基于Automation Studio的自動化生產線數字孿生系統的設計與研究*

周玉印

(云南機電職業技術學院 電氣工程學院,云南 昆明 650203)

1 引言

習近平總書記指出,世界經濟數字化轉型是大勢所趨,黨的十九大報告明確提出要加快建設制造強國,《中國制造2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向,推進生產過程智能化,培育新型生產方式,全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平”[1]。智能制造的瓶頸之一是如何實現制造的物理世界和信息世界之間的交互與共融,而數字孿生技術的特征是網絡空間和物理空間的交互融合,數字孿生(Digital Twin)是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體,借助歷史數據、實時數據以及算法模型等,模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段,數字孿生是解決智能制造瓶頸的有效手段[2]。2020年11月11日,由中國電子技術標準化研究院牽頭編寫的《數字孿生應用白皮書》正式發布,《數字孿生應用白皮書》對數字孿生相關定義、特征進行了闡述,針對當前數字孿生技術熱點、應用領域、產業情況和標準化現狀進行了梳理分析,涵蓋了智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等6個領域共計31個數字孿生應用案例。在此背景下,數字孿生技術受到廣泛關注,將產生巨大的發展潛力。

國內外對數字孿生技術的研究和應用呈井噴式發展,在航空航天、制造、交通、智慧城市、電力、醫療等領域均有相關企業和科研單位開展數字孿生的研究,同時涌現了很多新的研究成果,但是數字孿生技術在自動化生產線的設計研發和具體應用尚處于探索階段,研究成果相對較少且缺乏系統性[3]。本文以自動化生產線供料單元數字孿生系統搭建與應用為例,研究數字孿生技術促進大數據驅動的制造業時代物理空間和虛擬空間之間融合的方法。

2 自動化生產線供料單元孿生體3D模型

圖1所示為YL-335B自動化生產線供料單元3D模型,這是數字孿生系統與物理實體的“形”[4],借助Unity 3D軟件設計,Unity 3D引擎強大的動畫功能高保真度地創建自動化生產線設備數字孿生系統模型。

圖1 Automation Studio中自動化生產線供料單元3D模型

供料單元的主要結構組成如下:主要由工件裝料管形料倉、頂料氣缸、推料氣缸、支撐架、電磁閥組、磁性開關、漫射式光電傳感器、底板等組成。其中,工件裝料管形料倉用于存儲工件原料,頂料氣缸和推料氣缸作為驅動裝置,用于在供料時將料倉中下層的工件推出到物料臺上。在底座和管形料倉倒數第4層工件位置,分別安裝一個漫射式光電開關,它們的功能是檢測料倉中有無工件或工件是否充足。物料臺面上開有小孔,物料臺下面安裝有一個圓柱形漫射式光電接近開關,接通電源后向上發出光束,從而透過小孔檢測物料臺是否有工件存在,以便向整條生產線系統提供本單元物料臺有無工件的信號。

3 自動化生產線供料單元數字孿生系統的設計

數字孿生技術離不開虛擬仿真技術的支撐,從技術角度看,仿真技術是創建和運行數字孿生模型、保證數字孿生模型與對應物理實體實現交互共融的關鍵技術之一[5-6]。Automation Studio是貝加萊公司開發的一款面向工業自動化產品的集成化的軟件開發環境,可應用于任何規模任何范圍的項目,其所涵蓋的項目涉及機械技術、液壓、氣動、電氣工程、PLC控制、人機界面和通信協議等,Automation Studio能夠快速地將這些不同的技術集成以設計、制作文檔及仿真完整的系統。Automation Studio原理圖可以連接到第三方軟件和硬件,例如,將原理圖連接到Unity 3D環境,以便在虛擬孿生中更添加真實感,可以使用I/O接口工具模組、OPC UA服務器或CAN模組等進行外部硬件連接[7]。

3.1 自動化生產線供料單元數字孿生系統總體設計

本設計以YL-335B自動化生產線供料單元作為物理實體,選擇Automation Studio作為數字孿生系統的軟件開發平臺。首先在Automation Studio軟件平臺中建立YL-335B自動化生產線供料單元的數字孿生虛擬模型,按照供料站物理實體的工作任務要求,軟件內系統集成實現數字孿生虛擬仿真功能;然后采用OPU UA協議,進行Automation Studio中數字孿生虛擬模型與供料單元PLC 1200的軟、硬件通信,最后進一步研究供料單元數字虛體與供料單元物理實體之間的數據交互(見圖2)。

圖2 數字孿生自動化生產線

3.2 導入供料單元數字模型3D對象

Automation Studio可以與Unity 3D聯接,受益于Unity 3D軟件強大的動畫功能,此功能非常適合用于在Automation Studio中開發的數字孿生系統[8]。自動化生產線供料單元數字模型3D對象建模完成后,打開Automation Studio自定義庫,打開已經建立好的YL-335B供料單元3D可控對象,進行3D-Link連接,便于后續能夠通過Automation Studio平臺對YL-335B自動化生產線供料單元數字模型3D對象進行正確的控制仿真,可以在Automation Studio建立氣動回路圖、仿真PLC圖、PLC程序圖、順序功能控制圖,使用博途TIA Portal V16軟件進行編程或Automation Studio,在OPC UA通信下控制自動化生產線供料單元數字模型3D對象或實體自動化生產線供料單元。

3.3 供料單元氣動回路的設計

根據YL-335B自動化生產線供料單元的供料動作要求在Automation Studio中繪制氣動回路圖,氣動控制回路是本工作單元的執行機構,該執行機構的控制邏輯與控制功能是由PLC實現的?；芈匪璧乃薪M件都包含在Automation Studio的主氣動庫中,只需單擊它即可顯示組件,然后將庫中的所需組件拖放到圖面上,最后將所有元素連接在一起,以完成氣動回路的連接。在連接完成后如若出現紅色元件或紅色連接線路,此處線路為連接錯誤,需重新添加線路或刪除連接線重新連接。

自動化生產線供料單元氣動回路如圖3所示,圖3中兩個執行元件分別為推料氣缸和頂料氣缸,兩個氣缸的初始位置均處于縮回位置。氣動回路繪制完成后,仿真驗證功能正確,然后定義變量V1和V2分別為控制推料氣缸和頂料氣缸的電磁控換向閥的電磁控制端,V1、V2要關聯PLC圖中用螺線管代替的V1、V2的變量,具體的變量關聯方法如下:選擇推料換向閥,雙擊打開組件屬性,選擇“變量分配”,將兼容仿真變量與組件的SQL1變量相關聯,同理關聯頂料氣缸。

圖3 自動化生產線供料單元氣動回路

3.4 通過SFC編程實現供料單元虛擬仿真控制

順序功能圖(SFC)是一種輕松高效地設計結構化自動化控制邏輯的選擇,在Automation Studio中創建順序功能圖元素與編寫語句時,Automation Studio會引導完成編寫正確語法,每次插入步驟、轉換或語句時,配置窗口都會顯示適用的命令、說明和定義[9]。自動化生產線供料單元的工作過程如下:工件垂直疊放在管型料倉中,推料氣缸處于管型料倉的最底層,并且其活塞桿可從料倉的底部通過,頂料氣缸則與次下層工件處于同一水平位置。在需要供料時(物料臺上無料),首先使頂料氣缸伸出,頂住次下層工件,頂料到位后,然后使推料氣缸伸出,把最下層工件推出到物料臺上,推料到位后,推料氣缸返回并縮回到位后,再使頂料氣缸返回,松開次下層工件。這樣,料倉中的工件在重力的作用下就自行落下,為下一次供料推出工件做好準備。

在Automation Studio中設計SFC控制圖具體的操作過程如下:新建順序功能圖(SFC),插入初始步驟,雙擊該步驟或選擇該步驟,鼠標右鍵選擇“組件屬性”,從變量窗口中選擇“供料單元頂料氣缸變量(BOOL)”,并輸入“:= 0”表示將該變量賦值“0”,重復上述動作,將“供料單元推料氣缸變量(BOOL)”賦值0;選插入“轉換”(表示跳轉的條件);重復上述步驟完成SFC順序流程編程,添加變量,選擇類型“BOOL”,定位選擇SFC,名稱設置“供料單元SFC”,別名設置“供料單元SFC”。順序功能語句的編寫需要嚴格按照順序填寫,否則將造成控制混亂,從而無法實現控制功能。

3.5 虛擬仿真驗證功能

點擊Start按鈕啟動仿真,按下綠色啟動按鈕進行供料站3D模型動作功能驗證,仿真結果顯示功能正確,仿真瞬間的截圖如圖4所示,仿真動作過程圖如圖5所示,從而完成了自動化生產線供料單元數字孿生系統的設計,驗證了設計的正確性。

圖4 供料單元數字孿生系統集成仿真操作界面

4 自動化生產線供料單元數字孿生系統與物理實體之間的軟、硬件連接

通過Automation Studio軟件的通信模塊OPC,與博途TIA Portal V16軟件來實現與西門子CPU 1214C AC/DC/RLY實體PLC的通信,該通信過程中的核心問題是Automation Studio與TIA Portal V16之間的通信。采用OPC UA作為模塊之間的標準接口,進行Automation Studio中數字孿生虛擬模型與供料單元物理實體PLC 1200的軟、硬件通信,通過OPC UA服務器建立虛實模型的連接,實現虛實交互。

4.1 OPC UA通信協議

Automation Studio中集成了OPC統一架構(OPC Unified Architecture,簡稱OPC UA),OPC UA協議是一種適用于工業自動化應用的獨立于廠商的通信協議,該協議是平臺獨立且內置有安全機制,由于OPC UA靈活且完全獨立,因此它被視為實現工業4.0的理想通信協議[10]。OPC UA標準提供了一種簡單的方法實現在機器之間交換數據和信息通信,且不受限于平臺和制造商,除了純數據傳輸之外,OPC UA還會為所傳輸的信息提供機器可讀的語義描述定義,使得OPC UA非常易于集成和操作,因此,OPC UA為工業環境的數字化設計提供了理想的先決條件,因此它在智能制造產業中的受歡迎程度和重要性都與日俱增。Automation Studio可以通過OPC UA服務器連接到第三方軟件和硬件,解決了本設計中的數字孿生體和物理實體的交互的難點。

4.2 建立博途OPC UA服務器

1)OPC UA設置。

打開TIA Portal V16軟件,創建新項目,添加新設備CPU 1214C AC/DC/RLY,設備組態,更改IP地址,激活OPC UA服務器,默認服務器地址,服務器地址默認為IP地址和端口號,運行系統許可證SIMATIC OPC UA S7-1200 basic,否則無法進行聯接,添加數據塊,點擊數據塊屬性,取消優化的塊訪問,否則會出現編譯下載錯誤,并選擇數據塊從OPC UA可訪問,否則無法進行連接通信。

2)OPC UA通信設置。

新增服務器端口,將OPC UA元素拖至OPC UA服務器接口,最后下載至自動化生產線供料單元實體PLC(見圖6)。

圖6 OPC UA元素關聯

4.3 Automation Studio與TIA Portal V16的OPC UA連接

打開Automation Studio通信管理器,選擇OPC客戶端UA,添加OPC服務器,將TIA Portal V16 OPC UA服務器地址復制粘貼在手動網址(URL);配置OPC服務器,重新連接周期設置為1 000 ms,可以縮短其通信反應時間,之后若顯示連接失敗,原因是缺少OPC UA證書,未能實現相互連接,解決的方法是拷貝OPC UA證書,證書拷貝路徑為C:ProgramDataOPCFoundationCertificateStoresRejectedCertificatescerts,按拷貝路徑打開相應文件夾,將對應的OPC UA拷貝至正確文件夾中,此時將會連接成功,連接結果如圖7所示。

圖7 Automation Studio與TIA Portal V16 OPC UA連接成功

5 自動化生產線供料單元虛實交互試驗

Automation Studio與TIA Portal V16 OPC UA連接成功后,添加OPC組,將已經顯示連接的OPC服務器添加至改組中,OPC服務器選中Server_#1,在添加完OPC組后,點擊鏈接,鏈接選中組Group_#1,此時會顯示出連接PLC數據情況,Server Interfaces里尋找建立的服務器端口,在服務器端口中找到建立的供料單元變量;在別名下搜索需要的Automation Studio變量,將正確的變量進行相互關聯。例如此處,供料單元推料氣缸關聯變量V1,供料單元頂料氣缸關聯變量V2,此時完成變量關聯(見圖8),狀態顯示綠色即為關聯成功,OPC關聯完成之后便可進行自動化生產線供料單元數字孿生系統與物理實體的虛實交互試驗,試驗結果數據如圖9所示。

圖8 虛實交互連接成功

圖9 試驗結果數據

6 結語

數字孿生作為新一代高新技術,結合人工智能、5G、區塊鏈等前沿技術,在衛星/空間通信網絡、船舶、車輛、發電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫療、制造車間、智慧城市等領域不斷深化融合,有力推動各行業數字化轉型的發展,實現智能互聯網時代的升級與變革。2020年以來,“數字孿生”不再只是一種技術,而是一種發展的新模式,一個轉型的新路徑,一股推動各行業深刻變革的新動力。

運用數字孿生技術,建立包含所有制造過程細節的數字孿生模型,在虛擬環境中驗證制造過程,發現問題后及時在模型中進行修正。這種明顯區別于傳統流程驗證的高效方法,在產品設計階段即可預見其性能并加以改進,在制造流程初期就能掌握準確信息并預見制造過程,保證所有細節都準確無誤,幫助企業更快地向市場推出優質的產品,搶占先機。借助數字孿生模型可以設計出包含所有細節信息的生產布局,包括機械、自動化設備、工具、資源甚至是操作人員等各種詳細信息,并將之與產品設計進行無縫關聯。設計人員和制造人員實現協同,設計方案和生產布局實現同步,這些都大大提高了制造業務的敏捷度和效率,幫助企業面對更加復雜的產品制造挑戰。

本文基于Automation Studio的自動化生產線數字孿生系統的設計與研究的過程及方法,為設計者和管理者提供生產線設計的理論基礎和實驗平臺,相關工作能為相關學者進一步開展數字孿生理論、技術和工程應用研究提供啟發及參考。