一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制系统

1.本发明设计光缆智能制造领域，特别涉及一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制系统。


背景技术：

2.光缆是通信、互联网行业发展的基石，光缆为代表的线缆行业是国内仅次于汽车行业的第二大制造行业，产品品种满足率和市场占有率超90％。紧包就是在光纤的外层加上一层很薄的护套进行保护，避免内部光纤受到外界机械、热、化学以及水分的影响。在生产室内光缆的所有工艺流程中，紧包光纤的生产是不可缺少的一道工序。该生产线在生产时主要存在两方面的问题：(1)紧包光纤内部的光纤易断；(2)同一条生产线上采用相同工艺生产的光缆，光纤损耗也各不相同。通过对生产线的设备、工艺流程及光缆自身进行分析，紧包光纤放线装置的张力控制不佳是导致上述问题的关键原因。因此，在保证安全生产的前提下实现张力的最优控制，使得张力始终保持在合理范围内，从而提高光缆的产品质量和合格率是非常有意义和必要的。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的就是提供一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制系统来进行生产线的张力控制。在尽量不改变实际生产线控制系统的硬件设备的基础上，提高生产线的自动化水平，实现张力的实时最优控制，降低生产成本，提高产品的质量。
4.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
5.一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制方法，所述方法包括以下步骤：
6.步骤1：根据物理车间中张力控制系统的实际生产设备，使用3dsmax建立孪生模型的几何模型。
7.步骤2：采用多元宇宙优化算法对张力控制的pid控制器的参数进行寻优，建立系统的控制模型，具体为：
8.(1)初始化一个多元宇宙种群：
9.(2)设置参数wep
min
＝0.2，wepmax＝1,p＝6,l＝200以及相关变量(n,d,l)；其中wep表示多元宇宙空间中虫洞存在的概率，tdr表示物体朝着当前最优宇宙移动的步长，p表示开采度，l是最大迭代次数。
10.(3)根据pid参数(超调、调节时间、峰值等)的组合确定评价函数，为了计算简单起见，选取调节时间ts和超调量σ作为比较依据，将评价函数定为：
11.(4)根据公式
③④
更新wep和tdr；根据公式
⑤
执行轮盘赌机制；执行轮盘赌机制；执行轮盘赌机制；
12.(5)根据公式
⑥
计算出更新后的最优宇宙，若优于当前最优宇宙，则将其替换，反之仍保留当前最优宇宙。其中r1、r2、r3、r4是[0,1]范围内的随机数。
[0013]
(6)把每个宇宙的参数赋值给pid控制器中比例系数、积分系数以及微分参数中，得到相应的误差性能指标，同时不断地进行宇宙的迭代，最后选取宇宙中误差性能指标最小的粒子作为最优宇宙，同时将最优宇宙的参数赋值给pid控制器中比例系数、积分系数以及微分参数。
[0014]
步骤3：将孪生的几何模型文件生成.fbx格式导入unity3d中，利用unity搭建虚拟场景并将数学模型与控制模型进行模型融合，利用脚本的生命周期控制虚拟世界中的模型的行为。将孪生数据映射到虚拟环境中，实现虚拟环境与物理环境的同步。
[0015]
步骤4：当实际生产过程与仿真过程出现不一致时，对pid控制器的三个参数重新寻优，通过孪生平台向物理世界的工控机发送指令，调控物理设备，实现模型与物理设备之间的同步性与双向优化。本发明有益效果体现在：
[0016]
本发明利用数字孪生技术并利用多元宇宙优化算法与pid控制器结合，很好的解决收放线过程中随着绕卷动作进行时，系统惯量不断变化，张力控制不佳的问题。通过建立数字孪生模型，不但可以实现实际生产过程中张力的实时控制，使得pid参数能够随着系统工况改变而自适应在线变化，使得张力控制系统具有实时调节、控制精度高，而且通过建立的几何模型，可以实现三维可视化的实时监控，还可以实现虚拟仿真的功能。
附图说明
[0017]
图1为本发明的数字孪生张力控制系统框架图
[0018]
图2为本发明张力控制系统物理世界硬件图
[0019]
图3为本发明系统的设备模型建模流程图
[0020]
图4为本发明中数字孪生系统中孪生平台的搭建流程图；
[0021]
图5为本发明中多元宇宙优化算法流程图；
具体实施方法
[0022]
以下结合附图对发明做进一步解释说明。
[0023]
结合图1本发明数字孪生平台主要包括：物理世界、孪生平台、以及数据传输平台组成。
[0024]
步骤1：结合图2所示，物理世界主要由工控机、plc模块、变频器、张力传感器、电机、dp总线网络等组成。系统主站是带有dp通讯口的s7-300的plc模块，它通过dp总线网络在工控机的操作页面上将控制命令和给定速度传给各变频器，并将各变频器的启动或停止状态、运行频率、模拟量输入、电流和电压等信息传送到plc中进行处理。系统从站是选用可以配置dp通讯卡的变频器。张力传感器采集到的张力信号通过变频器的dp总线网络传送到plc中，经过plc内部的pid控制器运算处理后输出信号给变频器来控制电机的转速，从而控制线盘的放线速度，实现紧包光纤的恒张力放线。
[0025]
所述的工控机为物理世界的控制中心，获取设备的实时数据，并下发实时的控制指令，并与孪生平台进行数据互联互通。
[0026]
步骤2：数据传输平台采用交换机作为统一通讯中枢，对物理作业平台及孪生作业平台之间数据传输进行管控，并提供大数据管理服务，对运行数据进行存储及分析，形成工业大数据。
[0027]
步骤3：所述的孪生平台，使用unity3d搭建虚拟车间场景，具体过程如图3所示。通过对实际生产中的设备等比例构建设备模型，将车间设备模型使用3dsmax构建比例和细节与实际设备一一对应的模型。通过在实物中提取生成纹理，在photoshop中进行3d纹理绘制生成，然后在3dsmax中建立材质球，贴上对应的uv贴图和纹理图片，最终以.mat文件格式导入unity3d中，最后通过光影效果的调整，使得数字车间中模型更加逼真。
[0028]
如图4所示，在unity平台实现数据驱动。通过工控机对车间实时数据的采集，获取孪生平台中孪生车间的状态数据，然后将这些数据通过c#脚本赋给模型中的各个对应的组件，保证物理世界和孪生车间的状态同步。
[0029]
对采集的数据进行分析，当实际生产中的张力控制系统的pid控制参数无法对实际张力进行有效控制时，如图5所示的控制方法中，通过多元宇宙优化算法寻找当前状态下的最优控制参数。其寻优具体步骤为：
[0030]
(1)初始化一个多元宇宙种群：
[0031]
(2)设置参数wep
min
＝0.2，wepmax＝1,p＝6,l＝200以及相关变量(n,d,l)；其中wep表示多元宇宙空间中虫洞存在的概率，tdr表示物体朝着当前最优宇宙移动的步长，p表示开采度，l是最大迭代次数。
[0032]
(3)根据pid参数(超调、调节时间、峰值等)的组合确定评价函数，为了计算简单起见，选取调节时间ts和超调量σ作为比较依据，将评价函数定为：
[0033]
(4)根据公式
②③
更新wep和tdr；根据公式
④
执行轮盘赌机制；执行轮盘赌机制；执行轮盘赌机制；
[0034]
(5)根据公式
⑤
计算出更新后的最优宇宙，若优于当前最优宇宙，则将其替换，反之仍保留当前最优宇宙。其中r1、r2、r3、r4是[0,1]范围内的随机数。
[0035]
(6)把每个宇宙的参数赋值给pid控制器中比例系数、积分系数以及微分系数中，得到相应的误差性能指标，同时不断地进行宇宙的迭代，最后选取宇宙中误差性能指标最小的粒子作为最优宇宙，同时将最优宇宙的参数赋值给pid控制器中比例系数、积分系数以及微分参数。
[0036]
将孪生平台得到的决策，通过tcp/ip传输至物理世界的工控机，及时的反馈到物理车间，下位机接受指令调整pid控制参数，调控物理设备，实现模型与物理设备之间的同步性与双向优化。
[0037]
在实际生产前，可以通过所述的数字孪生平台进行仿真，得到仿真环境下的最优控制参数，可以大大的节省在新产品生产前的材料损耗，节省材料。通过登录数字孪生平台，可以实时查看生产运行时设备的实时状态，该平台还可以根据采集的数据进行分析处理，不断的优化实时的控制参数，并且反馈至实时的生产过程中，从而实现最优控制。
[0038]
当运行出现故障时，通过数据传输平台存储的数据，用户通过输入历史时间节点，对故障发生时的状态进行状态重现，便于用户对故障更清晰直观的分析。