自動化生產線物料加工單元數字孿生系統設計

摘 "要：該文基于Automation Studio集成軟件開發平臺，以YL-335B自動化生產線物料加工單元作為物理實體，首先在Automation Studio中完成物料加工單元機械3D模型的導入，然后在Automation Studio中完成加工單元氣動回路的設計及電氣控制系統的設計，最后進行集成仿真驗證功能。結果表明，可實現自動化生產線加工單元數字孿生系統工作裝置的動作，驗證該設計的正確性。

關鍵詞：自動化生產線；虛擬仿真；數字孿生；Automation Studio；PLC

中圖分類號：TP278 文獻標識碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0113-04

Abstract： Based on the Automation Studio integrated software development platform， taking the material processing unit of the YL-335B automatic production line as the physical entity， this paper first completes the import of the mechanical 3D model of the material processing unit in Automation Studio， then completes the design of the pneumatic circuit of the processing unit and the design of the electrical control system in Automation Studio， and finally carries on the integrated simulation verification function. The results show that the action of the working device of the digital twin system of the processing unit in the automatic production line can be realized， and the correctness of the design is verified.

Keywords： automatic production line; virtual simulation; digital twin; Automation Studio; PLC

近年來，隨著市場經濟的變化和工業智能技術的發展，制造企業面臨的競爭壓力越來越大，客戶的要求也越來越高，對產品的智能化、個性化需求也越來越多，傳統制造企業的生產線面臨著數字化升級的問題，要實現我國制造企業數字化智能化升級，數字孿生成為各國推進經濟社會數字化進程的重要抓手。數字孿生（Digital Twin）的定義是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據及算法模型等，模擬、驗證、預測和控制物理實體全生命周期過程的技術手段[1]。數字孿生技術與國民經濟各產業融合不斷深化，有力推動著各產業數字化、網絡化、智能化發展進程，成為我國經濟社會發展變革的強大動力。在制造領域，以德國西門子公司為代表的企業研究了將數字孿生技術應用于產品的設計、生產、制造、運營、服務及回收等全生命周期過程。國內北航數字孿生小組在2017年提出了數字孿生車間的概念，闡述了數字孿生車間的關鍵技術，探索了數字孿生與大數據、云計算、人機交互和信息物理系統等技術的關系，開展了數字孿生在設計、制造、服務領域的應用研究。此外，在航空航天、交通、電力、醫療和智慧城市等領域均有相關企業和科研單位開展數字孿生的應用。2020年中國電子技術標準化研究院發布了《數字孿生應用白皮書》，白皮書通過梳理數字孿生技術和產業應用發展情況，分析數字孿生技術熱點、行業動態和未來趨勢，提出相關的標準化工作需求，希望可以作為數字孿生技術領域、產業發展和標準化之間的初始連接紐帶，以加快推動數字孿生發展應用[2]。數字孿生技術在世界上還處于初級階段，只有一些大公司嘗試在一些領域和環節運用數字孿生技術來改造一些設備和工藝，如通用電氣、阿里巴巴、微軟等。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，缺乏構建數字孿生所需的數據基礎和技術支撐[3]。本文將以自動化生產線數字孿生系統搭建與應用為例，研究數字孿生技術在生產線中的應用。

1 "總體設計方案

數字孿生系統的設計離不開虛擬仿真技術的支撐，仿真技術是創建和運行數字孿生模型的核心技術之一。Automation Studio是一款工業自動化產品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，其所涵蓋的項目包括機械技術，如液壓、氣動、電氣工程、控制、人機界面和通信協定等，可以將所有技術集成在一起，創建一個在仿真過程中具有準確行為的完整系統，創建硬件設備的數字孿生，如取放裝置、傳送帶、交通信號燈、電梯和洗車設備等虛擬系統[4]。

因此，本設計選擇Automation Studio作為數字孿生系統的軟件開發平臺，以YL-335B自動化生產線物料加工單元作為物理實體，在Automation Studio軟件平臺中完成YL-335B自動化生產線物料加工單元數字孿生體的設計。首先在Automation Studio中完成物料加工單元機械3D模型的導入，然后在Automation Studio中完成加工單元氣動回路的設計及電氣控制系統的設計，最后進行3D模型、氣動回路及控制系統的集成仿真，進行設計功能驗證。

2 "自動化生產線物料加工單元數字模型的導入

YL-335B自動化生產線物料加工單元的功能是把待加工工件從物料臺移送到加工區域沖壓氣缸的正下方，對物料進行沖壓加工，然后把加工好的工件重新送回至物料臺的過程。物料加工單元的主要結構組成包括加工臺及滑動機構、加工（沖壓）機構、電磁閥組、接線端口和底板等，其中加工臺及滑動機構用于固定被加工工件，并把工件移到加工（沖壓）機構正下方，其主要由氣動手爪、加工臺伸縮氣缸、線性導軌及滑塊、磁感應接近開關和漫射式光電傳感器等組成，加工機構用于對工件進行沖壓加工，加工（沖壓）機構主要由沖壓氣缸、沖壓頭、安裝板等組成，沖頭安裝在沖壓缸頭部，當工件移到加工（沖壓）機構正下方，即伸縮氣缸活塞桿縮回到位時，沖壓氣缸伸出對工件進行加工，完成加工動作后沖壓缸縮回，為下一次沖壓做準備。

按照YL-335B自動化生產線物料加工單元物理實體，采用機械建模軟件建立的物料加工單元三維數字模型如圖1所示，在Automation Studio中導入自動化生產線物料加工單元數字模型3D對象的具體方法：打開Automation Studio自定義庫，打開已經建立好的YL-335B 物料加工單元3D可控對象，進行3D-Link連接，后續可以在Automation Studio中建立氣動回路圖、PLC程序圖、順序功能控制圖等，控制導入的數字模型3D對象[5-6]。

3 "自動化生產線物料加工單元氣動回路的設計

自動化生產線物料加工單元所使用的氣動執行元件有3個：伸縮氣缸（標準直線氣缸）、加工氣缸（薄型氣缸）和夾緊氣缸（氣動手指）。根據YL-335B自動化生產線物料加工單元的加工動作要求繪制氣動回路圖，3個氣缸均采用兩位五通單電控換向閥進行方向控制，伸縮氣缸初始處于伸出位置，加工氣缸初始處于上升位置，夾緊氣缸初始處于松開位置，采用單向節流閥進行氣缸雙向速度調節。

在Automation Studio中繪制的氣動控制回路圖如圖2所示，具體的繪制方法為插入所需的氣動組件，將庫中所需組件拖放到圖面上，然后將所有元素連接在一起，便可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，氣動回路繪制完成后，仿真驗證功能正確后，最后定義變量V1為加工電磁閥的電磁控制端，V2為伸縮電磁閥的電磁控制端，V3為夾緊電磁閥的電磁控制端，V1要關聯PLC圖中用螺線管代替的V1變量，同理關聯伸縮電磁閥V2和夾緊電磁閥V3，具體的變量關聯方法為選擇加工電磁閥，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，同理關聯伸縮電磁閥、夾緊電磁閥。變量關聯是集成仿真的基礎，必須關聯并且要關聯正確，否則將無法實現集成仿真。

4 "自動化生產線物料加工單元電氣控制

4.1 "電氣控制接線圖的繪制

從Automation Studio電氣控制庫中拖放需要的組件以創建電氣控制電路，在圖面上插入電氣控制組件時，將電氣組件進行命名方便區分，方便進行變量關聯，例如用螺線管模擬電磁閥，螺線管命名為V1，將換向閥的電磁閥（螺線管）命令項與電氣控制電路的電磁閥（螺線管）連接，點擊換向閥以打開鏈接窗口，單擊菜單中的變量分配，單擊換向閥的電磁閥（螺線管）圖標，使用搜索查找變量，顯示符合條件的變量，確定名稱后，點擊其以創建鏈接，重復以上步驟完成第二個、第三個電磁閥（螺線管）關聯。自動化生產線物料加工單元電氣控制接線圖如圖3所示。

4.2 "創建控制系統

在完成3D模型導入、氣動原理圖設計后，就可以進行PLC控制原理設計。在Automation Studio中打開3D Link菜單，再打開亞龍YL-335B仿真插件，點擊start按鈕，讀取亞龍YL-335B仿真插件的變量，點擊停止按鈕查看變量是否已經讀取，在變量管理器中，檢查讀取到的變量是否正確。對Automation Studio進行系統仿真控制可分為梯形圖控制或順序功能圖（SFC）控制2種方法，下面將分別介紹自動化生產線物料加工單元的2種控制。

4.3 "PLC梯形圖控制

加工單元的工作過程：物料檢測傳感器檢測到工件后，PLC控制程序驅動氣動手指將工件夾緊→加工臺縮回到沖壓氣缸下方→沖壓氣缸活塞桿向下伸出沖壓工件→完成沖壓動作后向上縮回→加工臺重新伸出→到位后氣動手指松開，并向系統發出加工完成信號，此為完成1次加工。在Automation Studio中完成梯形圖控制如圖4所示。具體的方法如下。使用TIA Portal V16編程思路，在通用組件中打開梯形圖（Siemens PLC），選擇梯級創立PLC程序框架，再使用其中常開接點、常閉接點、 線圈等進行構建PLC程序，構建PLC程序后將PLC的常開接點、常閉接點、線圈等作為變量連接至電氣控制接線圖（圖3）中。

4.4 "SFC控制

在Automation Studio中創建加工SFC控制圖，如圖5所示。創建SFC的具體操作過程：先查看4.2 章節創建控制系統時讀取的YL-335B仿真插件物料加工單元的相關變量表，在Automation Studio中新建順序功能圖（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”，變量窗口中，選擇“加工單元伸縮氣缸變量（BOOL）”，并輸入“：=1”表示將該變量賦值“1”，選插入“轉換”（表示跳轉的條件），鼠標右鍵“轉換”選擇 “組件屬性”，從變量窗口中，選擇“加工單元伸縮氣缸伸出到位”；重復上述步驟完成圖5的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“加工單元SFC”，別名設置“加工單元SFC”。

5 "集成仿真功能驗證

為了驗證本設計的正確性，最后還要在Automation Studio中進行集成仿真功能驗證，點擊Start按鈕啟動仿真，仿真瞬間的截圖如圖6所示，結果表明：氣動回路中3個氣缸按照工作要求依次工作，自動化生產線加工單元數字孿生系統工作裝置的動作正確，仿真功能正確，驗證了該設計的正確性。

6 "結束語

在虛擬環境中把物理生產線架構起來，構建生產線的數字孿生體，不僅能夠節省大量物資，同時也可以快速優化，加速實踐。本文設計方案與實際生產同步，為設計者和管理者提供了一種生產線設計的理論基礎和實驗平臺，降低了生產線設計、調試的成本，提高了生產效率，在此設計的基礎上，后續可繼續開展研究，采用OPU UA協議，進一步研究物料加工單元數字虛體與加工單元物理實體之間的通信。數字孿生技術與工業物聯網、5G通信、大數據、云計算、人工智能及3D可視化等一系列技術，可以構建出現實世界物體的虛擬鏡像，在幾何形狀、物理模型、行為狀態等方面進行模擬、仿真、預測和輔助決策，從而能有效解決上述問題，實現智能制造的愿景，制造業數字孿生應用發展前景廣闊，數字孿生正成為制造業數字化轉型的核心驅動力，在產品研發、工藝規劃、生產制造、出廠測試及運維服務等各生命周期場景均可帶來高價值的應用優勢。

參考文獻：

[1] 施佳宏，劉曉軍，劉庭煜.面向生產線仿真的數字孿生邏輯模型構建方法[J].計算機集成制造系統，2022，28（2）：442-452.

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[3] 趙欣悅.基于數字孿生的車間生產運行故障預測方法研究[J].新型工業化，2020，10（12）：73-75，77.

[4] 王春曉.基于數字孿生的數控機床多領域建模與虛擬調試關鍵技術研究[D].濟南：山東大學，2018.

[5] 何軍，陽星，張軍.基于Automation Studio的濕噴機機電液聯合仿真模型構建方法[J].機床與液壓，2022，50（13）：168-173.

[6] 劉義付，孫瑞霞.基于Automation Studio工程車輛鏟斗舉升機構特性分析[J].機械設計與制造，2021（7）：32-36.