4 基于数字孪生的智能生产线运行模式发展趋势

毫无疑问，自动化技术是智能制造发展的重要支撑技术之一。一直以来很多企业将自动化线建设视为智能制造的重要抓手，并且涌现出了一些“黑灯生产”、“无人工厂”的示范案例。但目前企业较为常见的自动化生产线，更多的体现为物流周转基础上的联动动作时序的协调，可以视之为一系列离散硬件装置在特定动作序列约束下运行的生产线。传统的自动线是通过PLC梯形程序进行控制，或者通过专门的工控软件进行控制，不仅控制正常的流程，也具有一定程度的异常处理控制能力。

因此，本文结合目前很多企业在上马自动化线或已经建成自动化线的局面下，如何进行智能化提升，也是不得不和必须面对的问题，尤其是是数字孪生技术在其中的体现。本部分从两个方面论述：一是德国工业4．0关于自动化柔性线的数字孪生内涵；二是融合软件定义制造思想的自动化柔性线数字孪生发展趋势。

4．1 德国工业4．0关于自动化柔性线运行的数字孪生内涵

图4是德国工业4．0的典型资料图片，其所表达的含义是生产线中所有的硬件单元都有对应的软件形式的服务，比如传感器服务、控制服务、通讯服务、校验服务、信息服务等，整个CPS网络系统就是一个服务连接网络，具有“服务联网”的概念，这些服务有层次并且能够动态组合配置［4］。所谓的智能管控，体现为硬件资源的离散化，通过服务化封装，实现业务资源链条的重构与控制，并可以进一步的支持“软件定义制造”理念的落地。其在自动化生产线硬件之上构建的服务联网系统，具有明确的数字孪生内涵。

图3德国工业4．0关于自动化柔性线的管控思路

4．2 融合软件定义制造思想的自动化柔性线数字孪生发展趋势

德国工业4．0所倡导的自动化柔性线智能管控核心是实现资源的柔性配置，而这种配置的手段也是面向智能制造的APS的重要发展方向。融合软件定义制造思想的自动化柔性线数字孪生发展趋势如下所述。

（1）自动线构成要素装置的CPS独立控制能力的发展

对于自动化产线线而言，一般都是连续的没有间断的按照时序执行动作。但这些动作时序的执行，也是需要依靠一些构成要素装置的，比如阀、泵乃至机床及其内部的执行动作部件等，或者是各种集成程度的独立装置等。对这些要素按照能够状态反馈、指令执行的方式，进行改造和提升，为后续的智能化柔性控制提供支持。

（2）硬件装置构成要素的必要性联动控制能力的发展

这种联动控制并不是限定自动化产线中某两个装置的固定时序，其核心目的是增加柔性，目标是自动线上任何需要建立关联的构成要素装置能够实现联动控制。这方面的分析可以从产品的工艺流程角度入手，按照生产过程中各个构成要素装置时序关系进行分析。

（3）以产品性能保证为核心的工艺知识沉淀及物化能力的发展

产线对产品性能保证的技术提升无止境的，根据需要可以分析产品的性能指标的保证机制，比如引入机器视觉、比如引入自适应加工等，丰富自动线运行的知识基础上的智能化内涵。

（4）多产品混线生产的关联控制与协调能力的发展

只有当自动线能够支持多产品混线生产，自动线能够提供柔性的关联控制与协调能力，才能说这条线具有智能化体现。比如自动数控加工线，可以自动的获取状态并进行分析，可以下发指令进行硬件装置的工作参数调整；比如自动数控加工线，根据需要为不同的硬件装置传递不同的数控程序；比如不同产品的工艺流程不同，可以通过柔性的联动控制，实现生产路径的快速转换，以及不同品种产品在自动线上的混流交叉生产。

（5）基于APS的软硬一体化控制的柔性控制的发展

如果自动线只是生产一种产品，则所有的硬件要素装置锁定了某种动作指令序列而已。但如果自动线是多品种混线的，则动作指令序列将具有复杂的组合联调配置要求。如果这种组合判断比较简单，可以通过PLC或工控软件来实现。但如果这种组合判断比较复杂，尤其是加入了智能化体现的分析、推理、决策等内容，单纯的状态0－1式或阈值式判断将无法满足需求，需要引入复杂软件系统的形式进行控制，才能满足需求。并且，这种复杂软件控制系统，面对多产品混流生产的复杂的生产过程，将是目前传统的APS向软硬一体化紧密关联协调控制的重要转变和发展方向。

5 结束语

智能生产管控是提高制造企业生产运行效能的追求目标，数字孪生技术与智能生产管控具有内在统一的有机联系，是推动智能生产管控落地的关键使能技术。

（1）分析了智能生产管控的实时状态感知、分析推理决策和闭环控制执行的特点；

（2）通过对标数字孪生技术内涵与智能生产管控需求特征，实现了两者之间有机融合；

（3）提出了基于数字孪生的智能生产管控应用的两个重点：智能制造服务化智能配置管理决策和自适应智能加工工艺决策；

（4）结合我国制造业自动化产线建设的需求，结合德国工业4．0理念，融合了软件定义制造思想，给出了基于数字孪生的智能生产线运行模式发展趋势的判断。

参考文献：

［1］制造强国战略研究项目组． 制造强国战略研究：智能制造专题卷［M］． 北京：电子工业出版社，2015．

［2］陶飞，程颖、程江峰等人，数字孪生车间信息物理融合理论与技术［J］．计算机集成制造系统，2017，23（8）：1603－1611． DOI：10．13196／j．cims．2017．08．001

［3］ 王爱民．制造执行系统（MES）实现原理与技术［M］．北京：北京理工大学出版社，2014．

［4］ 国务院发展研究中心课题组． 借鉴德国工业4．0推动中国制造业转型升级［M］． 北京：机械工业出版社，2018．