數字孿生仿真與調試實訓平臺的設計

文/郭聯金，周 晶 東莞職業技術學院智能制造學院 陳澤群 廣州高譜技術有限公司

近年來，制造業不斷往數字化、網絡化、智能化方向發展。機電裝備的設計、制造和調試的復雜度也隨之增加。設備產品的設計缺陷容易導致難以預測的運行故障，故復雜機電設備的研發成為當前智能制造的重點和難點。據統計，機電裝備從研發到進入市場，系統缺陷及錯誤修正所耗費的時間，占據高達70%的生產周期。傳統機電產品的開發是一個多級串聯、逐級遞進的過程，如圖1所示。在工程設計階段，機械、電氣、自動化各部分的設計順序和執行相互獨立。由此使得機械產品的設計周期長，問題修正次數多，研發成本高。數字孿生將多學科協同，對物理對象的特征、行為、性能等進行數字化描述和建模，通過虛擬方式實現產品的調試和驗證，是一種高效、環保的產品開發技術。

圖1 數字孿生技術有效縮短產品開發時間

隨著智能制造的轉型和升級，培養適應未來產業的數字化人才尤為重要。未來的制造業高端技術技能人才不僅要掌握傳統的機械、電氣、自控系統的設計與裝調，還需具備工業組網與通信、數字化設備設計、數字化產線運行與監控等各種新技術的運用能力。針對工業自動化流水線裝配分揀的典型應用場景，研發了一套數字孿生應用平臺。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、多學科協同設計，并通過平臺接口和以太網通信進行全過程數據交互，可實現“以實控虛”“以虛控實”，對PLC 程序設計的正確性和機械結構的合理性進行調試和驗證，優化裝備設計。以此平臺作為數字孿生應用示范教學平臺，有助于培養具有數字化設計能力的新技術復合型人才。

1 平臺基礎環境

1.1 NX 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、模具設計、運動仿真、電氣布線等場合。MCD是NX在“工業4.0”背景下新增的子平臺，支持機電一體化產品概念設計，借助外部接口的易互聯性，將機械、電氣、自動化多領域協同集成，形成強大的機電一體化概念設計體系。可用于3D建模和仿真，提供機電設備設計過程中的軟件在環、硬件在環仿真調試。通過虛擬設備模型與PLC連接，可對產品運行的可靠性進行虛擬調試和驗證。

1.2 TIA Portal

TIA Portal是西門子公司在“工業4.0”背景下推出的全集成自動化工程組態平臺。TIA V15以上版本的軟件平臺將自動化項目的關鍵組件進行了集成：S7-1500 PLC高級控制器，人機界面和伺服、變頻器驅動系統。提供了標準化的工程理念，使用戶可高效配置，編程調試和診斷，快速、直觀執行自動化和驅動任務。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，共享數據，易于構建數字雙胞胎。

1.3 PLCSIM 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，除了提供內部訪問接口（Softbus），可以仿真運行PLC程序外，還能通過外部網卡實現TCP/IP實時仿真通信。此外，還支持運動仿真、多軟件聯合仿真、過程診斷，可創建高達16個PLC實例。

1.4 通信連接

OPC UA是工業4.0中一個重要的通信協議，用于分布式控制系統中各級別工業設備（不同協議和平臺）的相互通信。它將物理設備、傳感器、電機等形成數字化模型對象，供不同軟件訪問。OPC UA提供了一致、完整的地址空間和服務模型，支持Windows應用程序與現場自動控制應用軟件的信息交互，使得同一系統的信息可以統一方式被訪問。

PROFINET是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，主要用于現場設備（使用PROFINET IO）的直接連接，具備實時、開放、靈活的優異性能。它使用組件化的設計，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，確保底層自動化環境與應用層IT環境數據的無縫垂直通信。

2 平臺結構與功能

2.1 平臺的系統結構

針對智能制造產線常見的自動裝配分揀單元，設計如圖2所示的數字孿生應用平臺。該平臺用于工件的裝配、分揀及包裝。其主體結構由供料單元、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作為自動化系統的核心控制器；變頻系統以G120變頻器驅動傳送單元的交流電機，帶動皮帶傳送工件；采用V90伺服驅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用于系統運行狀態監控；外圍IO設備由按鈕、傳感器、指示燈、電磁閥等構成。PLC通過路由器，采用PROFINET通信標準與變頻系統、伺服系統、HMI進行數據交換。工業PC機作為上位機和機電一體化概念設計平臺，通過以太網連接Web服務器和小型客戶端。

圖2 自動化裝配分揀系統的結構框架

2.2 平臺實現的功能

數字孿生是通過全過程數字技術實現物理信息的融合。按照數字孿生五維模型結構，平臺從物理實體、虛擬模型、數據信息、集成連接、服務支持五個維度來構建應用場景。其功能關系及實現原理如圖3所示。首先，以MCD-TIA作為數字樣機建模、電氣設計、自動控制編程與仿真的集成平臺，通過軟件在環方式可開展虛擬仿真與調試，優化模型和程序設計。然后，采用真實PLC采集實體設備平臺的傳感信號，并使用已經過虛擬調試驗證的程序驅動電磁閥、電機、指示燈等執行機構，控制實體設備正常運行。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通信，實現虛實數據交互，通過硬件在環以實控虛、以虛控實、虛實聯調。

圖3 數字孿生平臺的功能及原理

（1）虛擬仿真與調試

1）MCD虛擬環境構建。①構建幾何模型。根據裝配分揀裝備的功能需求、控制邏輯，利用NX進行3D建模或從部件庫中進行構件選型，裝配完整的虛擬樣機模型，設計虛擬場景。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；設置速度、位置控制等運動控制參數。③分配測控信號。添加執行器與傳感器，為虛擬模型的運行設定傳感信號與驅動元件。④設計仿真序列。利用信號觸發及動作執行的邏輯關系，設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。創建MCD與外部TIA交互的信號，以實現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自控環境搭建。①設備組態。添加硬件設備，選擇S7-1500T PLC、添加與實體設備對應的DI/DO模塊；組態2個V90 PN伺服驅動器、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絡組態，分配IP地址。②程序設計。按照工作任務要求，分配PLC的I/O地址，設計變量表；根據樣機模型的控制邏輯要求，設計控制程序，包括自動、手動、復位等不同運行模式。③HMI設計。在TIA的畫面設計中，設計開機登錄界面、自動操作界面、手動操作界面、故障報警界面。

3）MCD-TIA接口設置與虛擬調試。①添加虛擬PLC。通過PLCSIM Adv高級仿真器創建虛擬PLC實例，啟動仿真，執行TIA中下載的控制程序。②通信設置。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MCD-TIA兩者的變量鏈接。③仿真調試。啟動TIA-MCD仿真，將PLC和HMI均轉至在線。在自動、手動、復位模式下觀察虛擬模型的運行情況，驗證程序的正確性、穩定性。通過仿真和調試修正錯誤，優化程序和參數。

（2）實體設備調試

在TIA中完善工藝軸的設置，優化伺服變頻的運行參數，取消虛擬PLC、虛擬軸等仿真相關的設置。使用已經驗證的程序和HMI，并下載至真實PLC硬件中，對程序進行實體運行驗證。根據傳感信號的狀態，調整傳感器的靈敏度、檢測距離；根據氣缸的動作，調整節流閥的流量。根據皮帶的運行狀況，利用Startdrive組件進行變頻器驅動的配置和參數設置。由絲桿滑臺的運行情況，應用軟件V-ASSISTANT對V90伺服驅動進行優化調試。通過硬件調試和參數適配，使硬件平臺按任務要求正常運行。

（3）虛實聯調

使用經過硬件設備調試的PLC程序，將真實PLC與MCD虛擬平臺通過OPC UA通信達到數據交互。

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

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

3）以虛控實。將實際設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的輸出同時驅動硬件設備和虛擬模型，實際設備將跟隨虛擬模型運行。

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

圖4 裝配分揀裝備及數字孿生體虛實同步運行

3 平臺的教學應用

3.1 實訓環境布置

考慮理實一體化教學的特點和需要，數字孿生實訓室的區域布置如圖5所示。實訓室中央為數字孿生體設計、編程、調試區，兩側為實體硬件調試與驗證區。教學設施配置：數字孿生應用技術實訓平臺設備共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；虛擬仿真訓練資源包（12個應用場景）；多媒體教學系統1套（高速以太網交換機）。

圖5 實訓場地布置

3.2 教學項目設計

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，共設置26個教學項目。

1）機械設計模塊：①機械結構認知與MCD建模；②MCD的剛體，傳動副等屬性設置；③MCD的信號與接口設置；④MCD的物理特性屬性設置；⑤MCD虛擬仿真和調試。

2）電氣設計模塊：①TIA博途編程軟件認知；②傳感器認知與應用；③外部設備I/O分配與變量表設計；④電氣硬件連接與網絡組態；⑤開關、傳感信號采集控制；⑥開關量輸出控制；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變頻系統參數設置與編程調試；②伺服系統參數設置與編程調試；③PLC高級運動控制（同步運動、凸輪運動、插補運動）。

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

5）虛擬仿真模塊：①PLCSIM、PLCSIM Adv的應用；②SIMIT（unit）驅動行為仿真的應用；③MCD虛擬模式運行與調試。

6）綜合聯調：①系統控制程序設計；②系統HMI設 計；③系統虛擬仿真和調試綜合；④機電一體化硬件系統綜合聯調；⑤虛實一體化聯調。

實訓教學時，采用虛實結合的方式，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試訓練。然后針對整機開展系統聯調訓練。

3.3 教學效果

1）提高了學生機電一體化的綜合設計與實踐能力。平臺集成了傳感器檢測、氣動控制、伺服驅動、變頻驅動、觸摸屏監控、以太網通信等多項工業自動化當前使用的核心技術、新技術，使學生多層面鍛煉機械設計、電氣設計、自動控制等多學科交叉的應用能力，適應未來智能制造對數字化、復合型技術技能人才的需求。

2）推動教學內容和模式的創新。由于數字化孿生系統與真實設備的一致性，教學內容可以虛實結合，也可虛實分開，而不受限于硬件設備。故借助數字化孿生的“軟”平臺，“教”和“學”將不再受限于時間和地點，通過遠程即可開展線上學習和實操仿真訓練。在類似新冠肺炎疫情導致無法開展現場教學的情況下，可發揮重要作用。此外，以MCD-TIA平臺為基礎，可設計各種部件放在重用庫中，組合、裝配成各種設備模型。由此可創生出靈活多變的教學項目，有利于根據學習對象的學情開展分層次、個性化教學；也有助于培養學生的創新設計能力。

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

4 結束語

基于NX MCD和TIA的集成式系統工程環境，采用機電一體化概念設計方案，搭建了裝配分揀系統的數字孿生應用平臺。通過概念建模和基于物理場的仿真，借助以太網通信和軟件接口的變量鏈接可實現設計建模、仿真優化和實例化驗證。該平臺作為數字孿生技術的示范應用教學平臺，有助于培養適應未來智能制造的數字化、網絡化、智能化復合型人才。由于MCD-TIA的基礎環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。如增加工業機器人、數控機床等設備，形成更為復雜的智能制造產線孿生體。或與MATLAB等軟件交互，通過數據分析、處理和數學建模，優化機件設計與運動控制，進而研發更復雜、精密的機械裝備。