基于數(shù)字孿生的力能控制式壓力機(jī)虛擬調(diào)試

陸新時(shí)，馬嵩華，胡天亮

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061) (山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061) (山東大學(xué) 機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，濟(jì)南 250061)

1 引 言

沖壓機(jī)械是制造業(yè)的重要裝備之一，其生產(chǎn)過(guò)程具有切削少、效率高、一致性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，可完成沖裁、彎曲、拉伸、成型等多種工藝，近年來(lái)在汽車覆蓋件生產(chǎn)過(guò)程中更是得到廣泛的應(yīng)用.在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為保障生產(chǎn)的安全與高質(zhì)量，壓力機(jī)的調(diào)試環(huán)節(jié)往往是必不可少的.通過(guò)調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和工藝中存在的問(wèn)題，確定生產(chǎn)中各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)和檢驗(yàn)控制程序的生產(chǎn)效果等，保障壓力機(jī)功能的正確可靠運(yùn)行.

當(dāng)前，壓力機(jī)的調(diào)試一般是實(shí)機(jī)調(diào)試，然而實(shí)機(jī)調(diào)試存在著諸多問(wèn)題：1)機(jī)械、電氣和控制工程師在實(shí)機(jī)完成前，難以進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，各領(lǐng)域只能各自測(cè)試，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題；2)設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試及后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)串行式依賴，導(dǎo)致調(diào)試周期長(zhǎng).實(shí)機(jī)調(diào)試前，許多設(shè)計(jì)問(wèn)題難以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷后，需重復(fù)設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)，由此造成巨大的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本消耗；3)實(shí)機(jī)調(diào)試往往需要依賴經(jīng)驗(yàn)，只有技術(shù)水平較高的工程師才能完成調(diào)試工作；4)調(diào)試過(guò)程需要停機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，進(jìn)行試生產(chǎn)需要成本；5)調(diào)試過(guò)程中安全保障措施無(wú)法充分發(fā)揮效能，使得調(diào)試往往具有一定風(fēng)險(xiǎn)性.

虛擬調(diào)試技術(shù)為解決以上問(wèn)題提供了新的方法和途徑.圍繞虛擬調(diào)試的關(guān)鍵問(wèn)題，鄭魁敬等人[1-3]介紹了當(dāng)前應(yīng)用較多的基于NX MCD建模的虛擬調(diào)試解決方案，該方法存在的主要問(wèn)題是只建立機(jī)械模型進(jìn)行調(diào)試，模型較為簡(jiǎn)單，完成的調(diào)試內(nèi)容有限，目前只限于進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)模型與控制程序的聯(lián)合調(diào)試.

數(shù)字孿生概念最早是2003年由美國(guó)密歇根大學(xué)Grieves教授提出，其概念模型主要包括3個(gè)部分：1)物理空間的實(shí)體；2)虛擬空間的模型；3)物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息接口[4].數(shù)字孿生旨在通過(guò)數(shù)字化技術(shù)，建立物理世界的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬實(shí)體在真實(shí)環(huán)境下的行為，通過(guò)虛實(shí)交互、數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段，提升物理實(shí)體之效能[5-8].數(shù)字孿生技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)，為解決壓力機(jī)實(shí)機(jī)調(diào)試存在的上述問(wèn)題提供了先進(jìn)的技術(shù)理念.作為虛擬調(diào)試的關(guān)鍵基礎(chǔ)——數(shù)字孿生模型，其必須具備對(duì)壓力機(jī)機(jī)械、電氣等多個(gè)領(lǐng)域融合建模的能力.

目前，常用的多領(lǐng)域建模方法有[9]：1)基于各領(lǐng)域不同建模軟件接口的方法；2)基于高層體系結(jié)構(gòu)的方法；3)基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的方法.基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的多領(lǐng)域建模方法采用Modelica[10]、Simscape[11]等語(yǔ)言，可于同一平臺(tái)下建立多領(lǐng)域模型，因此具備更好的領(lǐng)域集成能力，并且能夠充分描述各領(lǐng)域子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系.

本文擬通過(guò)統(tǒng)一建模語(yǔ)言，建立壓力機(jī)的多領(lǐng)域數(shù)字孿生模型，并為模型構(gòu)建虛擬控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)涵蓋機(jī)械、電氣和控制等內(nèi)容的更全面的虛擬調(diào)試

2 整體實(shí)施方案

2.1 力能控制式壓力機(jī)特性分析

不同于行程控制式壓力機(jī)通過(guò)伺服電機(jī)及其伺服控制程序精確控制滑塊的運(yùn)動(dòng)行程和速度，力能控制式壓力機(jī)通過(guò)飛輪為滑塊提供能量而完成壓制工作.

力能控制式壓力機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)、帶輪、飛輪、離合器、桿系、滑塊和機(jī)身等部件組成，壓力機(jī)工作時(shí)由電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶將運(yùn)動(dòng)傳給飛輪，飛輪加速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行蓄能，當(dāng)滑塊上的模具接觸沖壓件，壓力機(jī)開(kāi)始利用飛輪的能量進(jìn)行成型加工，與此同時(shí)飛輪減速，沖壓結(jié)束后滑塊上行，飛輪重新進(jìn)入加速蓄能狀態(tài).為取得較好的運(yùn)動(dòng)特性，力能控制式壓力機(jī)常采用多連桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)多桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，常見(jiàn)如六連桿和八連桿等，實(shí)現(xiàn)滑塊在工作期維持緩慢的拉延速度，非工作期保證較高的回程速度[12].

2.2 虛擬調(diào)試需求分析

實(shí)施虛擬調(diào)試主要基于兩個(gè)目的：1)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性、可用性;2)確定生產(chǎn)中可變參數(shù)的合理取值.對(duì)力能控制式壓力機(jī)的虛擬調(diào)試可分為壓力機(jī)本體和壓力機(jī)控制程序兩個(gè)方面.壓力機(jī)本體的液壓系統(tǒng)受實(shí)際油液情況和管路安裝質(zhì)量等不確定因素影響較為嚴(yán)重，對(duì)其實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量建模的難度大，虛擬調(diào)試的意義有限，因此在壓力機(jī)本體方面的調(diào)試著重考慮機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng).

壓力機(jī)本體的虛擬調(diào)試中，針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)檢查，確保機(jī)身各部件在正常運(yùn)動(dòng)下不產(chǎn)生干涉行為，由于壓力機(jī)桿系的部分設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，是檢查的重點(diǎn)；其次，需檢查滑塊的行程距離，滑塊運(yùn)行速度、加速度特性等是否與設(shè)計(jì)期望一致.此外，還需對(duì)電氣系統(tǒng)中變頻器等部件進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)試，使得電氣系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定工作.

在控制程序方面，首先需驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)的正確性，即程序是否能完成正常的控制功能，如行程速度調(diào)整、裝模高度調(diào)整等；其次是確定生產(chǎn)中合理的工藝參數(shù)，如確定合適的行程速度等.

2.3 虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)以上調(diào)試需求，設(shè)計(jì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.該虛擬調(diào)試系統(tǒng)由工程師通過(guò)虛擬控制器的人機(jī)交互界面控制壓力機(jī)數(shù)字孿生模型，控制命令由模型-控制器交互接口到達(dá)模型端，模型接到控制指令后，模擬與實(shí)機(jī)相同的行為運(yùn)行，由接口將模型運(yùn)行信息反饋控制系統(tǒng)，最終調(diào)試結(jié)果以三維動(dòng)畫(huà)和二維曲線形式輸出.

圖1 虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of the virtual commissioning system

2.4 數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法

以上基于數(shù)字孿生的虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)字孿生模型構(gòu)建是基礎(chǔ).本研究利用多領(lǐng)域建模語(yǔ)言，借助軟件工程中面向?qū)ο蟮乃枷?，并結(jié)合實(shí)際物理系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用面向?qū)ο蟮亩辔锢眍I(lǐng)域統(tǒng)一建模的方法構(gòu)建數(shù)字孿生模型.模型構(gòu)建中主要依據(jù)3條指導(dǎo)原則：面向?qū)ο蠓纸庠瓌t，多物理領(lǐng)域統(tǒng)一集成原則和增量式構(gòu)建原則.

面向?qū)ο蠓纸庠瓌t將壓力機(jī)整體模型視作齒輪、連桿、滑塊等部件的對(duì)象組合.各部件類具有不同的行為和屬性，當(dāng)采用多領(lǐng)域建模語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)時(shí)，行為通常表現(xiàn)為反映部件物理本質(zhì)的數(shù)學(xué)方程；屬性是部件類的參數(shù)，由同一類部件實(shí)例化出的不同對(duì)象，其區(qū)別即在于屬性，通過(guò)屬性實(shí)現(xiàn)了對(duì)建模對(duì)象的數(shù)字化和參數(shù)化.

多物理領(lǐng)域統(tǒng)一集成原則是根據(jù)實(shí)際物理系統(tǒng)滿足廣義基爾霍夫定律的特性，將各零部件之間的交互行為反映為通過(guò)流、勢(shì)變量進(jìn)行的物質(zhì)和能量傳遞.各常見(jiàn)物理領(lǐng)域的流、勢(shì)變量如表1所示.同一領(lǐng)域下的模型通過(guò)定義的流、勢(shì)變量接口進(jìn)行連接，不同領(lǐng)域間模型通過(guò)具備多種領(lǐng)域接口的能量轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模型的整體集成.

表1 常見(jiàn)領(lǐng)域流、勢(shì)變量Table 1 Flow variable and potential variable in common domains

增量式構(gòu)建的本質(zhì)是一個(gè)循環(huán)迭代、逐漸精細(xì)化的過(guò)程.本研究基于面向?qū)ο蠓纸庠瓌t，分別建立各零部件模型，以此作為增量模塊的基本單位；然后根據(jù)多領(lǐng)域統(tǒng)一集成原則將各模塊組合，并判斷當(dāng)前模型系統(tǒng)是否滿足應(yīng)用要求，若不滿足則繼續(xù)細(xì)化、增加或修改模塊，直至滿足要求.

3 壓力機(jī)本體數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)

本文采用Simulink作為壓力機(jī)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模平臺(tái)，該平臺(tái)支持Simscape語(yǔ)言及其物理建模仿真環(huán)境，且具有豐富的模型元件庫(kù)，方便快速建立物理系統(tǒng)模型和實(shí)現(xiàn)控制算法.

3.1 機(jī)械系統(tǒng)建模

基于上文對(duì)壓力機(jī)特性的分析，本研究將壓力機(jī)機(jī)械系統(tǒng)劃分為傳動(dòng)子系統(tǒng)和多體子系統(tǒng)，劃分的依據(jù)是部件的行為和功能特點(diǎn)：傳動(dòng)子系統(tǒng)中一般包括各種傳動(dòng)部件，該子系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)給定的傳動(dòng)比，系統(tǒng)中各部件均為轉(zhuǎn)動(dòng)型機(jī)械；多體子系統(tǒng)中各部件的空間關(guān)系較為復(fù)雜，存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件之間具有旋轉(zhuǎn)副、棱柱副等多種運(yùn)動(dòng)副關(guān)系.

3.1.1 傳動(dòng)子系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)

對(duì)傳動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆纸夂螅磩?dòng)力傳遞方向，即從電機(jī)軸到桿系的曲柄方向，其主要環(huán)節(jié)依次有皮帶傳動(dòng)、飛輪、離合器和多級(jí)齒輪傳動(dòng).飛輪的主要作用是增大傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以此實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，建模時(shí)可使用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模型元件或增大皮帶傳動(dòng)中從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量屬性來(lái)實(shí)現(xiàn).基于數(shù)字孿生虛實(shí)映射的理念，分別調(diào)用上述部件對(duì)應(yīng)的模型元件，并根據(jù)實(shí)際動(dòng)力傳遞情況進(jìn)行連接，本文所討論的壓力機(jī)傳動(dòng)子系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)如圖2所示.

圖2 傳動(dòng)子系統(tǒng)模型Fig.2 Model of the transmission subsystem

3.1.2 多體子系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)

多體子系統(tǒng)中，各零件具有不同的幾何形狀、質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置等屬性，在本研究的建模方法中，將各零件統(tǒng)一視作多體類的不同實(shí)例化對(duì)象.本研究通過(guò)將多體類模型關(guān)聯(lián)至零件相應(yīng)的三維建模文件，如STEP格式文件，來(lái)描述多體對(duì)象的幾何屬性；同時(shí)，賦予該模型與實(shí)體相同的質(zhì)量、慣量和質(zhì)心位置等物理屬性值，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)該零件個(gè)體的建模.

完成對(duì)零件個(gè)體的建模后，還需要考慮零件之間的相互關(guān)系，即各零件之間的相對(duì)位置關(guān)系，以及具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間的運(yùn)動(dòng)副.本研究對(duì)其實(shí)現(xiàn)方法為：在零件模型上定義一個(gè)位置參考點(diǎn)，各零件的參考點(diǎn)之間進(jìn)行相對(duì)位置的坐標(biāo)變換，由此確定了各零件間的空間位置關(guān)系；對(duì)于相互間存在運(yùn)動(dòng)的零部件，在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上加入如表2所示的運(yùn)動(dòng)副元件，實(shí)現(xiàn)期望的零部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系.

表2 運(yùn)動(dòng)副Table 2 Joints

上述過(guò)程通過(guò)Simulink提供的Simscape Multibody Link工具，導(dǎo)入在Solidworks等軟件中建立和裝配好的三維模型以輔助完成.整體的多體子系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，受篇幅限制，本文給出局部模型示例如圖3所示.

3.2 電氣系統(tǒng)建模

電機(jī)和變頻器是力能控制式壓力機(jī)電氣系統(tǒng)的核心組件，本文所討論的壓力機(jī)是一臺(tái)大噸位壓力機(jī)，其設(shè)計(jì)采用了三相異步電機(jī).基于Simcape提供的模型元件庫(kù)，對(duì)電氣系統(tǒng)中電源等其他組成部分的建模較為簡(jiǎn)單，本文不再詳細(xì)介紹.以下主要以三相異步電機(jī)和變頻器為例，給出電氣系統(tǒng)模型的構(gòu)建過(guò)程.

3.2.1 三相異步電機(jī)模型實(shí)現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下三相異步電機(jī)的電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別如公式(1)～公式(3)所示[13]：

(1)

(2)

(3)

式中u、i、R、L、Ψ、Te、ω1表示電壓、電流、電阻、電感、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度，下標(biāo)d、q、m、r、s分別代表直軸、交軸、勵(lì)磁、轉(zhuǎn)子和定子，它們描述了電機(jī)的電壓、電流等的電氣量至機(jī)械轉(zhuǎn)矩值的轉(zhuǎn)換關(guān)系.利用Simulink元件搭建該算法模型，將所得電機(jī)轉(zhuǎn)矩值通過(guò)連接賦給轉(zhuǎn)矩源元件，即可完成電機(jī)行為的建模，然后通過(guò)添加阻尼和慣量等元件描述電機(jī)的物理屬性，最終完成對(duì)三相異步電機(jī)的建模.上述過(guò)程的模型實(shí)現(xiàn)如圖 4所示.

圖4 三相異步電機(jī)模型Fig.4 Three-phase asynchronous motor model

3.2.2 變頻器模型實(shí)現(xiàn)

本文討論的壓力機(jī)采用西門(mén)子SINAMICS G120系列變頻器，其包含控制單元和功率模塊，對(duì)其建立的數(shù)字孿生模型也相應(yīng)的分為上述兩個(gè)模塊.

功率模塊模型用于實(shí)現(xiàn)變頻器內(nèi)部的主電路，包括整流、濾波和逆變3個(gè)環(huán)節(jié).如圖5所示，整流電路使用二極管進(jìn)行全橋整流，其后并聯(lián)的電容對(duì)整流后的直流電進(jìn)行濾波，與電容器并聯(lián)的電阻起均壓作用，逆變環(huán)節(jié)通過(guò)IGBT(Insulated gate bipolar transistor，絕緣柵雙極型晶體管)構(gòu)建三相橋式電路.依照電路原理圖，使用Simscape中對(duì)應(yīng)的電氣元件模型并進(jìn)行與圖示相同的連接，即完成了對(duì)功率模塊的建模.

圖5 電路原理圖Fig.5 Circuit schematic

壓力機(jī)使用的變頻器的控制單元采用數(shù)字控制方式通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，因此本研究對(duì)該部分的建模不采用物理建模的方式，而使用傳統(tǒng)的利用Simulink對(duì)控制系統(tǒng)建模的方法.針對(duì)變頻器的無(wú)速度傳感器矢量控制模式，其控制算法包含PI控制、坐標(biāo)變換、模型參考自適應(yīng)控制、電流滯環(huán)跟蹤脈沖寬度調(diào)制等模塊，參考相關(guān)資料[14]建立該部分模型的過(guò)程在此不再贅述.由控制單元模型的輸出控制上文功率模塊的IGBT，最終完成完整的變頻器模型的構(gòu)建.

3.3 模型集成

根據(jù)多物理領(lǐng)域統(tǒng)一集成原則，各傳動(dòng)子系統(tǒng)模型模塊使用傳遞轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的接口相連接，多體子系統(tǒng)模型模塊間通過(guò)承載力和位移的運(yùn)動(dòng)副元件相連接.基于實(shí)際壓力機(jī)的設(shè)計(jì)情況，傳動(dòng)子系統(tǒng)末端的齒輪與多體子系統(tǒng)的偏心體相固連，根據(jù)數(shù)字孿生虛實(shí)映射的建模思想，在模型中將齒輪模型的運(yùn)動(dòng)傳遞至與偏心體模型相連的旋轉(zhuǎn)副，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的集成.

變頻器模型通過(guò)傳遞電流和電壓的電氣接口連接至電機(jī)模型，電機(jī)模型作為電氣-機(jī)械領(lǐng)域的能量轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械型接口連接至傳動(dòng)子系統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)模型，至此集成整個(gè)壓力機(jī)的多領(lǐng)域數(shù)字孿生模型.

4 壓力機(jī)數(shù)字孿生虛擬控制系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)本研究設(shè)計(jì)的虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)，具備壓力機(jī)本體模型后，還需要建立虛擬控制系統(tǒng)以實(shí)施對(duì)模型的控制.對(duì)應(yīng)于實(shí)際控制系統(tǒng)的控制器和輸入/輸出接口，虛擬控制系統(tǒng)也包括兩部分：虛擬控制器和控制器-模型交互接口.

4.1 虛擬控制器的構(gòu)建

壓力機(jī)控制器使用西門(mén)子S7-1500系列PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)，CPU模塊為1515F.在不使用控制器硬件的條件下進(jìn)行虛擬調(diào)試，可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：1)在軟PLC中進(jìn)行調(diào)試后，再將控制程序移植到實(shí)際PLC；2)構(gòu)建虛擬PLC或仿真PLC.為避免代碼移植帶來(lái)的問(wèn)題，本文選擇構(gòu)建虛擬PLC的方式.

S7-PLCSIM Advanced是西門(mén)子針對(duì)S7-1500系列PLC推出的仿真軟件.除了像過(guò)去的S7-PLCSIM一樣能完成普通的控制邏輯仿真外，它還能夠仿真各種通信功能.

利用S7-PLCSIM Advanced構(gòu)建的虛擬PLC可通過(guò)Softbus和TCP/IP兩種方式與外界通信.虛擬調(diào)試需要實(shí)現(xiàn)虛擬控制器與模型的通信，本文選擇TCP/IP方式，以方便開(kāi)啟OPC UA服務(wù)器功能，建立控制器與虛擬模型的接口.

結(jié)合上述分析，本研究利用S7-PLCSIM Advanced提供的C#語(yǔ)言API構(gòu)建虛擬PLC，其構(gòu)建過(guò)程主要包括以下步驟：1)生成虛擬PLC實(shí)例；2)設(shè)置實(shí)例的通信接口為T(mén)CP/IP；3)配置實(shí)例的IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)；4)對(duì)實(shí)例上電；5)將控制程序下載到實(shí)例；6)運(yùn)行實(shí)例.

4.2 控制器-模型信息交互接口構(gòu)建

構(gòu)建控制器-模型的信息交互接口首先需要確定合適的通信協(xié)議.為保證系統(tǒng)接口的通用性，本研究基于虛擬控制器對(duì)OPC UA服務(wù)器功能的支持，通過(guò)OPC UA協(xié)議構(gòu)建控制器-模型交互接口.在OPC UA的客戶端-服務(wù)器模式下，控制器端為服務(wù)器，模型端為客戶端.

4.2.1 控制器端接口配置

構(gòu)建本文所述接口，在控制器端只需要完成：1)將程序中與輸入和輸出相關(guān)的變量加入OPC UA服務(wù)器地址空間；2)使能OPC UA服務(wù)器功能.

4.2.2 模型端接口實(shí)現(xiàn)

模型端通過(guò)MATLAB語(yǔ)言構(gòu)建交互接口.如表3所示，MATLAB的OPC Toolbox提供了對(duì)OPC UA客戶端開(kāi)發(fā)所需的基礎(chǔ)方法(函數(shù))支持.

表3 MATLAB提供的基礎(chǔ)方法Table 3 Basic methods provided by MATLAB

首先，通過(guò)opcua方法創(chuàng)建OPC UA客戶端對(duì)象，該方法通過(guò)URL參數(shù)確定待連接的OPC UA服務(wù)器，URL的格式形如“opc.tcp：//192.168.1.104：4840”，其中“opc.tcp”指示采用的協(xié)議類型，“192.168.1.104：4840”指定IP地址與端口號(hào).以O(shè)PC UA客戶端對(duì)象為參數(shù)調(diào)用connect方法，通過(guò)匿名身份驗(yàn)證和連接服務(wù)器.當(dāng)需要以特定用戶身份連接時(shí)，則在調(diào)用時(shí)增加用戶名和密碼作為第2和第3參數(shù).可通過(guò)OPC UA客戶端對(duì)象的isConnected屬性判斷當(dāng)前的連接狀態(tài)，以避免重復(fù)連接.

在OPC UA中，各數(shù)據(jù)信息依附在各個(gè)節(jié)點(diǎn)下，由節(jié)點(diǎn)相互連接構(gòu)成網(wǎng)狀的OPC UA服務(wù)器地址空間.針對(duì)具體的數(shù)據(jù)信息，使用findNodeByName方法通過(guò)節(jié)點(diǎn)名稱，依照節(jié)點(diǎn)空間簡(jiǎn)化的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尋找相應(yīng)節(jié)點(diǎn).確定具體節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)readValue和writeValue方法完成具體的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)任務(wù).

最后，使用Simulink中的Interpreted MATLAB Function模塊對(duì)上述程序進(jìn)行封裝，該模塊封裝的接口程序能夠在數(shù)字孿生模型仿真期間循環(huán)執(zhí)行.將該模塊的輸出端口連接至數(shù)字孿生模型的電氣系統(tǒng)以實(shí)施控制，模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)連接至該模塊的輸入端口以反饋至控制器.

5 虛擬調(diào)試應(yīng)用驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所述模型及整體系統(tǒng)的可用性和正確性，以及確定壓力機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性和生產(chǎn)中運(yùn)行參數(shù)的合理取值，將模型及系統(tǒng)應(yīng)用于本研究針對(duì)的某型號(hào)公稱噸位2250噸的八連桿四點(diǎn)壓力機(jī)進(jìn)行虛擬調(diào)試.該壓力機(jī)的部分技術(shù)參數(shù)如表4所示.

表4 技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters

為保證壓力機(jī)模型能夠平穩(wěn)運(yùn)行，首先進(jìn)行電氣系統(tǒng)的變頻器參數(shù)調(diào)試.變頻器模型的初始控制參數(shù)取值情況如表5所示.對(duì)變頻器設(shè)定幅值為1000轉(zhuǎn)/分的參考速度信號(hào)并施加一定的變負(fù)載擾動(dòng)，查看當(dāng)前電機(jī)及變頻器的定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓情況如圖6所示，可見(jiàn)建立的變頻器模型能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，驗(yàn)證了電氣系統(tǒng)建模的正確性.但是，可通過(guò)響應(yīng)曲線觀測(cè)到：當(dāng)前控制參數(shù)取值不合適，在負(fù)載作用下系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài).

表5 變頻器模型的初始控制參數(shù)Table 5 Initial control parameters of inverter model

圖6 初始參數(shù)下的響應(yīng)情況Fig.6 Response with initial parameters

對(duì)于變頻器模型的PI控制器調(diào)參，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行手工調(diào)參或借助Simulink提供的PID Tuner工具.對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，取值如表6所示，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)行為如圖7所示，可見(jiàn)當(dāng)前參數(shù)下速度保持性好，震蕩小，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性好，該組控制參數(shù)取值較為合適.

表6 調(diào)整后變頻器模型的控制參數(shù)Table 6 Adjusted control parameters of inverter model

圖7 調(diào)整參數(shù)后的響應(yīng)情況Fig.7 Response with adjusted parameters

通過(guò)虛擬控制器的人機(jī)交互界面，對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行單次、寸動(dòng)、最大和最小速度連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以及裝模高度調(diào)整等其它各種功能控制，由圖8所示界面可觀察到模型的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，以直觀展示其運(yùn)動(dòng)的正確性.同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前所見(jiàn)的控制程序執(zhí)行情況，壓力機(jī)各種控制功能運(yùn)行正常，由此說(shuō)明控制程序設(shè)計(jì)合理，與壓力機(jī)能夠協(xié)同正常工作；若模型運(yùn)行出現(xiàn)異常，則說(shuō)明加工程序設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，應(yīng)檢查加工程序，進(jìn)行修改后再進(jìn)行調(diào)試.當(dāng)發(fā)生生產(chǎn)任務(wù)變化時(shí)，可通過(guò)虛擬調(diào)試，根據(jù)模型運(yùn)行動(dòng)畫(huà)和下文的滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線等來(lái)確定合適的行程次數(shù)等工藝參數(shù).

圖8 模型仿真圖示Fig.8 Model simulation diagram

通過(guò)控制模型進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)等測(cè)試，在如圖8所示界面對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查，若出現(xiàn)干涉、碰撞等異常行為，則應(yīng)當(dāng)修改壓力機(jī)設(shè)計(jì)方案，然后再進(jìn)行虛擬調(diào)試.當(dāng)行程次數(shù)設(shè)定為12次/分時(shí)，滑塊運(yùn)行的位移、速度、加速度情況如圖9所示，此時(shí)滑塊運(yùn)動(dòng)周期為5s，滑塊實(shí)際運(yùn)行速度與控制系統(tǒng)

圖9 滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.9 Motion characteristic curve of the slider

人機(jī)交互界面的設(shè)定速度一致，可獲知本文對(duì)傳動(dòng)子系統(tǒng)建模正確.觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線可發(fā)現(xiàn)：滑塊在向下接近下死點(diǎn)的工作行程內(nèi)速度較慢，當(dāng)滑塊通過(guò)下死點(diǎn)后，滑塊的空行程急回特性明顯.該結(jié)果與設(shè)計(jì)期望一致，驗(yàn)證了壓力機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性；若滑塊運(yùn)動(dòng)特性不滿足要求或與設(shè)計(jì)期望不一致，則檢查壓力機(jī)設(shè)計(jì)方案，修改后再次進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證.通過(guò)以上驗(yàn)證過(guò)程可以看出，本研究設(shè)計(jì)的虛擬調(diào)試系統(tǒng)可完整、可靠的實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能.

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以虛擬調(diào)試應(yīng)用為目標(biāo)，給出了一種壓力機(jī)的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，依照此方法建立了力能控制式壓力機(jī)的多物理領(lǐng)域耦合模型；搭建了壓力機(jī)數(shù)字孿生的虛擬控制系統(tǒng)，包括虛擬控制器和基于OPC UA的控制器-模型交互接口，實(shí)現(xiàn)了模型與控制器的信息交互.以某型號(hào)壓力機(jī)為對(duì)象，給出了該方法的應(yīng)用示例，驗(yàn)證了虛擬調(diào)試的可行性.本文所述方法及模型系統(tǒng)可對(duì)壓力機(jī)機(jī)械、電氣和控制程序的設(shè)計(jì)結(jié)果以及運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行虛擬調(diào)試驗(yàn)證，以克服傳統(tǒng)實(shí)機(jī)調(diào)試中成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)等弊端.同時(shí)，該數(shù)字孿生模型及系統(tǒng)還可推廣應(yīng)用至操作員培訓(xùn)等其他應(yīng)用場(chǎng)景.