Digital Twin的熱度

全球最具權威的IT研究與顧問(wèn)咨詢(xún)公司Gartner連續在2016和2017年將Digital Twin列為當年十大戰略科技發(fā)展趨勢，使得Digital Twin成為了這幾年在IIoT、智能制造大潮中非常流行的詞匯，然而這種景象總讓人們以為它僅僅是一個(gè)處于“概念”階段的詞匯。

圖1-Gartner 2017年十大科技趨勢^[1]

什么是Digital Twin？

最早定義“Digital Twin”的是美國密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數字化表達”，并且他提議將數字孿生與工程設計進(jìn)行對比，來(lái)更好的理解產(chǎn)品的生產(chǎn)與設計，在設計與執行之間形成緊密的閉環(huán)^[2]。

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

知名咨詢(xún)公司德勤（Deloitte）也于2017年發(fā)布了“工業(yè)4.0與數字孿生”中對Digital Twin的架構進(jìn)行了清晰的描述，德勤認為通過(guò)數字孿生企業(yè)可以實(shí)現產(chǎn)品快速面市、改善運營(yíng)、創(chuàng )新的業(yè)務(wù)模式以及降低生產(chǎn)缺陷，圖3則顯示了其實(shí)現架構。

圖3-德勤關(guān)于數字孿生的架構

Digital Twin有什么用？

本文不是學(xué)術(shù)論文，我們需要把“Digital Twin”落在實(shí)處，簡(jiǎn)而言之，Digital Twin可以理解為在虛擬的世界對物理的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行建模，并對其進(jìn)行仿真，然后將其“下載”到物理世界，然后可以實(shí)時(shí)獲取產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)狀態(tài)，并對其進(jìn)行數據進(jìn)行統計呈現、傳輸至MES/ERP等，并接受來(lái)自產(chǎn)線(xiàn)調整的參數進(jìn)行工藝換裝。

貝加萊最新的ACOPOStrak的HMI中顯示的虛擬系統與物理的系統是一一對應的，仿真系統可以實(shí)時(shí)讀取控制器中ACOPOStrak當前的運行狀態(tài)，并顯示，另外，當仿真完成后，下載到控制器也可以直接驅動(dòng)系統來(lái)執行。

Digital Twin有哪些應用場(chǎng)景？

通過(guò)Digital Twin，設計人員可以在以下幾個(gè)方面下手

1.產(chǎn)線(xiàn)組裝之前的驗證

產(chǎn)線(xiàn)設計最難的地方在哪里？

做產(chǎn)線(xiàn)設計的人應該最清楚，對于制造而言，其產(chǎn)線(xiàn)設計最難的也是最耗費時(shí)間的是在驗證階段，因為一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)由多個(gè)工序構成，在每個(gè)工序輸送系統的速度、加速度、間距等參數必須在負載下進(jìn)行驗證是否可行，而這個(gè)過(guò)程在傳統上，需要實(shí)際的物理裝置裝配好以后才能進(jìn)行。

2.虛擬調試

顯然，虛擬調試是Digital Twin最為好的應用，對于工程師而言，在物理的產(chǎn)線(xiàn)未組裝完成，甚至尚未采購前就開(kāi)始開(kāi)發(fā)程序，邏輯、運動(dòng)關(guān)系，然后在系統里進(jìn)行虛擬的參數調校，等系統組裝完成，直接下載程序，即可實(shí)現快速的上電調試，而這個(gè)時(shí)候系統的參數優(yōu)化、匹配已經(jīng)在前期虛擬調試階段完成了。

3.工藝換裝時(shí)的驗證

第二種情況是對已有的產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行換裝，但是，我必須要驗證新的生產(chǎn)狀態(tài)下，例如：新增的滑塊、減掉滑塊，系統是否可行？

尤其對于SuperTrak和ACOPOStrak這樣的柔性傳送系統，他們的底層都自帶托盤(pán)防碰撞機制，這樣即使程序出現錯誤，也不會(huì )導致托盤(pán)（或他們承載的產(chǎn)品）之間發(fā)生碰撞。這種機制對于產(chǎn)線(xiàn)安全極為重要。但是在正常運轉的生產(chǎn)流程中，應該盡量避免防碰撞機制的觸發(fā)，以免托盤(pán)不必要的反復加減速，導致增加系統散熱和功率上的負擔，甚至生產(chǎn)節拍的降低。Digital Twin可以完美地完成這個(gè)任務(wù)，它不僅可以仿真程序的內容，也可以完全一致地體現傳送系統的防碰撞機制，這樣在換裝之前，我們就可以在仿真中完成防碰撞機制的規避。

數字孿生-在產(chǎn)線(xiàn)投資之前確保它是可行的

對于投資高昂產(chǎn)線(xiàn)的企業(yè)主而言，驗證其是否可行非常必要，因此，SuperTrak和ACOPOStrak這種可以借助于Digital Twin實(shí)現預先的驗證和規劃，對于產(chǎn)線(xiàn)設計而言，非常關(guān)鍵：

（1）知道可以達到的水平，和為此而需要的最佳機電匹配；

（2）在機械安裝完成前軟件同步開(kāi)發(fā)測試；

（3）工藝換裝也可以提前規劃；

圖4反映了與德勤所提供的相似的數字孿生實(shí)現架構，通過(guò)工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)通信POWERLINK，以及集成開(kāi)發(fā)平臺Automation Studio、物理的對象SuperTrak/ACOPOStrak和ABB機器人，建模仿真軟件、OPC UA實(shí)現的互聯(lián)來(lái)構成整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)的數字孿生架構。

圖4-基于Digital Twin思想的產(chǎn)線(xiàn)設計

它是如何實(shí)現的？

基于貝加萊集成開(kāi)發(fā)平臺Automation Studio開(kāi)放的數字化連接能力，ACOPOStrak/SuperTrak所構成的數字孿生機電設計架構如圖5所示：

圖5-貝加萊實(shí)現產(chǎn)線(xiàn)設計Digital Twin的架構

1. 機電CAD設計軟件提供了產(chǎn)線(xiàn)的物理尺寸與規格，包括了物理的輸送段的幾何尺寸、滑塊的對應參數（尺寸,重量,中心坐標等）。

2. Automation Studio的控制：對于物理的滑塊運動(dòng)而言，其由x,y,z及旋轉Φx,Φy,Φz構成，而機械的參數與這些控制模型結合，形成了對整個(gè)物理的控制對象的融合。

在A(yíng)utomation Studio中，SuperTrak/ACOPOStrak和機器人被協(xié)同在同一軟件架構下實(shí)現協(xié)同，并下載到物理的控制器（一臺工業(yè)PC）控制執行機構如伺服驅動(dòng)器（用于控制機器人和周邊設備），以及Trak的滑塊。

3. Scene Viewer與CAD交互形成產(chǎn)線(xiàn)的幾何圖形顯示，而Automation Studio則將實(shí)際運行的物理對象參數返回給Scene Viewer形成動(dòng)態(tài)的圖形顯示。

4. 當產(chǎn)線(xiàn)的機械參數發(fā)生變化時(shí)，由CAD系統提供新的參數給Automation Studio，Automation Studio將執行新的程序來(lái)調整SuperTrak/ACOPOStrak的滑塊動(dòng)作。

基于SuperTrak/ACOPOStrak的數字孿生設計，可以為產(chǎn)線(xiàn)提供全新的方法，并確保投資安全性，提高投資回報。

貝加萊將于2019年1月10日在上海漕河涇萬(wàn)麗酒店3樓舉辦“ACOPOStrak創(chuàng )新日”，歡迎您的關(guān)注！

參考文獻：

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

[2]Michael Grieves,Digital Twin: ManufacturingExcellence through VirtualFactory Replication,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

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個(gè)總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創(chuàng )新驅動(dòng)型自動(dòng)化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團全球機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)導者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個(gè)產(chǎn)業(yè)客戶(hù)提供機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化、運動(dòng)控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。貝加萊保持持續的創(chuàng )新精神，為客戶(hù)提供更為簡(jiǎn)化以及超出預期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。