基于CPS和數字孿生技術的智能制造課程建設
——自動化專業實踐課程教改探索

張 玨， 董愛華， 齊 潔， 沈亮亮

（1.東華大學a.信息科學與技術學院，b.數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海201620；2.西門子工業軟件（上海）有限公司，上海200080）

0 引 言

以人工智能、智能制造、機器人等為代表的新興產業蓬勃發展，對傳統的自動化專業提出了挑戰［1-3］。其中，以控制、通信、計算與環境感知等信息技術為基礎的信息物理融合系統（Cyber-Physical Systems，CPS）是推動智能制造發展的動力源泉［4］。西門子數字孿生技術是CPS應用于工業領域的成果，它在數字世界中構成真實物理系統的仿真體，實現監控、預測與優化。近年在教育界，隨著國家科技部成立面向CPS的系統平臺，對CPS及數字孿生技術進行研究探索者日益增多，清華大學、廣東工業大學和中山大學相繼成立創新中心、重點實驗室等研究其關鍵技術［5］。近來，工程領域教育界在基于數字孿生的混合實踐教學模式研究探索［6］、開設基于CPS技術開放實驗項目培養智能制造技術人才［7］等方面都取得了有益的經驗。

為應對社會發展和技術變革對人才培養的挑戰，推進高等院校深化教學改革，適應新時代和新技術對工程技術人才工程實踐能力、創新能力、協作能力、終身學習能力等方面的培養，在我校自動化專業實踐課程建設中設計了基于CPS和數字孿生技術的智能制造專業實踐系列課程。在該系列課程中，引入了西門子數字孿生技術系列軟件。其中，在生產實習課程中，安排學生應用Tecnomatix Process Simulate軟件設計基于數字孿生技術的多機器人生產線系統，對機器人進行離線編程及基于控制邏輯事件驅動的虛擬仿真；在自動化專業綜合實習課程中，研制基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺，為工程專業實踐教學改革提供了一種新的思路。

1 西門子數字孿生技術

Schmetz等［8］提出：數字孿生技術將不同數據源匯聚，并創建過程、產品、機器或組件等的數字表示。數字孿生體與生命周期管理相對應，用戶可以通過對產品生命周期的分析，減少浪費。Trunzer等［9］表示，使用虛擬中間件和模塊化的數字孿生模型來抽象整個生產過程，并允許在改變工廠配置之前對流程進行優化。

數字孿生技術是西門子公司工業4.0戰略的重要方向之一。西門子通過一系列工具軟件實現上文提到的數字孿生功能：①Tecnomatix是西門子的制造業數字孿生解決方案。Tecnomatix通過建立一個完整工廠，從生產線、加工單元到工序操作的所有層次進行設計、物流仿真和優化的集成計算機環境，實現從工藝布局規劃和設計、工藝過程仿真與驗證到制造執行以及產品工程的有效連接［10］。其中，Plant Simulation是離散事件控制的仿真程序。該軟件可在二維或三維環境中進行工藝過程建模和創建實際生產系統的仿真模型。Plant Simulation適用解決復雜的制造業生產優化問題，主要涉及工藝過程的時間平衡，即從多種時間點（如生產時間、臨時增加的時間、最終完成時間、周期生產等）分析和優化生產過程［11］。而Process Simulate可在三維環境中仿真包括工業機器人的自動化生產線，可用于驗證裝配操作順序的正確性。②西門子NX軟件除了CAD/CAM/CAE等功能之外，其機電一體化概念設計（Mechantronic Concept Design，MCD）模塊，集成了運動仿真和力學分析的功能。MCD通過可控的運動約束設計好的模型，使執行機構按照既定計劃運動［12］。③Simcenter AMESim支持復雜系統的建模和仿真，該軟件提供了豐富的模型庫，使得AMESim適用汽車、航空、航天等工業中機械、流場、電磁、控制等部分的復雜建模和仿真［13］。④ 西門子SIMIT軟件是用于PLC的仿真調試及仿真教學軟件。通過PLCSIM軟件與SIMIT結合使用，可實現對邏輯對象、運動對象及過程對象的純軟件仿真。SIMIT提供了可以自由配置的平臺模型，可以方便地連接控制器，一方面可以通過生動的動態模型測試程序，另一方面它使得仿真各種復雜過程甚至在PC上搭建整個平臺成為可能［14］。

在自動化專業實習課程中，采用結合工程實際為主、輔以基于案例的教學和實踐方法，結合課程的性質和任務，針對畢業要求的具體指標點，緊密聯系工程實際項目。Process Simulate軟件正適合自動化專業學生學習當代數字化制造業典型自動化生產線的配置與控制流程，使學生針對實際生產線工程項目，理解工業全生命周期中各部分協同運行以提高資源利用效率；應用計算機仿真軟件設計等手段提高生產效率，保障系統安全。而基于NX MCD的數字孿生仿真平臺適合高年級學生綜合運用已學知識，在高度仿真環境中，學習設計完整的自動控制生產線。課題內容模擬工程實際需求，學生通過自行調研查閱設計資料，獨立分析研究，完成課題項目設計，培養學生獨立分析問題解決問題的能力，突出工程實踐的應用能力培養。

2 多機器人生產線系統設計與仿真實驗教學方案設計

2.1 Tecnomatix Process Simulate數字孿生軟件

多機器人生產線系統設計與仿真實驗教學方案采用了西門子Tecnomatix數字孿生技術。其中，Process Simulate軟件用于創建虛擬環境，測試PLC程序，并提供了機器人和制造應用的離線開發環境［15］。通過使用該軟件模擬自動化生產線，特別是包括工業機器人的生產系統，學生可以在虛擬環境中沉浸式學習自動化生產線構建、控制系統設計、工業機器人離線編程及生產線聯調。

Process Simulate功能模塊如圖1所示。其中，基于事件的仿真可仿真虛擬生產線的各種作業流程，其機理與真實生產線控制邏輯一致，并支持復雜虛擬制造場景的設計與驗證；平臺所具備機器人離線編程、工業機器人控制、機器人路徑規劃等功能，可幫助工程師實現大多數工業機器人協同作業功能；平臺基于OPC（OLE for Process Control）技術可與外部控制器通信，同時支持多種實體控制器與虛擬控制器；人員模塊可實現人員作業設計及員工任務優化；其他模塊如數據互聯、PNIO硬件仿真、裝配及焊接模塊可進一步實現數字孿生功能。

圖1 Process Simulate功能模塊組成

2.2 多機器人生產線系統設計與仿真實驗流程

智能制造在汽車行業應用較多［16］，基于數字孿生技術的多機器人生產線系統抽象于汽車制造流程。該系統硬件包括了工業機器人搬運、焊接，升降機，轉臺，傳送機等汽車制造流程中的常見自動化設備。圖2為Process Simulate中的汽車白車身組件焊接工作單元場景。升降機將未焊接的組件傳送到工作站平面，搬運機器人將組件搬運到轉臺，轉臺轉向將組件置于焊接位置，兩臺焊接機器人協同焊接該組件，完成焊接后，轉臺回轉，搬運機器人將已完成焊接的組件搬運到傳送機上，最后傳送機將組件傳送出該工作站。

圖2 Process Simulate中汽車白車身組件焊接工作單元場景

本次教學改革中，多機器人生產線系統設計與仿真實驗分為入門、中級和高級3個階段，如圖3所示。

圖3 Process Simulate實驗教學的實施分段

（1）入門階段。包括生產線布局、基于事件的仿真及部分物料流與傳感器的使用，該階段主要目的是讓學生們熟悉軟件的使用，建立基于事件仿真的概念，初步了解物料與設備之間的互動方式以及傳感器的類型與特性。

（2）中級階段。中級階段進一步深入物料流與傳感器的使用，結合邏輯塊或智能組件實現一組動作流程，構建工藝邏輯智能模塊，定義其基本行為、物料流、傳感器和工藝邏輯管理，并初步接觸機器人控制。具體設計包括工業機器人選型和夾具設計，即根據機器人的負載和工作半徑以及精度、速度，確定機器人型號，并根據產品工藝需要，分別設計機器人上的夾具、產品的固定夾具以及其他需要的定位設備。

（3）高級階段。高級階段進一步學習機器人路徑規劃及各種信號的設定，編制機器人虛擬控制程序實現多機器人協作，并通過PLCSIM軟件和OPC接口進行外部PLC集成控制與調試。具體設計包括對機器人進行動作及路線編程及動態模擬仿真，檢驗機器人的可達性，避免機器人和周邊設備干涉風險等。

經由這3個階段的工作，學生可完成基于數字孿生技術的多機器人生產線系統的設計與仿真，進一步掌握對機器人編程及控制邏輯事件驅動的虛擬仿真技術，進而理解智能制造系統及其工業全生命周期協同運行。

3 基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺構建

3.1 工業智能制造實驗平臺及其局限

我校西門子先進自動化實驗室的工業智能制造實驗平臺（見圖4）由下單進料、加工、裝配、出庫4個站點組成，配備了可編程邏輯控制器（PLC）、工業以太網交換機、各類傳感器（色標傳感器、光纖傳感器、點傳感器、對射傳感器等）、KUKA工業機器人、RFID射頻標簽讀寫器、傳送帶、電動機、氣動執行機構等。自動化專業綜合實習課程中，軟件設計部分要求學生編程模擬實際工業生產線的整個流程，實現對4站的控制，由此培養學生PLC邏輯程序設計的能力、上層軟件開發、數據庫設計和系統綜合調試的能力。但系統的購置費用極其昂貴，無法購置更多平臺使每位同學都將他們所設計的軟件在實驗設備上進行調試和運行，學生無法得到足夠的實踐訓練機會，難以保證學生達到較好的學習效果。

圖4 工業智能制造實驗平臺

3.2 基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺設計及使用效果

西門子NX MCD是一種實現虛擬現實、信息交互、協同控制、虛擬調試的仿真平臺［17］，其架構與數字孿生的概念和CPS系統的層次結構一致。因此，選擇在該平臺上設計并實現基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺。如圖5所示，以工業智能制造實驗平臺第3站（機械手裝配站）為例，實驗平臺實體的現場測控對象層由該站機動電設備組成；傳感器與執行機構層由RFID射頻標簽讀寫器、多種傳感器、KUKA工業機器人及傳送裝置構成；控制器為S7-314C-2PN/DP。實驗平臺實體對應的虛擬部分——數字孿生體，其現場測控對象層由NX MCD實現，具備剛體物理屬性；傳感器與執行機構為在NX MCD基本測控模塊基礎上開發的虛擬測控設備；控制器通過PLCSIM軟件完成對控制器的仿真。該虛擬仿真平臺采用CPS的框架，采集真實設備整個生命周期中的各種信號數據，在數字世界中構成真實物理系統的仿真體。

圖5 工業智能制造實驗平臺與基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺層次結構對應圖

智能控制程序可以通過對該仿真體信號進行感知、轉換、處理，進一步實現對系統的監控、預測與性能優化。在系統設計過程中，研發團隊在NX MCD開發平臺上分析了參數、功能、邏輯、工藝等需求，編制了智能制造平臺的測控軟件，配置了OPC通信環境，并在多站點之間進行了通信協調。通過該虛擬仿真平臺的研制，可以使學生所編寫的PLC程序能通過數據通信接口，控制仿真平臺上的工業智能制造生產線，從而完成軟件在虛擬試驗設備上的調試和運行。圖6展示了基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺運行情況。其中，圖6（a）、（b）顯示了裝配站的仿真系統和實際系統的運行狀況，圖6（c）、（d）顯示了加工站仿真系統和實際系統的運行狀況。

圖6 基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺運行情況

從教學內容和教學方式方法來看，在未設計基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺時，自動化專業綜合實習課程中的軟件設計只能局限于PLC的仿真編程，其程序設計的合理性是通過PLC的模擬燈及監控軟件的按鈕和圖形顯示等展示，并不能和制造平臺上的實體部件聯系起來。引入基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺可為每一位登錄仿真平臺系統的學生提供實驗條件，學生設計的PLC程序通過通信接口直接與三維虛擬設備相連，為學生完成復雜工程項目的軟件設計帶來便利：①程序設計過程中可全程可實物（即制造平臺上的虛擬對象）調試；②PLC對虛擬設備的控制實現三維可視化，如不同批次產品的物料傳送、加工裝配、成品入庫等在虛擬仿真平臺上均可編程實現，其生產過程在虛擬仿真平臺上直觀可視。

4 結 語

基于CPS和數字孿生技術的智能制造專業實踐系列課程以智能制造為核心，借助CPS、數字孿生技術與虛擬現實技術進行設計，符合智能生產設計理念。其特色在于：在自動化專業系列實踐課程中應用信息技術，設計基于數字孿生技術的多機器人生產線系統及其實驗教學方案，并搭建基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺，借助虛擬現實技術和信息通信技術，將實驗教學與本學科先進智能制造技術結合，符合中國制造2025和工業4.0提出的智能生產設計理念，有利于培養具有創新思維的智能制造設計和研發人才。虛擬仿真實驗教學突破了傳統實驗教學的空間限制，延伸了理論教學的功能。經過學生自主編程，突破了演示實體實驗的局限，有利于培養學生的自主學習能力、探索精神和實踐能力。基于CPS的工業智能制造虛擬仿真平臺構建了數字孿生環境下的工業智能生產調度案例，展示了自動化技術和信息技術深度融合的實際應用范例，加強了智能制造自動化技術相關課程群中工程應用案例教學，提升了自動化實驗室科研建設能力。