一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制系统

技术特征：
1.一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制系统，其特征在于，所述系统包括下述步骤：(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。(2)步骤1：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。(3)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。(4)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。(5)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。(6)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。(7)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，通过多元宇宙优化算法寻找当前状态下的最优控制参数。(8)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。(9)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。(10)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。(11)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。

技术总结
本发明公开了一种基于数字孪生的紧包光缆生产线张力控制方系统，该系统主要由生产线物理世界、生产线数字孪生世界以及两者之间的数据组成。其中生产线物理设备主要采集生产过程的状态数据和环境数据，并将这些数据发送至上位机。生产线数字孪生世界根据三维软件建立可视化的几何模型，物理世界的数据与孪生世界的物理模型与张力控制模型进行融合呈现出与物理世界对映的孪生世界。通过物理世界的工控机采集的实时张力数据，在孪生世界进行仿真计算并决策出最优的PID控制参数，并且将数据存储在数据库中，便于对历史数据的查看。本发明通过数字孪生技术在保证安全生产的前提下实现张力的最优控制，对生产装备进行可视化监控、离线仿真等功能，最终实现虚实融合的效果。最终实现虚实融合的效果。最终实现虚实融合的效果。


技术研发人员：荣雪 黄友锐 徐善永 韩涛 袁标 沈培成 付家豪
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.03.11
技术公布日：2022/5/30