简介

数字孪生是通过数字化手段在虚拟空间构建物理实体的精准映射，集成历史数据、实时数据与算法模型，实现对物理实体全生命周期的监控、预测、优化与控制的技术体系。其本质是“虚拟与现实的实时交互”——虚拟实体随物理实体的状态变化而动态更新，同时通过模拟推演为物理实体的决策提供依据。

一、技术架构：五层模型实现虚实融合

工业机器人、PLC等设备与数字孪生的融合，依赖分层架构的设计，实现“物理实体-数字模型-应用决策”的全链路贯通。典型的技术架构分为感知层、通信层、建模层、仿真层、应用层，其中通信协议是各层数据互通的关键标准。

1. 感知层：数据采集的“神经末梢”

• 工业机器人：通过安装在关节、末端执行器的传感器（如编码器、力传感器、视觉传感器），采集位置、速度、力、图像等实时数据，反映机器人的运动状态与作业环境。

• PLC：作为控制核心，采集输入设备（按钮、传感器）的信号（如开机指令、温度报警），并通过输出模块向机器人、执行机构（如气缸、变频器）发送控制指令（如启动、停止、速度调整）。

• 传感器：采集温湿度、压力等环境数据，为数字孪生模型提供更全面的物理环境信息。

2. 通信层：数据传输的“高速公路”

• 工业以太网：采用Profinet、EtherCAT、Modbus等高速工业以太网协议，实现PLC与机器人、传感器之间的低延迟、高可靠数据传输（延迟≤10ms）。

• OPC UA协议：作为跨平台的统一通信标准，实现PLC与数字孪生平台、机器人与数字孪生平台之间的语义化数据交互（如机器人的关节角度、PLC的控制指令），解决了传统工业协议（如Modbus）的“语义不一致”问题。

3. 建模层：数字孪生的“虚拟镜像”

• 工业机器人模型：通过CAD软件（如SolidWorks）构建机器人的几何模型（如关节、臂展、末端执行器），并结合运动学方程（如Denavit-Hartenberg参数），实现机器人的运动仿真（如轨迹规划、碰撞检测）。

• PLC模型：通过PLC编程软件（如TIA Portal）构建PLC的逻辑模型（如梯形图、ST语言），模拟PLC的输入输出逻辑（如按钮触发、传感器信号处理）。

• 集成模型：将机器人模型与PLC模型关联（如机器人的“启动”指令由PLC的“输出信号”触发），形成“机器人-PLC”联合数字孪生模型。

4. 仿真层：虚拟调试的“试验场”

• 虚拟调试：在数字孪生平台中，模拟设备的作业流程（如机器人抓取、搬运、装配），验证程序逻辑（如PLC的控制指令是否正确）、运动安全性（如机器人是否与周边设备碰撞）。现场调试是紧凑繁琐的，虚拟调试可以减少现场调试时间。

• 参数优化：通过仿真模型调整机器人的运动参数（如速度、加速度）、PLC的控制参数（如PID增益），优化生产效率（如缩短循环时间）、产品质量。

5. 应用层：决策落地的“指挥中心”

• 实时监控：通过数字孪生平台的可视化界面（如HMI、大屏），实时显示机器人的运行状态（如关节角度、速度）、PLC的控制指令（如输出信号）、环境数据（如温湿度），实现“一眼看全”生产现场。

• 闭环控制：数字孪生平台通过仿真分析（如预测机器人故障、优化PLC参数），向PLC发送调整指令（如修改机器人的速度），PLC再将指令传递给机器人，实现“数据采集-分析-决策-执行”的闭环控制。减少维护、故障、停机等时间。

二、核心特点

从经验驱动”到“数据驱动，实现数据互通、虚实映射、闭环控制。

• 实时交互性：通过传感器、IoT等设备采集物理实体的实时数据，虚拟实体动态更新，确保与物理状态一致；

• 互操作性与可扩展性：支持不同系统、模型之间的数据共享与协同，可随物理实体的变化扩展功能；

• 生命周期覆盖：从产品设计、制造、运维，虚拟实体始终与物理实体同步，支持全流程的模拟与优化；

三、应用场景

数字孪生的应用已渗透至多个行业，以下是最具代表性的领域：

1. 工业制造

• 产品设计：通过数字孪生模拟原型，减少调试制作成本与时间；

• 生产制造：构建工厂的数字孪生，模拟生产流程（如生产线平衡、设备利用率），优化资源配置，提高生产效率；

• 运维服务：通过数字孪生监控设备的运行状态（如电机温度、振动），预测故障（如轴承磨损），实现预防性维护，降低停机损失。

2. 能源监测

数字孪生通过物联网（IoT）传感器、智能仪表、SCADA系统等多源数据采集手段，将能源设备的运行状态（如温度、压力、振动）、环境参数（如风速、光照）、能耗数据（如用电量、用水量）实时同步至虚拟模型

数字孪生可整合风电、光伏、储能、配电等多场景数据，实现对供配电系统、新能源设备的全链路监控，帮助管理者快速定位能源浪费或异常情况

• 实时监控：实时显示变压器油温、开关柜状态、线路负载等参数，一旦某台设备温度超过阈值呈现不同颜色。

• 运维监测：数字孪生结合机器学习、大数据分析，可预测设备故障、能源需求波动等情况，为运维决策提供科学依据。

3. 智慧园区

四、功能介绍

• 虚拟仿真：在数字孪生平台中模拟机器人的作业流程，验证PLC程序的正确性，避免现场调试的“试错成本”。不受硬件限制，虚拟的三维场景与plc模拟、机器人模拟器、数控仿真系统等进行交互，也可以自定义编程模拟（如嵌入式控制），只要定义通信接口或通过modbus等标准协议进行交互。

• 虚实仿真：如一些设备或功能模块无仿真支持，实物可以直接对接虚拟的三维场景。

• 实时监控：通过数字孪生平台的可视化界面，实时显示机器人的运行状态（如关节角度、速度）、PLC的控制指令（如输出信号）、环境数据（如温湿度），实现“一眼看全”生产现场。

• 原型描述：如机器人、小车等可以通过urdf文件描述运动关系，自定义设备可通过脚本能快速的实现物体描述。

• 数据通信：可连接物联网网关或物联网平台或二次开发协议。

五、案列应用

大屏展示

项目仿真验证