良好的时空一致性。
[0047]
在生产之前,孪生车间对车间生产计划和生产活动进行虚拟制造并迭代仿真优化，模拟整个生产加工过程，将虚拟生产的仿真分析结果反馈到孪生数据系统中，可以及时发现在生产过程中可能出现的问题，并对其进行实时调整和改进。
[0048]
在生产环节中，物理车间将设备状态数据、生产调度数据、物料消耗数据等实时数据反馈给孪生车间，孪生车间依据收到的物理车间数据持续地完善自己的孪生模型和仿真分析能力。同时，孪生车间逼真的三维可视化效果可以让用户身临其境，增强交互感，对物理车间进行实时的调控、监控以及预测。
[0049]
(3)管理系统
[0050]
管理系统是数字孪生智能工厂mes系统智能化的支撑，其职能是接收由孪生数据上传的各类数据并利用这些数据为工厂提供数字化服务，如提供用户个性化下单定制生产，对生产设备、生产计划、生产活动、生产工艺流程、生产要素等的管理控制和优化服务。
[0051]
(4)孪生数据
[0052]
孪生数据是数字孪生智能工厂mes系统运行的驱动。包含了物理车间数据、孪生车间数据、看板系统数据和管理系统数据以及四者交互融合后的衍生数据。
[0053]
①
物理车间数据主要用于描述构成物理车间的设备类型、灯光、排列布局等物理属性数据以及能够反映物理车间运行状态、突发扰动的动态过程数据，物理属性数据主要由设备厂方提供或实地测量，动态过程数据则通过传感器、设备接口、车间控制器、物联网技术等进行采集；
[0054]
②
孪生车间数据主要包括与孪生车间运行的数据和运行所需的数据，如能够表示物理车间的模型相关数据(包括几何尺寸、模型位置、运行机制和约束关系)以及开展的虚拟仿真和评估数据；
[0055]
③
管理系统数据主要包括企业管理数据、网页订单数据、数据库操作与人机交互数据等；
[0056]
④
看板系统数据包括物理车间以及孪生车间实时状态以及管理系统数据；
[0057]
⑤
衍生数据包括仿真优化决策数据、决策规则、行业标准、历史数据、协议服务、常
用算法、常用模型库、常用数据接口等。
[0058]
孪生数据为系统数据提供了集成与共享平台，消除了信息孤岛，而且可以不断更新和扩充自身的数据，形成了企业统一的数据源，更加符合未来多变的智能工厂的管控需求。
[0059]
(5)看板系统
[0060]
看板系统是数字孪生智能工厂mes系统的展示维，车间信息可以在这一维度上进行展示。主要包括三维虚拟场景以及二维状态看板。
[0061]
①
三维虚拟场景。车间生产过程的复杂程度越来越高，以三维虚拟场景作为主要监控方式，能够从物流、设备、产品三个方面对车间制造过程实现可视化管控，对生产状况实现快速响应。
[0062]
②
二维状态看板如监控大屏、手机平板等。二维状态看板虽然在可视化效果上不如三维模型直观，但是在统计信息属性(数量、时间、文字等)方面具有不可替代的作用，可利用数据报表、二维图表详细展示各类生产资源信息。
[0063]
实施例3，基于数字孪生的mes系统开发流程2所示。
[0064]
物理车间到孪生车间的映射是实现数字孪生智能工厂mes系统的要点所在，为建立实时且准确的映射过程，采用虚拟模型构建方法建立孪生车间，采用物理车间控制器数据驱动实现孪生模型的实时动作，模型驱动实现孪生生产线的实时映射，从而准确地描述车间动态行为，管理系统和看板系统读取孪生数据实现对系统的管控，最终在实际项目上应用实现数字孪生的mes系统。主要开发内容包括静态车间孪生模型的构建、三维可视化软件开发、动态孪生车间控制以及管理系统的设计。
[0065]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种基于数字孪生的智能工厂mes系统，包括有物理车间，其特征在于：所述物理车间是现场客观存在的实体集合；所述物理车间连接有孪生车间和管理系统，用于完成管理系统下达的生产加工任务，且用于按照孪生车间虚拟仿真优化之后进行生产活动；所述物理车间连接有孪生数据，用于对实时的数据采集和监管，所述孪生数据连接有看板系统，用于车间信息的展示。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能工厂mes系统，其特征在于：所述孪生车间通过三维建模技术、模型渲染技术对物理车间静态参数与设备动态逻辑的描述；在生产之前，孪生车间对车间生产计划和生产活动进行虚拟制造并迭代仿真优化，模拟整个生产加工过程，将虚拟生产的仿真分析结果反馈到孪生数据系统中；在生产环节中，物理车间将设备状态数据、生产调度数据、物料消耗数据等实时数据反馈给孪生车间，孪生车间依据收到的物理车间数据持续地完善自己的孪生模型和仿真分析能力，同时对物理车间进行实时的调控、监控以及预测。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能工厂mes系统，其特征在于：所述管理系统用于接收由孪生数据上传的各类数据并利用这些数据为工厂提供数字化服务，提供用户个性化下单定制生产，对生产设备、生产计划、生产活动、生产工艺流程、生产要素等的管理控制和优化服务。4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能工厂mes系统，其特征在于：所述孪生数据包含物理车间数据、孪生车间数据、看板系统数据和管理系统数据，以及四者交互融合后的衍生数据；物理车间数据用于描述构成物理车间的设备类型、灯光、排列布局等物理属性数据以及能够反映物理车间运行状态、突发扰动的动态过程数据，物理属性数据主要由设备厂方提供或实地测量，动态过程数据则通过传感器、设备接口、车间控制器、物联网技术等进行采集；孪生车间数据包括与孪生车间运行的数据和运行所需的数据，能够表示物理车间的模型相关数据以及开展的虚拟仿真和评估数据；管理系统数据包括企业管理数据、网页订单数据、数据库操作与人机交互数据；看板系统数据包括物理车间以及孪生车间实时状态以及管理系统数据；衍生数据包括仿真优化决策数据、决策规则、行业标准、历史数据、协议服务、常用算法、常用模型库、常用数据接口。5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能工厂mes系统，其特征在于：所述看板系统包括三维虚拟场景以及二维状态看板；三维虚拟场景能够从物流、设备、产品三个方面对车间制造过程实现可视化管控，对生产状况实现快速响应；二维状态看板利用数据报表、二维图表详细展示各类生产资源信息。

技术总结
本发明公开了一种基于数字孪生的智能工厂MES系统，包括有物理车间，所述物理车间是现场客观存在的实体集合；所述物理车间连接有孪生车间和管理系统，用于完成管理系统下达的生产加工任务，且用于按照孪生车间虚拟仿真优化之后进行生产活动；所述物理车间连接有孪生数据，用于对实时的数据采集和监管，所述孪生数据连接有看板系统，用于车间信息的展示，本发明涉及企业管理系统技术领域。本发明，解决传统制造执行系统缺少自主决策和仿真优化机制，既不能以模型为载体形成工业大数据，又不能有效支撑生产过程仿真分析，生产决策还主要由人来做的问题。来做的问题。来做的问题。


技术研发人员：徐晓光 孙晓云 郝旭耀 储梓强 汪龙 刘宇 赵玉婷 洪瑶 余华芝 陈镇 沈东东 王秋生 叶炯 王奇凯
受保护的技术使用者：安徽佐标智能科技有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/22