基于AML 的分布式開放控制系統的虛擬調試技術研究

孫銳 樊留群

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

面對當今競爭激烈的市場環境和日益增加的定制化需求，制造企業必須盡可能縮短產品生命周期，提高生產系統柔性化水平，利用數字化工具進行模擬和仿真，以加速產品開發過程?；跀底謱\生（Digital Twin，DT）技術，可以建立物理對象的數字化模型，以描述物理對象的實際行為，分析物理對象未來的發展趨勢，實現對物理對象的仿真優化[1]。

為了加快調試過程，降低調試成本，盡早發現設計中存在的缺陷，降低研發中存在的風險，可以在研發的早期階段，并行開發產品的機械結構設計、電氣系統設計和控制系統設計，構建虛擬生產系統，并在仿真環境中進行調試[2]。這種基于數字孿生的虛擬仿真技術被稱為虛擬調試（Vitual Construction，VC）。

隨著美國工業互聯網、德國工業4.0 及中國制造2025 等國家層面制造業發展戰略的提出，智能制造已經成為全球制造業發展的共同趨勢與目標，DT 成為解決智能制造信息物理融合難題和踐行智能制造理念與目標的關鍵使能技術[3]。虛擬調試作為DT 技術的工業應用，正逐漸成為國內外技術人員研究的焦點。

1 VC 概述

VC 分為現實在環（Reality in the Loop，RIL）、硬件在環（Hardware in the Loop，HIL）和軟件在環（Software in the Loop，SIL）3 種類型。RIL 連接虛擬可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）/ 分散控制系統（Distributed Control System，DCS）和實際工廠設備以調試控制程序。HIL 和SIL則是在對系統的部分或整體進行建模的基礎上，將控制邏輯分別下載到與之相連接的物理PLC/DCS 和虛擬PLC/DCS 中。通過這些下載的控制邏輯控制虛擬系統，在虛擬環境中模擬系統的行為。這3 種VC 方法旨在解決各種場景的不同問題[4]。

國外廠商基于各自的集成開發環境提供了VC 解決方案。西門子公司Tecnomatix 旗下的產品工藝設計與工藝模擬（Process Designer &Process Simulate，PDPS）軟件系統和NX MCD 軟件系統都能夠與西門子TIA Portal 軟件平臺協同，對自動化設備和生產線中常見的自動化行為進行3D 建模、仿真和虛擬調試。Visual Components 公司開發的軟件通過VC 提高制造運營效率，利用PLC 和機器人控制器進行設計仿真和驗證，以實現對過程性能的精確控制。Emulate 3D公司開發的Demo3D 仿真軟件在物流系統虛擬調試中融入摩擦力、重力、阻力、慣性等物理特性。達索的3D EXPERIENCE 平臺將設計、仿真、分析工具（如CATIA、DELMIA、SIMULIA 等）、協同環境、產品數據管理、社區協作以及大數據技術等產品整合到一個平臺上實現VC。

隨著VC 技術的不斷發展，其已經在國內外制造業生產過程中得到廣泛應用。DAMMACCO 等在VC中融入虛擬現實（Virtual Reality，VR），提供了電動車軸生產線VC 的實際工業用例[5]。WANG 等運用VC 技術模擬了數控機床加工過程[6]。鄭魁敬等在機器人磨削系統中應用VC 技術，驗證了機器人自動化生產系統VC 方案的有效性[7]。李娟莉等研究了智慧礦山中液壓支架群跟機行為工藝VC 關鍵技術[8]。金愔等將VC 應用于智能物流中的分揀系統，實現對件箱分揀系統的提前驗證與測試[9]。

在智能制造大規模推廣和應用的當下，現有VC架構在處理復雜生產系統時存在局限性。國際電工委員會提出的分布式工業過程測量與控制系統新標準IEC 61499 和一種獨立于供應商的、開放的、基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）的、可擴展的免費工程軟件——自動化標記語言（Automation Markup Language，AML），為VC 架構的創新提供了支撐[10]。基于AML 的分布式開放控制系統VC 架構實現了多源異構數據的交換和集成、軟硬件解耦設計、一體化系統部署以及分布式運行協作，大大節省VC 系統開發、部署與調試所需時間。

2 基于AML 的分布式開放控制系統VC 架構設計

基于AML 的分布式開放控制系統VC 的基本架構如圖1 所示，它主要采用4 項技術和軟件。

圖1 基于AML 的分布式開放控制虛擬調試系統架構

2.1 AML

在AML 中，可以將生產系統分為產品、過程和資源3 部分進行建模，實現產品和生產系統全生命周期的管理。通過AML 建模，不僅能夠存儲分布式開放控制VC 系統的邏輯信息和模型信息，還可以更直觀地檢查VC 系統的運行情況。

以智能倉儲單元為例說明生產系統的AML 建模過程。從產品角度來看，智能倉儲單元包含原料和成品。從過程角度來看，智能倉儲單元包含原料入庫、原料出庫、成品入庫以及成品入庫4 個工作流程。從資源角度來看，智能倉儲單元包含接駁臺、機器人、滾筒輸送線和立體庫。為此，可以運用PPR 方法對該系統進行AML 建模。其中，產品、過程和資源三者的內部元素通過PPRConnector 接口，以Internal Link 的形式連接。智能倉儲單元的模型信息通過COLLADA Interface 存儲，邏輯信息通過Logic Interface 存儲。

2.2 VC 平臺

課題的VC 平臺搭建于Unity。Unity 作為一種強大的圖形引擎和模擬平臺，可以應用于模型運動學仿真場景，在VC 中具有廣泛的運用。通過讀取AML模型中的模型信息，可以在Unity 環境中搭建VC 的孿生工廠。該孿生工廠不僅能夠準確模擬實際物體的運動，還能夠通過傳感器數據實時反饋虛擬設備的運行狀態，使工程師及時調整和優化VC 系統。

2.3 IEC 61499

為了使系統功能的實現不依賴于特定的軟硬件，并且能夠實現分布式的控制邏輯，PLCopen 組織對IEC 61131-3 進行補充和擴展，并在2005 年發布了IEC 61499。IEC 61499 標準相對于IEC 61131-3 具有更高的靈活性和適應性，在集成開發環境下，不僅可以運用現有的IEC 61131-3 標準，還可以集成各種高級語言編寫的功能塊，如C/C++、Java、Python 等。智能倉儲單元機器人功能塊如圖2 所示。

圖2 智能倉儲單元機器人功能塊

與IEC 61131-3 功能塊不同，IEC 61499 功能塊區分了事件和數據。其中，事件位于功能塊頂部，數據位于底部，事件和數據的輸入位于左側，輸出位于右側，每個事件輸入/輸出通過線和小方塊連接到一個或多個數據輸入/輸出。功能塊的行為取決于內部事件執行控制圖表（Execution Control Chart，ECC），功能塊提供的功能取決于內部算法。機器人功能塊管腳如表1 所示。

表1 機器人功能塊管腳

2.4 OPC UA

在生產系統中往往存在來自不同制造商的產品，由于數據來源廣泛，傳輸協議不同，容易形成信息孤島。面向過程控制的OLE 統一架構（OLE for Process Control Unified Architecture，OPC UA）為連接工業4.0組件提供了一個通用的信息模型，它采用服務器-客戶端模式實現數據通信，通過客戶端和服務器之間建立連接，統一不同層級設備或者系統的傳輸協議和數據接口，實現生產系統中的數據互通。在VC 中，OPC UA 能夠在數據傳輸中有效地實現數據的互聯互融，實現虛擬生產系統多設備的協同仿真。課題中的OPC UA 客戶端部署在Unity，服務器位于基于IEC 61499 標準的開源軟件4DIAC 中。

3 某智能制造生產線VC 應用案例

3.1 某智能制造生產線介紹

在該智能制造生產線中，共有2 個智能倉儲單元、2 個智能預裝單元、2 個智能總成單元、2 個智能調整單元以及1 個智能打印單元。課題將生產單元分別單獨創建于基于IEC 61499 標準的功能塊并實例化，根據實際生產線中的生產關系建立連接，從而確保功能塊網絡與系統布局圖對應。設計范式如圖3 所示。

圖3 某智能制造生產線設計范式

3.2 智能倉儲單元介紹

以智能制造生產線中的智能倉儲單元原料入庫和原料出庫流程為例，介紹如何基于AML 的分布式開放控制系統實現VC。智能倉儲單元主要由接駁臺（原材料接駁臺和成品接駁臺）、機器人、滾筒輸送線以及立體庫等設備組成，其虛擬模型如圖4 所示，原料入庫和出庫流程如圖5 所示。

圖4 智能倉儲單元虛擬模型

通過機器人在直線導軌上移動和搬運，實現物料的全自動入庫和出庫，顯著提高了倉儲的操作效率，降低了倉儲的人力成本。

3.3 智能倉儲單元控制系統

通過分析智能倉儲單元工作流程，可以在4DIAC中編寫對應功能塊網絡，并通過OPC UA 傳輸邏輯信息，對Unity 環境中的智能倉儲單元模型進行虛擬調試。將Unity 的OPC UA 客戶端連接到從AML 模型中讀取的OPC UA 服務器地址，并綁定虛擬模型的藍圖節點與邏輯變量，即可實現智能倉儲單元分布式控制目標。智能倉儲單元功能塊網絡如圖6 所示。

圖6 智能倉儲單元功能塊網絡

分布式開放控制VC 系統能夠確保功能塊網絡與系統布局圖一一對應。與傳統PLC 的VC 系統相比，運用分布式控制技術的VC 系統有助于工程師快速定位代碼，簡化設備功能升級過程。在設備功能升級時，僅需更新模塊類型，而無須修改接口，提高了系統的維護效率。課題將提出的分布式開放控制VC 系統應用于智能倉儲單元，部分調試過程如圖7 所示。

4 結語

文章研究了基于AML 的分布式開放控制系統VC的體系架構和實現方法，對該智能制造生產線進行AML 建模，并基于IEC 61499 標準實現了智能制造生產線的VC，為實現基于AML 的自動化生產系統分布式VC 奠定了基礎。在智能制造大規模推廣和應用的情況下，相信基于該架構的VC 有著更廣闊的前景。