研發(fā)一套數(shù)字孿生應(yīng)用平臺

近年來，制造業(yè)不斷往數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。

機電裝備的設(shè)計、制造和調(diào)試的復(fù)雜度也隨之增加。設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計缺陷容易導(dǎo)致難以預(yù)測的運行故障，故復(fù)雜機電設(shè)備的研發(fā)成為當(dāng)前智能制造的重點和難點[1]。據(jù)統(tǒng)計，機電裝備從研發(fā)到進入市場，系統(tǒng)缺陷及錯誤修正所耗費的時間，占據(jù)高達70% 的生產(chǎn)周期[2]。

傳統(tǒng)機電產(chǎn)品的開發(fā)是一個多級串聯(lián)、逐級遞進的過程，如圖1 所示。在工程設(shè)計階段，機械、電氣、自動化各部分的設(shè)計順序和執(zhí)行相互獨立。由此使得機械產(chǎn)品的設(shè)計周期長，問題修正次數(shù)多，研發(fā)成本高。

數(shù)字孿生將多學(xué)科協(xié)同，對物理對象的特征、行為、性能等進行數(shù)字化描述和建模[3]，通過虛擬方式實現(xiàn)產(chǎn)品的調(diào)試和驗證，是一種高效、環(huán)保的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。

隨著智能制造的轉(zhuǎn)型和升級，培養(yǎng)適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化人才尤為重要。未來的制造業(yè)高端技術(shù)技能人才不僅要掌握傳統(tǒng)的機械、電氣、自控系統(tǒng)的設(shè)計與裝調(diào)，還需具備工業(yè)組網(wǎng)與通信、數(shù)字化設(shè)備設(shè)計、數(shù)字化產(chǎn)線運行與監(jiān)控等各種新技術(shù)的運用能力。針對工業(yè)自動化流水線裝配分揀的典型應(yīng)用場景，研發(fā)了一套數(shù)字孿生應(yīng)用平臺。

該平臺集成西門子主流軟硬件，提供機電一體化概念設(shè)計解決方案。綜合利用UG NX、TIA Potal （簡稱TIA）、PLCSIM Advanced（簡稱PLCSIM Adv）等多平臺，開展機械、電氣、自動化、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計，并通過平臺接口和以太網(wǎng)通信進行全過程數(shù)據(jù)交互，可實現(xiàn)“以實控虛”“以虛控實”，對PLC 程序設(shè)計的正確性和機械結(jié)構(gòu)的合理性進行調(diào)試和驗證，優(yōu)化裝備設(shè)計。以此平臺作為數(shù)字孿生應(yīng)用示范教學(xué)平臺，有助于培養(yǎng)具有數(shù)字化設(shè)計能力的新技術(shù)復(fù)合型人才。

平臺基礎(chǔ)環(huán)境

1.1NX MCD

西門子UG NX 軟件集成了CAD/CAM/CAE 多功能模塊，可用于三維建模、模具設(shè)計、運動仿真、電氣布線等場合[4，5]。MCD 是NX 在“工業(yè)4.0”背景下新增的子平臺，支持機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計，借助外部接口的易互聯(lián)性，將機械、電氣、自動化多領(lǐng)域協(xié)同集成，形成強大的機電一體化概念設(shè)計體系?？捎糜?D 建模和仿真，提供機電設(shè)備設(shè)計過程中的軟件在環(huán)、硬件在環(huán)仿真調(diào)試。通過虛擬設(shè)備模型與PLC 連接，可對產(chǎn)品運行的可靠性進行虛擬調(diào)試和驗證。

1.2TIA Portal

TIA Portal 是西門子公司在“工業(yè)4.0”背景下推出的全集成自動化工程組態(tài)平臺。TIA V15 以上版本的軟件平臺將自動化項目的關(guān)鍵組件進行了集成：S7-1500 PLC高級控制器，人機界面和伺服、變頻器驅(qū)動系統(tǒng)。提供了標準化的工程理念，使用戶可高效配置，編程調(diào)試和診斷，快速、直觀執(zhí)行自動化和驅(qū)動任務(wù)[6]。借助高效能仿真工具、分布式IO 和開放性接口，與其他平臺相連，共享數(shù)據(jù)，易于構(gòu)建數(shù)字雙胞胎。

1.3PLCSIM Adv

PLCSIM Adv 是針對S7-1500 系列 PLC 推出的一款高性能PLC 仿真器。與傳統(tǒng)的PLCSIM 仿真工具相比，它是以面板的形式獨立運行，除了提供內(nèi)部訪問接口（Softbus），可以仿真運行PLC 程序外，還能通過外部網(wǎng)卡實現(xiàn)TCP/IP 實時仿真通信。此外，還支持運動仿真、多軟件聯(lián)合仿真、過程診斷，可創(chuàng)建高達16 個PLC 實例。

1.4通信連接

OPC UA 是工業(yè)4.0 中一個重要的通信協(xié)議，用于分布式控制系統(tǒng)中各級別工業(yè)設(shè)備（不同協(xié)議和平臺）的相互通信。它將物理設(shè)備、傳感器、電機等形成數(shù)字化模型對象，供不同軟件訪問。OPC UA 提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，支持Windows 應(yīng)用程序與現(xiàn)場自動控制應(yīng)用軟件的信息交互[7]，使得同一系統(tǒng)的信息可以統(tǒng)一方式被訪問。

PROFINET 是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準，主要用于現(xiàn)場設(shè)備（使用PROFINET IO）的直接連接，具備實時、開放、靈活的優(yōu)異性能。它使用組件化的設(shè)計，支持分布式自動化控制方式。OPC UA 與PROFINET 兩標準相互促進、相互補充，確保底層自動化環(huán)境與應(yīng)用層IT 環(huán)境數(shù)據(jù)的無縫垂直通信。

平臺結(jié)構(gòu)與功能

2.1平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對智能制造產(chǎn)線常見的自動裝配分揀單元，設(shè)計如圖2 所示的數(shù)字孿生應(yīng)用平臺。該平臺用于工件的裝配、分揀及包裝。其主體結(jié)構(gòu)由供料單元、傳送單元、裝配單元、分揀單元、物料倉儲單元、操控單元組成。

以S7-1500T 系列PLC 作為自動化系統(tǒng)的核心控制器；變頻系統(tǒng)以G120 變頻器驅(qū)動傳送單元的交流電機，帶動皮帶傳送工件；采用V90 伺服驅(qū)動套件控制裝配單元的XY 絲桿滑臺精密運動，配合氣缸完成拾取物料和裝配；HMI 用于系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控；外圍IO 設(shè)備由按鈕、傳感器、指示燈、電磁閥等構(gòu)成。PLC 通過路由器，采用PROFINET 通信標準與變頻系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、HMI 進行數(shù)據(jù)交換。

工業(yè)PC 機作為上位機和機電一體化概念設(shè)計平臺，通過以太網(wǎng)連接Web 服務(wù)器和小型客戶端。

2.2平臺實現(xiàn)的功能

數(shù)字孿生是通過全過程數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)物理信息的融合。按照數(shù)字孿生五維模型結(jié)構(gòu)，平臺從物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)信息、集成連接、服務(wù)支持五個維度[8] 來構(gòu)建應(yīng)用場景。其功能關(guān)系及實現(xiàn)原理如圖3 所示。首先，以MCD-TIA 作為數(shù)字樣機建模、電氣設(shè)計、自動控制編程與仿真的集成平臺，通過軟件在環(huán)[9] 方式可開展虛擬仿真與調(diào)試，優(yōu)化模型和程序設(shè)計。

然后，采用真實PLC 采集實體設(shè)備平臺的傳感信號，并使用已經(jīng)過虛擬調(diào)試驗證的程序驅(qū)動電磁閥、電機、指示燈等執(zhí)行機構(gòu)，控制實體設(shè)備正常運行。最后，借助真實PLC 與集成平臺的接口，通過變量鏈接和以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)虛實數(shù)據(jù)交互，通過硬件在環(huán)[10，11] 以實控虛、以虛控實、虛實聯(lián)調(diào)。

（1）虛擬仿真與調(diào)試

1）MCD 虛擬環(huán)境構(gòu)建。

①構(gòu)建幾何模型。根據(jù)裝配分揀裝備的功能需求、控制邏輯，利用NX 進行3D 建?；驈牟考熘羞M行構(gòu)件選型，裝配完整的虛擬樣機模型，設(shè)計虛擬場景。

②定義物理屬性。分析組件的受力和運動情況，定義剛體、碰撞體、對象源等對象屬性；添加鉸鏈副、滑動副、齒輪副等運動形式；設(shè)置速度、位置控制等運動控制參數(shù)。

③分配測控信號。添加執(zhí)行器與傳感器，為虛擬模型的運行設(shè)定傳感信號與驅(qū)動元件。

④設(shè)計仿真序列。利用信號觸發(fā)及動作執(zhí)行的邏輯關(guān)系，設(shè)計基于時間或基于事件的仿真序列，控制對象的運行時間與流程。

⑤配置交互信號。創(chuàng)建MCD 與外部TIA 交互的信號，以實現(xiàn)MCD 中虛擬模型與TIA 中變量的鏈接，使PLC 程序控制虛擬模型運行。

2）TIA 自控環(huán)境搭建。

①設(shè)備組態(tài)。添加硬件設(shè)備，選擇S7-1500T PLC、添加與實體設(shè)備對應(yīng)的DI/DO 模塊；組態(tài)2 個V90 PN 伺服驅(qū)動器、2 個G120 變頻器、1 個KTP700 觸摸線。采用PROFINET 通信方式，將上述電氣元件進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，分配IP 地址。

②程序設(shè)計。按照工作任務(wù)要求，分配PLC 的I/O 地址，設(shè)計變量表；根據(jù)樣機模型的控制邏輯要求，設(shè)計控制程序，包括自動、手動、復(fù)位等不同運行模式。

③ HMI 設(shè)計。在TIA 的畫面設(shè)計中，設(shè)計開機登錄界面、自動操作界面、手動操作界面、故障報警界面。

3）MCD-TIA 接口設(shè)置與虛擬調(diào)試。

① 添加虛擬PLC。通過PLCSIM Adv 高級仿真器創(chuàng)建虛擬PLC 實例，啟動仿真，執(zhí)行TIA 中下載的控制程序。

②通信設(shè)置。在MCD 中通過“PLCSIM Adv”接口對TIA 程序變量與MCD 模型信號進行信號配置和映射，實現(xiàn)MCD-TIA 兩者的變量鏈接。

③仿真調(diào)試。啟動TIA-MCD 仿真，將PLC 和HMI 均轉(zhuǎn)至在線。在自動、手動、復(fù)位模式下觀察虛擬模型的運行情況，驗證程序的正確性、穩(wěn)定性。通過仿真和調(diào)試修正錯誤，優(yōu)化程序和參數(shù)。

（2）實體設(shè)備調(diào)試

在TIA 中完善工藝軸的設(shè)置，優(yōu)化伺服變頻的運行參數(shù)，取消虛擬PLC、虛擬軸等仿真相關(guān)的設(shè)置。使用已經(jīng)驗證的程序和HMI，并下載至真實PLC 硬件中，對程序進行實體運行驗證。根據(jù)傳感信號的狀態(tài)，調(diào)整傳感器的靈敏度、檢測距離；根據(jù)氣缸的動作，調(diào)整節(jié)流閥的流量。根據(jù)皮帶的運行狀況，利用Startdrive 組件進行變頻器驅(qū)動的配置和參數(shù)設(shè)置。

由絲桿滑臺的運行情況，應(yīng)用軟件V-ASSISTANT 對V90 伺服驅(qū)動進行優(yōu)化調(diào)試。通過硬件調(diào)試和參數(shù)適配，使硬件平臺按任務(wù)要求正常運行。

（3）虛實聯(lián)調(diào)

使用經(jīng)過硬件設(shè)備調(diào)試的PLC 程序，將真實PLC 與MCD 虛擬平臺通過OPC UA 通信達到數(shù)據(jù)交互。

1）通信設(shè)置。在TIA 中啟用OPC UA 服務(wù)器并設(shè)置地址，激活許可；將MCD 的外部信號接口改為OPC UA接口，并輸入服務(wù)器的URL 地址，通過OPC UA 服務(wù)器訪問S7-1500 PLC 的變量；將變量與MCD 信號映射連接，就建立了真實PLC 與虛擬模型的數(shù)據(jù)交換。

2） 以實控虛。虛擬模型的執(zhí)行信號均來自硬件PLC，故在MCD 中屏蔽各種傳感器的輸出信號，僅接收PLC 發(fā)過來的控制信號。虛擬模型將跟隨實體設(shè)備的運行時序、邏輯動作。

3）以虛控實。將實際設(shè)備的傳感器信號進行屏蔽，僅使用MCD 模型的虛擬傳感信號。此時，PLC 硬件程序的輸入來自MCD 模型的傳感器，PLC 的輸出同時驅(qū)動硬件設(shè)備和虛擬模型，實際設(shè)備將跟隨虛擬模型運行。

4）虛實同步運行。在MCD 中調(diào)整真空吸盤、按鍵等仿真序列的時間，調(diào)整伺服驅(qū)動、變頻驅(qū)動的運行參數(shù)，可使虛擬模型和實體設(shè)備的運行時序、邏輯動作協(xié)同一致，達到虛實同步，如圖4 所示。

平臺的教學(xué)應(yīng)用

3.1實訓(xùn)環(huán)境布置

考慮理實一體化教學(xué)的特點和需要，數(shù)字孿生實訓(xùn)室的區(qū)域布置如圖5 所示。實訓(xùn)室中央為數(shù)字孿生體設(shè)計、編程、調(diào)試區(qū)，兩側(cè)為實體硬件調(diào)試與驗證區(qū)。教學(xué)設(shè)施配置：數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)平臺設(shè)備共8 套；高配置虛擬仿真計算機（工作站）48 套；6 工位小組圍坐式桌椅8 套；虛擬仿真訓(xùn)練資源包（12 個應(yīng)用場景）；多媒體教學(xué)系統(tǒng)1 套（高速以太網(wǎng)交換機）。

3.2教學(xué)項目設(shè)計

基于孿生平臺的硬件實體，按照功能模塊（機械、電氣、運動控制、通信等）和知識、技能點，共設(shè)置26個教學(xué)項目。

1）機械設(shè)計模塊：①機械結(jié)構(gòu)認知與MCD 建模；② MCD 的剛體，傳動副等屬性設(shè)置；③ MCD 的信號與接口設(shè)置；④ MCD 的物理特性屬性設(shè)置；⑤ MCD 虛擬仿真和調(diào)試。

2）電氣設(shè)計模塊：① TIA 博途編程軟件認知；②傳感器認知與應(yīng)用；③外部設(shè)備I/O 分配與變量表設(shè)計；④電氣硬件連接與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；⑤開關(guān)、傳感信號采集控制；⑥開關(guān)量輸出控制；⑦模擬電壓采集與輸出控制；⑧編碼器高速脈沖輸入采集控制。

3）運動控制模塊：①變頻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與編程調(diào)試；②伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與編程調(diào)試；③ PLC 高級運動控制（同步運動、凸輪運動、插補運動）。

4） 通信與界面設(shè)計：① PLC 的PROFINET/OPCUA/Modbus/ 自由口/ UDP、TCP/IP 等通信控制；② HMI界面組態(tài)、報警功能、配方功能、動畫設(shè)計。

5）虛擬仿真模塊：① PLCSIM、PLCSIM Adv 的應(yīng)用② SIMIT（unit）驅(qū)動行為仿真的應(yīng)用；③ MCD 虛擬模式運行與調(diào)試。

6）綜合聯(lián)調(diào)：①系統(tǒng)控制程序設(shè)計；②系統(tǒng)HMI 設(shè)計；③系統(tǒng)虛擬仿真和調(diào)試綜合；④機電一體化硬件系統(tǒng)綜合聯(lián)調(diào)；⑤虛實一體化聯(lián)調(diào)。

實訓(xùn)教學(xué)時，采用虛實結(jié)合的方式，先是以平臺組成單元為載體，開展操控單元、瓶身瓶蓋供料單元、供料傳送單元、分揀傳送單元、物料分揀單元、絲桿運動控制6 個子單元的仿真及調(diào)試訓(xùn)練。然后針對整機開展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)訓(xùn)練。

3.3教學(xué)效果

1）提高了學(xué)生機電一體化的綜合設(shè)計與實踐能力。平臺集成了傳感器檢測、氣動控制、伺服驅(qū)動、變頻驅(qū)動、觸摸屏監(jiān)控、以太網(wǎng)通信等多項工業(yè)自動化當(dāng)前使用的核心技術(shù)、新技術(shù)，使學(xué)生多層面鍛煉機械設(shè)計、電氣設(shè)計、自動控制等多學(xué)科交叉的應(yīng)用能力，適應(yīng)未來智能制造對數(shù)字化、復(fù)合型技術(shù)技能人才的需求。

2）推動教學(xué)內(nèi)容和模式的創(chuàng)新。由于數(shù)字化孿生系統(tǒng)與真實設(shè)備的一致性，教學(xué)內(nèi)容可以虛實結(jié)合，也可虛實分開，而不受限于硬件設(shè)備。故借助數(shù)字化孿生的“軟”平臺，“教”和“學(xué)”將不再受限于時間和地點，通過遠程即可開展線上學(xué)習(xí)和實操仿真訓(xùn)練。在類似新冠肺炎疫情導(dǎo)致無法開展現(xiàn)場教學(xué)的情況下，可發(fā)揮重要作用。此外，以MCD-TIA 平臺為基礎(chǔ)，可設(shè)計各種部件放在重用庫中，組合、裝配成各種設(shè)備模型。由此可創(chuàng)生出靈活多變的教學(xué)項目，有利于根據(jù)學(xué)習(xí)對象的學(xué)情開展分層次、個性化教學(xué)；也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

3）減少實訓(xùn)耗材與實訓(xùn)設(shè)備維修工作。受限于經(jīng)費與場地等因素，目前各校用于機電自動化方面的實訓(xùn)設(shè)備往往不足，難以滿足普通教學(xué)班（30~50 人）的使用需求；且因?qū)W生的熟練程度不一致，容易導(dǎo)致電氣元件損壞及設(shè)備故障，嚴重影響教學(xué)效果，也讓教師疲于應(yīng)對設(shè)備調(diào)試與維護。數(shù)字孿生應(yīng)用平臺可以幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成設(shè)備的機械建模、PLC 編程調(diào)試任務(wù)，提高程序正確率，降低設(shè)備故障。教師可以有更多的時間及精力用在核心技術(shù)點的有效指導(dǎo)上，提升教學(xué)效能。

結(jié)束語

基于NX MCD 和TIA 的集成式系統(tǒng)工程環(huán)境，采用機電一體化概念設(shè)計方案，搭建了裝配分揀系統(tǒng)的數(shù)字孿生應(yīng)用平臺。通過概念建模和基于物理場的仿真，借助以太網(wǎng)通信和軟件接口的變量鏈接可實現(xiàn)設(shè)計建模、仿真優(yōu)化和實例化驗證。

該平臺作為數(shù)字孿生技術(shù)的示范應(yīng)用教學(xué)平臺，有助于培養(yǎng)適應(yīng)未來智能制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化復(fù)合型人才。由于MCD-TIA 的基礎(chǔ)環(huán)境與硬件易相映孿生，且與其他孿生平臺易交互集成，本裝配分揀平臺還可以靈活擴展。如增加工業(yè)機器人、數(shù)控機床等設(shè)備，形成更為復(fù)雜的智能制造產(chǎn)線孿生體。或與MATLAB 等軟件交互，通過數(shù)據(jù)分析、處理和數(shù)學(xué)建模，優(yōu)化機件設(shè)計與運動控制，進而研發(fā)更復(fù)雜、精密的機械裝備。

審核編輯：劉清