近年來，制造業(yè)不斷往數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。

機(jī)電裝備的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試的復(fù)雜度也隨之增加。設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷容易導(dǎo)致難以預(yù)測的運(yùn)行故障，故復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的研發(fā)成為當(dāng)前智能制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)電裝備從研發(fā)到進(jìn)入市場，系統(tǒng)缺陷及錯(cuò)誤修正所耗費(fèi)的時(shí)間，占據(jù)高達(dá)70% 的生產(chǎn)周期[2]。

傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)是一個(gè)多級串聯(lián)、逐級遞進(jìn)的過程，如圖1 所示。在工程設(shè)計(jì)階段，機(jī)械、電氣、自動(dòng)化各部分的設(shè)計(jì)順序和執(zhí)行相互獨(dú)立。由此使得機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期長，問題修正次數(shù)多，研發(fā)成本高。

數(shù)字孿生將多學(xué)科協(xié)同，對物理對象的特征、行為、性能等進(jìn)行數(shù)字化描述和建模[3]，通過虛擬方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的調(diào)試和驗(yàn)證，是一種高效、環(huán)保的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。

隨著智能制造的轉(zhuǎn)型和升級，培養(yǎng)適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化人才尤為重要。未來的制造業(yè)高端技術(shù)技能人才不僅要掌握傳統(tǒng)的機(jī)械、電氣、自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與裝調(diào)，還需具備工業(yè)組網(wǎng)與通信、數(shù)字化設(shè)備設(shè)計(jì)、數(shù)字化產(chǎn)線運(yùn)行與監(jiān)控等各種新技術(shù)的運(yùn)用能力。針對工業(yè)自動(dòng)化流水線裝配分揀的典型應(yīng)用場景，研發(fā)了一套數(shù)字孿生應(yīng)用平臺。

該平臺集成西門子主流軟硬件，提供機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)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(jī)械、電氣、自動(dòng)化、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)，并通過平臺接口和以太網(wǎng)通信進(jìn)行全過程數(shù)據(jù)交互，可實(shí)現(xiàn)“以實(shí)控虛”“以虛控實(shí)”，對PLC 程序設(shè)計(jì)的正確性和機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，優(yōu)化裝備設(shè)計(jì)。以此平臺作為數(shù)字孿生應(yīng)用示范教學(xué)平臺，有助于培養(yǎng)具有數(shù)字化設(shè)計(jì)能力的新技術(shù)復(fù)合型人才。

平臺基礎(chǔ)環(huán)境

1.1NX 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(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、電氣布線等場合[4，5]。MCD 是NX 在“工業(yè)4.0”背景下新增的子平臺，支持機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，借助外部接口的易互聯(lián)性，將機(jī)械、電氣、自動(dòng)化多領(lǐng)域協(xié)同集成，形成強(qiáng)大的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)體系?？捎糜?D 建模和仿真，提供機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)過程中的軟件在環(huán)、硬件在環(huán)仿真調(diào)試。通過虛擬設(shè)備模型與PLC 連接，可對產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性進(jìn)行虛擬調(diào)試和驗(yàn)證。

1.2TIA Portal

TIA Portal 是西門子公司在“工業(yè)4.0”背景下推出的全集成自動(dòng)化工程組態(tài)平臺。TIA V15 以上版本的軟件平臺將自動(dòng)化項(xiàng)目的關(guān)鍵組件進(jìn)行了集成：S7-1500 PLC高級控制器，人機(jī)界面和伺服、變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。提供了標(biāo)準(zhǔn)化的工程理念，使用戶可高效配置，編程調(diào)試和診斷，快速、直觀執(zhí)行自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)任務(wù)[6]。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(shù)據(jù)，易于構(gòu)建數(shù)字雙胞胎。

1.3PLCSIM 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(tǒng)的PLCSIM 仿真工具相比，它是以面板的形式獨(dú)立運(yùn)行，除了提供內(nèi)部訪問接口（Softbus），可以仿真運(yùn)行PLC 程序外，還能通過外部網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)TCP/IP 實(shí)時(shí)仿真通信。此外，還支持運(yùn)動(dòng)仿真、多軟件聯(lián)合仿真、過程診斷，可創(chuàng)建高達(dá)16 個(gè)PLC 實(shí)例。

1.4通信連接

OPC UA 是工業(yè)4.0 中一個(gè)重要的通信協(xié)議，用于分布式控制系統(tǒng)中各級別工業(yè)設(shè)備（不同協(xié)議和平臺）的相互通信。它將物理設(shè)備、傳感器、電機(jī)等形成數(shù)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(wù)模型，支持Windows 應(yīng)用程序與現(xiàn)場自動(dòng)控制應(yīng)用軟件的信息交互[7]，使得同一系統(tǒng)的信息可以統(tǒng)一方式被訪問。

PROFINET 是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于現(xiàn)場設(shè)備（使用PROFINET IO）的直接連接，具備實(shí)時(shí)、開放、靈活的優(yōu)異性能。它使用組件化的設(shè)計(jì)，支持分布式自動(dòng)化控制方式。OPC UA 與PROFINET 兩標(biāo)準(zhǔn)相互促進(jìn)、相互補(bǔ)充，確保底層自動(dòng)化環(huán)境與應(yīng)用層IT 環(huán)境數(shù)據(jù)的無縫垂直通信。

平臺結(jié)構(gòu)與功能

2.1平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對智能制造產(chǎn)線常見的自動(dòng)裝配分揀單元，設(shè)計(jì)如圖2 所示的數(shù)字孿生應(yīng)用平臺。該平臺用于工件的裝配、分揀及包裝。其主體結(jié)構(gòu)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(dòng)化系統(tǒng)的核心控制器；變頻系統(tǒng)以G120 變頻器驅(qū)動(dòng)傳送單元的交流電機(jī)，帶動(dòng)皮帶傳送工件；采用V90 伺服驅(qū)動(dòng)套件控制裝配單元的XY 絲桿滑臺精密運(yùn)動(dòng)，配合氣缸完成拾取物料和裝配；HMI 用于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；外圍IO 設(shè)備由按鈕、傳感器、指示燈、電磁閥等構(gòu)成。PLC 通過路由器，采用PROFINET 通信標(biāo)準(zhǔn)與變頻系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、HMI 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

工業(yè)PC 機(jī)作為上位機(jī)和機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)平臺，通過以太網(wǎng)連接Web 服務(wù)器和小型客戶端。

2.2平臺實(shí)現(xiàn)的功能

數(shù)字孿生是通過全過程數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理信息的融合。按照數(shù)字孿生五維模型結(jié)構(gòu)，平臺從物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)信息、集成連接、服務(wù)支持五個(gè)維度[8] 來構(gòu)建應(yīng)用場景。其功能關(guān)系及實(shí)現(xiàn)原理如圖3 所示。首先，以MCD-TIA 作為數(shù)字樣機(jī)建模、電氣設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制編程與仿真的集成平臺，通過軟件在環(huán)[9] 方式可開展虛擬仿真與調(diào)試，優(yōu)化模型和程序設(shè)計(jì)。

然后，采用真實(shí)PLC 采集實(shí)體設(shè)備平臺的傳感信號，并使用已經(jīng)過虛擬調(diào)試驗(yàn)證的程序驅(qū)動(dòng)電磁閥、電機(jī)、指示燈等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制實(shí)體設(shè)備正常運(yùn)行。最后，借助真實(shí)PLC 與集成平臺的接口，通過變量鏈接和以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)交互，通過硬件在環(huán)[10，11] 以實(shí)控虛、以虛控實(shí)、虛實(shí)聯(lián)調(diào)。

（1）虛擬仿真與調(diào)試

1）MCD 虛擬環(huán)境構(gòu)建。

①構(gòu)建幾何模型。根據(jù)裝配分揀裝備的功能需求、控制邏輯，利用NX 進(jìn)行3D 建?；驈牟考熘羞M(jìn)行構(gòu)件選型，裝配完整的虛擬樣機(jī)模型，設(shè)計(jì)虛擬場景。

②定義物理屬性。分析組件的受力和運(yùn)動(dòng)情況，定義剛體、碰撞體、對象源等對象屬性；添加鉸鏈副、滑動(dòng)副、齒輪副等運(yùn)動(dòng)形式；設(shè)置速度、位置控制等運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。

③分配測控信號。添加執(zhí)行器與傳感器，為虛擬模型的運(yùn)行設(shè)定傳感信號與驅(qū)動(dòng)元件。

④設(shè)計(jì)仿真序列。利用信號觸發(fā)及動(dòng)作執(zhí)行的邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)基于時(shí)間或基于事件的仿真序列，控制對象的運(yùn)行時(shí)間與流程。

⑤配置交互信號。創(chuàng)建MCD 與外部TIA 交互的信號，以實(shí)現(xiàn)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(yùn)行。

2）TIA 自控環(huán)境搭建。

①設(shè)備組態(tài)。添加硬件設(shè)備，選擇S7-1500T PLC、添加與實(shí)體設(shè)備對應(yīng)的DI/DO 模塊；組態(tài)2 個(gè)V90 PN 伺服驅(qū)動(dòng)器、2 個(gè)G120 變頻器、1 個(gè)KTP700 觸摸線。采用PROFINET 通信方式，將上述電氣元件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，分配IP 地址。

②程序設(shè)計(jì)。按照工作任務(wù)要求，分配PLC 的I/O 地址，設(shè)計(jì)變量表；根據(jù)樣機(jī)模型的控制邏輯要求，設(shè)計(jì)控制程序，包括自動(dòng)、手動(dòng)、復(fù)位等不同運(yùn)行模式。

③ HMI 設(shè)計(jì)。在TIA 的畫面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)開機(jī)登錄界面、自動(dòng)操作界面、手動(dòng)操作界面、故障報(bào)警界面。

3）MCD-TIA 接口設(shè)置與虛擬調(diào)試。

① 添加虛擬PLC。通過PLCSIM Adv 高級仿真器創(chuàng)建虛擬PLC 實(shí)例，啟動(dòng)仿真，執(zhí)行TIA 中下載的控制程序。

②通信設(shè)置。在MCD 中通過“PLCSIM Adv”接口對TIA 程序變量與MCD 模型信號進(jìn)行信號配置和映射，實(shí)現(xiàn)MCD-TIA 兩者的變量鏈接。

③仿真調(diào)試。啟動(dòng)TIA-MCD 仿真，將PLC 和HMI 均轉(zhuǎn)至在線。在自動(dòng)、手動(dòng)、復(fù)位模式下觀察虛擬模型的運(yùn)行情況，驗(yàn)證程序的正確性、穩(wěn)定性。通過仿真和調(diào)試修正錯(cuò)誤，優(yōu)化程序和參數(shù)。

（2）實(shí)體設(shè)備調(diào)試

在TIA 中完善工藝軸的設(shè)置，優(yōu)化伺服變頻的運(yùn)行參數(shù)，取消虛擬PLC、虛擬軸等仿真相關(guān)的設(shè)置。使用已經(jīng)驗(yàn)證的程序和HMI，并下載至真實(shí)PLC 硬件中，對程序進(jìn)行實(shí)體運(yùn)行驗(yàn)證。根據(jù)傳感信號的狀態(tài)，調(diào)整傳感器的靈敏度、檢測距離；根據(jù)氣缸的動(dòng)作，調(diào)整節(jié)流閥的流量。根據(jù)皮帶的運(yùn)行狀況，利用Startdrive 組件進(jìn)行變頻器驅(qū)動(dòng)的配置和參數(shù)設(shè)置。

由絲桿滑臺的運(yùn)行情況，應(yīng)用軟件V-ASSISTANT 對V90 伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試。通過硬件調(diào)試和參數(shù)適配，使硬件平臺按任務(wù)要求正常運(yùn)行。

（3）虛實(shí)聯(lián)調(diào)

使用經(jīng)過硬件設(shè)備調(diào)試的PLC 程序，將真實(shí)PLC 與MCD 虛擬平臺通過OPC UA 通信達(dá)到數(shù)據(jù)交互。

1）通信設(shè)置。在TIA 中啟用OPC UA 服務(wù)器并設(shè)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(wù)器的URL 地址，通過OPC UA 服務(wù)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(shí)PLC 與虛擬模型的數(shù)據(jù)交換。

2） 以實(shí)控虛。虛擬模型的執(zhí)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(fā)過來的控制信號。虛擬模型將跟隨實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行時(shí)序、邏輯動(dòng)作。

3）以虛控實(shí)。將實(shí)際設(shè)備的傳感器信號進(jìn)行屏蔽，僅使用MCD 模型的虛擬傳感信號。此時(shí)，PLC 硬件程序的輸入來自MCD 模型的傳感器，PLC 的輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備和虛擬模型，實(shí)際設(shè)備將跟隨虛擬模型運(yùn)行。

4）虛實(shí)同步運(yùn)行。在MCD 中調(diào)整真空吸盤、按鍵等仿真序列的時(shí)間，調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)、變頻驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)，可使虛擬模型和實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行時(shí)序、邏輯動(dòng)作協(xié)同一致，達(dá)到虛實(shí)同步，如圖4 所示。

平臺的教學(xué)應(yīng)用

3.1實(shí)訓(xùn)環(huán)境布置

考慮理實(shí)一體化教學(xué)的特點(diǎn)和需要，數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)室的區(qū)域布置如圖5 所示。實(shí)訓(xùn)室中央為數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試區(qū)，兩側(cè)為實(shí)體硬件調(diào)試與驗(yàn)證區(qū)。教學(xué)設(shè)施配置：數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)備共8 套；高配置虛擬仿真計(jì)算機(jī)（工作站）48 套；6 工位小組圍坐式桌椅8 套；虛擬仿真訓(xùn)練資源包（12 個(gè)應(yīng)用場景）；多媒體教學(xué)系統(tǒng)1 套（高速以太網(wǎng)交換機(jī)）。

3.2教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

基于孿生平臺的硬件實(shí)體，按照功能模塊（機(jī)械、電氣、運(yùn)動(dòng)控制、通信等）和知識、技能點(diǎn)，共設(shè)置26個(gè)教學(xué)項(xiàng)目。

1）機(jī)械設(shè)計(jì)模塊：①機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)知與MCD 建模；② MCD 的剛體，傳動(dòng)副等屬性設(shè)置；③ MCD 的信號與接口設(shè)置；④ MCD 的物理特性屬性設(shè)置；⑤ MCD 虛擬仿真和調(diào)試。

2）電氣設(shè)計(jì)模塊：① TIA 博途編程軟件認(rèn)知；②傳感器認(rèn)知與應(yīng)用；③外部設(shè)備I/O 分配與變量表設(shè)計(jì)；④電氣硬件連接與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；⑤開關(guān)、傳感信號采集控制；⑥開關(guān)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(yùn)動(dòng)控制模塊：①變頻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與編程調(diào)試；②伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與編程調(diào)試；③ PLC 高級運(yùn)動(dòng)控制（同步運(yùn)動(dòng)、凸輪運(yùn)動(dòng)、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)）。

4） 通信與界面設(shè)計(jì)：① PLC 的PROFINET/OPCUA/Modbus/ 自由口/ UDP、TCP/IP 等通信控制；② HMI界面組態(tài)、報(bào)警功能、配方功能、動(dòng)畫設(shè)計(jì)。

5）虛擬仿真模塊：① PLCSIM、PLCSIM Adv 的應(yīng)用② SIMIT（unit）驅(qū)動(dòng)行為仿真的應(yīng)用；③ MCD 虛擬模式運(yùn)行與調(diào)試。

6）綜合聯(lián)調(diào)：①系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)；②系統(tǒng)HMI 設(shè)計(jì)；③系統(tǒng)虛擬仿真和調(diào)試綜合；④機(jī)電一體化硬件系統(tǒng)綜合聯(lián)調(diào)；⑤虛實(shí)一體化聯(lián)調(diào)。

實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，采用虛實(shí)結(jié)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(yùn)動(dòng)控制6 個(gè)子單元的仿真及調(diào)試訓(xùn)練。然后針對整機(jī)開展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)訓(xùn)練。

3.3教學(xué)效果

1）提高了學(xué)生機(jī)電一體化的綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力。平臺集成了傳感器檢測、氣動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻驅(qū)動(dòng)、觸摸屏監(jiān)控、以太網(wǎng)通信等多項(xiàng)工業(yè)自動(dòng)化當(dāng)前使用的核心技術(shù)、新技術(shù)，使學(xué)生多層面鍛煉機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等多學(xué)科交叉的應(yīng)用能力，適應(yīng)未來智能制造對數(shù)字化、復(fù)合型技術(shù)技能人才的需求。

2）推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容和模式的創(chuàng)新。由于數(shù)字化孿生系統(tǒng)與真實(shí)設(shè)備的一致性，教學(xué)內(nèi)容可以虛實(shí)結(jié)合，也可虛實(shí)分開，而不受限于硬件設(shè)備。故借助數(shù)字化孿生的“軟”平臺，“教”和“學(xué)”將不再受限于時(shí)間和地點(diǎn)，通過遠(yuǎn)程即可開展線上學(xué)習(xí)和實(shí)操仿真訓(xùn)練。在類似新冠肺炎疫情導(dǎo)致無法開展現(xiàn)場教學(xué)的情況下，可發(fā)揮重要作用。此外，以MCD-TIA 平臺為基礎(chǔ)，可設(shè)計(jì)各種部件放在重用庫中，組合、裝配成各種設(shè)備模型。由此可創(chuàng)生出靈活多變的教學(xué)項(xiàng)目，有利于根據(jù)學(xué)習(xí)對象的學(xué)情開展分層次、個(gè)性化教學(xué)；也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

3）減少實(shí)訓(xùn)耗材與實(shí)訓(xùn)設(shè)備維修工作。受限于經(jīng)費(fèi)與場地等因素，目前各校用于機(jī)電自動(dòng)化方面的實(shí)訓(xùn)設(shè)備往往不足，難以滿足普通教學(xué)班（30~50 人）的使用需求；且因?qū)W生的熟練程度不一致，容易導(dǎo)致電氣元件損壞及設(shè)備故障，嚴(yán)重影響教學(xué)效果，也讓教師疲于應(yīng)對設(shè)備調(diào)試與維護(hù)。數(shù)字孿生應(yīng)用平臺可以幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成設(shè)備的機(jī)械建模、PLC 編程調(diào)試任務(wù)，提高程序正確率，降低設(shè)備故障。教師可以有更多的時(shí)間及精力用在核心技術(shù)點(diǎn)的有效指導(dǎo)上，提升教學(xué)效能。

結(jié)束語

基于NX MCD 和TIA 的集成式系統(tǒng)工程環(huán)境，采用機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)方案，搭建了裝配分揀系統(tǒng)的數(shù)字孿生應(yīng)用平臺。通過概念建模和基于物理場的仿真，借助以太網(wǎng)通信和軟件接口的變量鏈接可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)建模、仿真優(yōu)化和實(shí)例化驗(yàn)證。

該平臺作為數(shù)字孿生技術(shù)的示范應(yīng)用教學(xué)平臺，有助于培養(yǎng)適應(yīng)未來智能制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化復(fù)合型人才。由于MCD-TIA 的基礎(chǔ)環(huán)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(kuò)展。如增加工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備，形成更為復(fù)雜的智能制造產(chǎn)線孿生體。或與MATLAB 等軟件交互，通過數(shù)據(jù)分析、處理和數(shù)學(xué)建模，優(yōu)化機(jī)件設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)而研發(fā)更復(fù)雜、精密的機(jī)械裝備。

審核編輯：劉清