基于數字孿生技術的智能產線虛擬仿真實訓教學研究

楊 斌，俞齊鑫，張 丹

（常州信息職業技術學院智能裝備學院 江蘇 常州 213164）

實驗教學是高校培養學生實踐和創新能力的重要平臺。傳統實訓方式存在設備費用高、部分儀器危險性高、培訓效果差等問題[1]，而純虛擬的仿真實驗平臺，無真實的設備與之對照，使得學生不能體驗真實的交互過程。數字孿生通過數字化方式建立物理實體的虛擬數字模型，真實再現物理實體的運行狀態，形成一一對應的“數字雙胞胎”，實現“虛擬的也是真實的”“所見即所得”“仿真與實際相統一”[2]。本文以常州信息職業技術學院智能制造實訓車間項目中的“保溫杯墊智能制造生產線”為物理實體模型，利用數字孿生技術實現以實時數據驅動的智能產線仿真平臺構建，探索了數字孿生技術與自動化專業實訓教學的結合。

1 實訓教學課程形式

實訓教學不僅是理論課程的延伸，還是理論課程的實踐落地，是職業教育人才掌握技術技能的關鍵環節。在實訓教學中，教學方式主要有基于物理實體的實訓教學、基于虛擬仿真技術的實訓教學和基于數字孿生技術的虛實結合實訓教學[3]。

1.1 基于物理實體的實訓教學

高職電氣自動化專業實訓室和實訓基地建設是職業院校開展實踐教學的重要方式。常州信息職業技術學院電氣自動化實訓基地建設以電氣自動化專業為主，厘清各專業通用課程，通過硬件設施建設提升電氣自動化專業實訓基地功能，優化課程教學資源建設。實訓基地建設了多個西門子PLC 實訓室，這類實訓室發展較為成熟，學生可快速上手，但是還存在以下問題：①實訓設備和場地建設需花費大量資金，經濟負擔大；②設備更新換代不及時，損壞率高；③實訓設備數量有限，無法做到一人一設備。教學過程中，學生分組練習，只有少部分學生有機會操作實訓設備，大部分學生處于“游離”狀態，實訓效果差[4]。

1.2 基于虛擬仿真的實訓教學

虛擬仿真教學實驗室的建設打破了空間和時間的界限，學生可隨時通過瀏覽器進入實驗，改進了課程教學方式，促進了實踐教學，其強大的容錯功能有利于學生開展探究性實驗[5-6]。目前國內高校的虛擬仿真實驗還處于起步階段，教育部于2017 年啟動建設1000 項左右示范性虛擬仿真實驗教學的開發工作。截至2020 年，已有2079 個虛擬仿真實驗項目接入國家虛擬仿真實驗教學平臺，涵蓋41 個專業類別中的255 個專業和1561 門課程[7]。但是目前各高校虛擬仿真實訓共享渠道不暢通，仿真實驗創新性不強，實驗交互較為單一，與課程結合度不高。

1.3 基于數字孿生技術的虛實結合實訓教學

數字孿生的概念源于Michael Grieves 教授的產品全生命周期管理課程[8]，基于數字孿生技術的平臺可對物理空間進行高保真復現，通過數字化的手段構建一個在數字世界中一模一樣的實體，能對真實設備狀態和參數進行實時監控。隨著工業4.0 和智能制造等研究的深入，企業都在積極尋求智能化改造和數字化升級，數字孿生技術在工業產品的研發、制造和維護階段均有應用，但是與教學的融合還處于探索階段。相比于基于虛擬仿真的實訓教學，基于數字孿生技術的實訓教學能夠實現物理空間和虛擬空間的一一映射，既可以實現高度仿真，又可以達到真正的虛實動態交互。學生可以通過虛擬空間獲得實訓設備的實時運行狀態，在數字孿生模型中修改參數、程序等信息，并導入現實設備運行。基于數字孿生的實訓教學可以給學生帶來更直觀的控制觀感，提高課程實踐性和趣味性，同時虛擬空間為學生提供了試錯可能，有效鍛煉了學生解決復雜工程問題的能力。

2 基于數字孿生技術的智能產線實訓教學模式研究

2.1 實訓平臺架構設計及技術框架

2.1.1 實訓平臺架構設計

實訓平臺基于真實的保溫杯墊智能制造生產線構建1∶1 大小的虛擬場景，并同步真實產線的PLC 控制、工業機器人控制、AGV 小車控制等動作信息。實訓平臺包含原材料庫、外觀檢測、保溫面板裝配、前面板裝配、檢測站、半成品暫存庫、個性化定制、包裝和成品庫等站點。每個工作站點集成了PLC、觸摸屏和工業開關，借助不同的操作單元來完成產品的智能生產，每個站點單元既可獨立運行，也可組成生產線協同運行，以單個站點單元為基礎開展實訓教學，能夠滿足PLC 編程、工業機器人、工業視覺技術、工業網絡通信等課程的教學需求，也能滿足智能產線應用技術及相關綜合應用實訓課程的教學需求。

2.1.2 實訓平臺技術框架

數字孿生系統通常包含物理實體、虛擬實體、虛實信息交互通道、孿生平臺及數據層、測量感知及控制終端等要素[9]。該智能產線實訓平臺數字孿生模型技術框架包括基于UGNX軟件的物體實體數字化三維模型制作、三維孿生模型在仿真軟件中的動作構建及優化、三維孿生模型與物理實體的通信框架設計、仿真軟件的編程等幾個部分，如圖1 所示。

圖1 智能產線實訓平臺數字孿生模型技術框架

孿生模型除了完成三維模型導入，還需要進行各種部件及屬性的定義，設定相應的邏輯規則對孿生體進行控制，完成孿生模型的動作構建與優化。以氣缸為例，三維模型導入后無法完成氣缸的伸出抓取和縮回釋放操作，將氣缸缸體、活塞桿、活塞頭等關鍵設備單獨拆開，添加移動關節，完成部件定義和運動定義，實現虛擬設備與物理實體在邏輯功能上的同步。

智能產線實訓平臺控制設備主要以PLC、機器人運動控制器、嵌入式系統等為核心，設備與系統之間存在大量的數據信號交互，因此需構建實時數據采集系統。該智能產線數字孿生實訓平臺利用OPC UA 技術將收集的數據，如PLC 控制器、機器人運動控制器、傳感器、RFID 讀寫器等的數據進行統一格式的封裝與傳輸，實現對多源數據的統一管理。

2.2 實訓平臺功能模塊

實訓平臺具有獨立控制系統的多個工作站點，每個站點可以獨立運行，也可以組成生產線進行生產。每個工作站集成觸摸屏和工業開關，借助不同的操作單元來完成產品的智能生產過程。

以成品庫站點為例，成品庫是用來存放生產的合格產品且配置客戶取自己產品的窗口。托盤到達后，工站定位系統對物料進行二次定位，三軸機械手抓取產品至料庫；客戶根據MES 訂單生產情況進行出庫操作，若已生產完畢，可選擇執行出庫，成品庫的三軸機械手自動抓取客戶的訂單產品放置取料口，客戶取走自己的訂單，并在HMI上確認取走完成。成品庫站點的實際設備與模型如圖2 所示。針對成品庫站點的實際設備，構建了托盤、伺服電機等模型，模型與真實設備一樣，可通過接收實時PLC信號，完成相應動作。

圖2 成品庫站點的實際設備與模型

3 PLC 應用技術實訓課程教學

“PLC 應用技術”是自動化專業群核心課程之一，傳統的PLC 課程教學模式多以教師講授理論為主、實驗為輔，只能進行簡單功能性實驗驗證，無法滿足現代企業對PLC 控制人才的需求。PLC 應用技術實訓課程引入OBE（目標導向教育）理念[10]，以自動化專業畢業要求和市場需求為導向優化教學案例，采用工程項目應用教學[11]，以成品庫站點伺服電機項目式教學為例，共分五個任務，如表1 所示。

表1 成品庫站點伺服電機項目式教學任務分配

3.1 工程項目應用教學

傳統項目式教學以項目為載體，以任務導向為驅動，將理論內容融入具體項目，引導學生掌握相關知識點與崗位技能，但是應用考核簡單，缺乏工程實踐能力的訓練。PLC應用技術實訓課程以實際的“保溫杯墊智能制造生產線”為研究對象，采用工程項目應用教學模式，將課堂帶到工程現場，使教學更貼近工程實際，培養學生“面向交付”的復雜工程能力和綜合職業素養。以伺服電機項目式教學為例，從項目目標、項目實施和項目考核三個維度分析傳統項目式教學和工程項目式教學的差異。

3.1.1 項目目標

目前傳統的項目式教學對伺服電機控制的大多數要求是熟練掌握伺服電機的原理、接線和調試，學生通過設備平臺練習掌握基本應用。但工程項目應用教學對伺服電機掌握要求較高，要求學生根據項目要求對多個伺服電機提供精確控制，二者在知識目標和技能目標上的要求對比如表2 所示。

表2 傳統項目式教學和工程項目應用教學目標對比

通過對比，工程項目式教學更貼近工程實際，項目涉及知識點范圍廣，知識的綜合應用要求高。

3.1.2 項目實施

傳統項目式教學在項目實施過程中，配合實訓設備介紹相關知識和硬件接線，學生根據教師示例在實訓設備上實訓。整個過程，學生能較好地掌握相關知識和技能，但是缺乏工程能力提升訓練。在工程項目應用教學中，學生要能掌握項目全流程設計。首先確定電氣設計方案和硬件選型，根據項目需求和實際工藝流程選擇伺服電機和驅動、繪制伺服電機部分電氣設計圖。在功能上，實現對多個伺服電機的精確控制，引出函數與函數塊功能使用注意事項；引入Modbus TCP 通信，能夠與主站進行數據交互。

3.1.3 項目考核

在傳統項目式教學考核中，學生根據示例在實訓平臺上實訓，教師主要依據任務功能的完成情況逐一進行評分，學生和教師缺乏主觀能動性。工程項目應用教學考核分為電路設計、純虛擬模式功能仿真驗證、綜合調試三個部分，其詳細考核環節如表3 所示。

表3 工程項目應用教學考核

3.2 成品庫站點伺服電機實訓項目實施教學環節

成品庫站點實訓，采用理實一體化教學，通過理論講解使學生快速理解和掌握伺服電機的原理、調試和使用，便于實踐教學的開展。教學過程采取理論與實訓時間1∶1的分配模式，理論講解與實踐操作交替進行，教師講解知識點和技能點，學生在智能產線數字孿生實訓平臺中，進行學習和實踐。成品庫站點的實訓教學過程分為以下環節：

①學習任務相關理論知識。根據每個任務要求，講解相關理論知識，使學生熟悉數字孿生實訓平臺環境，快速查找到各組成機構設備組件，包括執行機構、驅動系統、控制系統，加深學生對理論知識的認知。

②熟悉實訓任務內容。學生認真閱讀實訓任務書，明確實訓任務目的、實訓內容及步驟、實訓要點、注意事項等。

③純虛擬模式教學。在該模式下，不需要真實的實訓設備，通過虛擬PLC和數字孿生實訓平臺即可模仿整個生產線流程運作，學生通過調試PLC 邏輯編程，并在虛擬場景中進行驗證。通過這種模式，學生可以快速掌握實訓技能，驗證實驗想法，擁有試錯機會。此外，這也可以排除因操作失誤帶來的安全隱患，提升了安全性。

④虛控實模式教學。學生通過純虛擬方式掌握了相關技能，在虛擬環境中配置相應設置后，驅動真實設備的運行，可加深在虛擬環境中對設備運行邏輯的理解。

⑤綜合實訓教學。在該模式下，虛擬模型與真實設備處于同步運動狀態，可實現對智能產線設備的實時監控，學生通過對生產狀態的觀察，分析實訓過程，發現不足。

4 結語

數字孿生虛擬仿真實驗平臺立足于真實的智能制造產線，將虛擬仿真技術與實踐教學相結合，進行了有關PLC仿真教學項目的開發和設計，突破了現實教學中的場地和時空界限，提高了學生的興趣，培養了學生創新和解決問題的能力；在教學項目開發過程中，按照企業產品研發模式，采用了工程項目式教學模式，有效提升了學生的系統思維和工程思維，提升了學生解決復雜工程問題的能力。