基于现实和虚拟工厂之间结合的高效制造系统实现外文翻译资料

 2022-09-14 19:57:44

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国际生产研究杂志，
卷. 44，第18-19，9月15日 - 12006年10月，3897-3915

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基于现实和虚拟工厂之间结合的高效制造系统实现

H.HIBINO , T. INUKAI and Y. FUKUDA

JSPMI（日本机械促进协会），技术研究所1-1-12, Hachiman-cho, Higashikurume,，东京，日本，203-0042.

工厂自动化部，电装波形结合1-1, Showa-cho, Kariya

Aichi, 日本, 448-8661.

工业系统与工程系，政法大学，3-7-2, Kajino-cho,

Koganei, 东京，日本， 184-8584.

目前，在真正应用于工厂之前，设备控制程序的评估方法， 如梯形程序的可编程逻辑控制器（可编程控制器），同时在计算机上结合和实时同步设备和虚拟工厂的模型，尚未开发出来。在设计阶段定义的数据只能用于虚拟工厂模型，不能再用于实际执行阶段。从设计阶段到实施阶段，这些困难阻止了快速制造系统工程的进程，无法提供精确和快速支持。本文首先提出了一种连接实体工厂和虚拟工厂的中间环境。这个环境包括一个分布式实时仿真加工环境（DRMSE)和分布式仿真环境（DSE).DRMSE在实施于真实工厂前，需要创建评估设备的控制程序，与此同时，实时同步设备和虚拟工厂模型。生产设备模拟器，是指使用真实环境中的数据和信号来模拟设备的动作。DRMSE提出：逻辑连接现实世界的软布线系统以及在生产设备模拟器上模拟现实数据。最后对协同工作的表现进行评价。

关键词：制造系统；仿真；虚拟制造；可编程控制器；制造系统工程；分布式仿真；现实和虚拟。

  1. 说明

对于卖家来说，当产品在市场上很难保持高利润时，工业需要设计和制造新的产品来满足快速增长的市场需求（Mehrabi et al.2000,Hibino 2003,Molina et al. 2005).现在重要的是，需要减少从制造系统的设计阶段到制造系统的实施阶段的周期。（Mehrabi et al.2000,Fukuda 2003,Molina et al. 2005).基于我们的分析，为了提升实施制作系统的进程（Hibino et al.1999,Hibino 2003,Hibino and Fukuda 2005相关作者Email邮箱：hibino@tri,jspmi.or.jp)在制造系统设计阶段，制造系统模拟器在使用虚拟工厂模型来设计和评估制造系统时起着重要作用。（Williams 和Celik 1998,Hibino et al.1999,Lu和Sundaram 2002,Hibino 2003,Schneider 2003,Wohlke和Schiller 2003, Mitsuyuki et al.2004,Kim et al.2005).在制造系统的实施阶段，为现实工厂写一个设备控制的评估软件是很重要的。比如可编程控制器里的梯形图。（Fukuda 2003).通常来说设备控制软件不仅是像个机器人一样控制单一的设备，而且还得经常控制几种不同的设备（Pries和Costa 2000,Hong et al.2001).因此，程序的内容通常很复杂。因此在真实设备上执行程序之前评估程序是非常重要的。关于设备的控制程序，它就像机器人程序或者数控程序的一部分。所以现在我们可以在电脑上去评估一个程序。（Asakawa et al.2002,Narita et al. 2002,Biggs和 MacDonald 2003, Milfelner和Cus 2003, Monreal 和Rodriguez 2003).然而，在应用于车间里的实际生产中之前，需要评估设备控制程序的方法，就像对待程序控制器里的梯形语言一样。然而，在电脑上实时同步现实设备和虚拟生产模型的程序还未被开发。在另一方面，比如在被定义为设计阶段的虚拟生产模型中的数字数据，是不能直接使用在实际生产阶段的，因为这种在实际生产中直接使用数字数据的方法并没有在文中提出。从设计阶段到实际生产阶段，这些困难使得生产系统工程的精确和快速反应不能实现。因此，他们之间的周期很长。

在本文中，为了减少从设计阶段到实际生产阶段的周期，提出了一种连接现实生产和虚拟生产的一个中间环境。这个环境包括一个分布式实时仿真加工环境（DRMSE)和分布式仿真环境（DSE).DRMSE在实施于真实工厂前，需要创建评估设备的控制程序，与此同时，需要同步实时设备和虚拟工厂模型。这就是本文所提出的一些建议。生产设备模拟器，使用真实环境中的数据和信号来模拟设备的动作。DRMSE提出了，逻辑连接现实世界的软布线系统以及在生产设备模拟器上模拟现实数据。ORiN 是一个用于DRMSE和制造系统的标准的分布式网络系统。最后，对协同工作的性能进行了评估。

  1. 连接设计阶段和实际生产阶段的中间环境

制造系统被定义为ISO标准里的CIM参考模型。（ISO/TR10314-1).在CIM参考模型中制造系统被分成六层。基底层的下面三层，第三层由硬件设备和作为设备控制程序的软件组成。在第四层以上的另外三层包括控制和管理硬件的软件和基底层以下的软件。

图一说明了制造系统的体系结构和使用CIM参考模型的仿真应用范围。利用制造系统仿真，可以从设备层的第一层到企业层的第六层来评价制造系统。然而，作为制造业的主要目的之一，系统仿真是对材料的流动和信息流进行评估，单一的仿真只是关注发生在瞬间的事件，比如设备的启动，设备的停止等。然而，还是很难严格的说明设备的实际动作和仿真中的设备控制程序关系。因此，这是唯一能够精确的表示材料的流动性和信息流细节的方法，虽然我们还是很难用设备控制程序来评估设备的动作。所以有必要划分成设计阶段和实施阶段两个部分。如果一个仿真可以进行，同时同步设备的控制程序。这不仅仅是代表能使用仿真中的数字数据和提升仿真结果的准确性，而且我们可以在现实工业生产实施以前去评估检测这个程序。这也就意味着我们可以在制造系统实施阶段再次使用这个程序。因此，我们研究所提出的连接设计阶段和实施阶段的中间环境得以实现。这个环境可以提供方法和应用程序，用以同步制造系统仿真和执行设备控制程序和现实设备的控制器，比如机器人，机械设备，输送机等。

中间环境包括两个子环境。其中一个子环境是分布式实时制造仿真环境（DRMSE). DRMSE的主要作用是在进入实际生产环节之前，在实时同步现实设备和虚拟生产模型的时候评估设备控制程序。另外一个子环境是分布式仿真环境。DSE的主要作用是在设计阶段，连接DRMSE和生产系统仿真器。当连接和同步几个不同的仿真器时，分布式仿真被定义为同一个仿真执行结果。（Fujimoto 1990,Kuhl et al .1999, Fujii et al .2000,Taylor 2004,Mclean et al. 2005,Mertins et al.2005,Robinson 2005).我们已经研究了用于制造系统评估的分布式仿真技术。（Hibino和Fukuda 2002, Hibino et al. 2002, Hibino 2003, Hibino和Fukuda 2005).同样分布式仿真技术也应用于DSE.

从设计阶段到实施阶段，两个子环境一直被用来为制造系统工程过程提供支持。图2画出了中间环境的简略图，本文中，我们将在接下来的章节中详细讲述DRMSE.

  1. 分布式实时仿真环境将显示和虚拟生产结合起来

DRMSE需要通过实时同步设备控制器，现实设备和设备仿真器来仿真设备的动作，为了实现这个要求，以下几个功能是必需的。

  1. 模拟设备动作的仿真功能需要使用来源于现实世界的数据和信号，现实世界包含现实设备控制器和现实设备仿真器。
  2. 布线功能是用逻辑线把现实世界数据和仿真环境数据连接起来，仿真环境是依据在仿真环境下实现模拟功能建立的。
  1. 发送器的功能是在没有明确现实设备控制器，实际设备和仿真器之间区别时，发送现实世界和仿真环境之间的数据和信号。
  2. 网络接口功能是连接现实设备控制器，实际设备和他们之间的无差异意识模拟器。

为了实现这个功能，我们打算用一个生产设备模拟器来完成（1）的模拟功能，以及实现（2)信号布线功能的软布线系统。欧林标准中的网络结构体系提供了（3）传输功能和（4）网络接口功能来实现现实设备控制器，现实设备以及他们之间无差别意识的模拟器之间的连接。欧林标准是一个基于面向对象技术的，用于制造系统的标准分布式网络系统。（Inukai和Sakakibara 2004,Mizukawa和Sakakibara 2004).欧林标准提供了两个层级，分别为引擎层和提供层。提供层可以合并设备控制器类型差异和现实设备和模拟器之间的差异。图3是欧林标准的概述图。图4是DRMSE的概述图。

  1. 软布线系统

在实际生产中，设备控制器和设备之间的线路连接是用硬件连接实现的。在实际生产之前，当DRMSE被使用时，我们需要评估采用非硬线法连接的设备控制器上的设备控制程序。与此同时，同步虚拟生产模型，现实设备和仿真器。因此一个逻辑连接现实世界数据和仿真世界数据的软布线系统是非常有必要的。控制设备器上有很多不同类型的数据，如整型、实型、字符型、布局类型和结构类型等。为了使用来源于现实世界的的信号和数据来模拟设备的动作，将现实世界的数据（或仿真环世界）转换成模拟世界（或现实世界）可使用的数据非常有必要。现实世界的意思就是一个由现实设备控制器，实际设备，和实际设备仿真器所组成的世界。仿真世界的意思就是一个由设备仿真模型组成的世界。因此软布线系统的功能是逻辑连接现实世界数据和仿照仿真世界所得来的仿真数据，以此来实现模拟功能。软布线系统位于两个世界之间。

软布线系统需要有以下功能。

  1. 当对数据进行转换和传输时，需要逻辑连接现实世界和仿真世界之间的数据，以此来实现对数据类型的反应功能。
  2. 数据转换和数据计算功能，比如BCD码（十进制）的数据转换，数据屏蔽以及数据类型转换等。
  3. 对于超过限制值的死区数据，系统具有过滤功能。
  4. 具有记录数据转换日志，以此评估动作序列时序图的功能。

包括四个功能的软布线系统是在C 语言上开发的。图5给出了软布线系统的概略图。图6显示了所开发的软布线系统的定义窗口。

5.生产设备模拟器

在实际生产中，当同步实时设备时，可以通过生产物料流量来评估设备控制程序。在DRMSES实现工厂实际生产之前，我们是不可能用同样的方式去评估设备控制程序的。因此，当实时同步生产控制器，实际设备，实际设备模拟器以及虚拟生产模型时，我们需要一个模拟生产物料流量的空间。我们计划用生产设备模拟器来构造这个空间。

设备控制器使用来源于现实世界的信号和数据通过软布线系统，来模拟设备动作。生产设备模拟器至少需要具有以下几个功能。

  1. 具有对于设备模拟模型的动作定义功能。
  2. 来源于真实世界的信号和数据，通过软布线系统对于设备动作的结果进行实时同步，来构造可视化3D设备模型，且具有动画演示功能。
  1. 具有连接功能，将仿真器上的数据与真实世界数据通过软布线系统连接。

我们提出的这个规则可以表示成一个树状结构。计算机程序的单一任务被定义为树状结构的一个节点，。复杂的任务可以通过结合不同的几个节点来定义，我们提出了四种类型的节点。

  1. 流量控制节点，例如分支，连接和触发。
  2. 链路节点，将模拟器上的数据连接到软布线系统。
  3. 动画控制节点，用来执行动画演示功能。
  4. 关联节点，用于关联一些可选功能。

类型（2）连接节点可以参考通过软布线系统的真实世界数据。然后，仿真世界里的虚拟生产模型会对来源于现实世界的参考数据进行回应。这些节点同样可以通过软布线系统传送出数据到真实世界数据中。然后，真实世界中的设备控制器响应传出数据执行操作。图7显示了生产设备模拟器的概略图。

生产设备模拟器是在C 语言环境中开发的。图8显示了生产设备模拟器的开发窗口。

  1. 范例分析

6.1性能测试情况

因为软布线系统位于实际设备和生产设备模拟器之间，所以对于DRMSE，确保软布线系统性能良好就非常重要，比如其所涉及的数据抽样精度和响应时间。因此，从这两个方面出发，我们得出了需要确保软布线系统性能良好的结论。图9列出了性能测试条件。

首先，为了保证数据抽样精度，我们比较了设定值和测量值之间的差异。对于每个设备控制器，采样率分别设置为100,200和300毫秒。每个控制器有100个组件，每个组件有四个字节的数据。软布线系统的进程优先级设置为普通，这台电脑的处理器为奔腾1.6兆赫。在这种情况下，使用共享内存来避免响应速度色散对设备响应的影响。图10显示数据采样精度的结果。我们从中发现，可以准确采样的数据的标准偏差约为0.3-0.5 .

其次，我们检查了读写数据的响应时间。4个字节的数据的读写在一个周期内完成。其他情况跟第一种案例研究一样。图11显示了响应时间的结果。在这些情况下，响应时间在一秒后稳定下来，平均响应时间稳定为0.256毫秒。软布线系统是在微软界面上实现的，这不是一个实时操作系统，但是这个响应时间已经足够处理非特殊用途的程序。通过这些性能测试，我们证实软布线系统的采样

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