基于數(shù)字孿生的步進滑臺遠程虛實同步研究*

梁生龍，李軍利，趙新寬

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東珠海 519090）

0 引言

《中國制造2025》明確提出，要加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，進一步引領(lǐng)制造業(yè)向“智能化”、“數(shù)字化”轉(zhuǎn)型升級。構(gòu)建數(shù)字化智能工廠將成為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要突破口，而數(shù)字化工廠的精髓就在于車間和設(shè)備的遠程三維可視化智能監(jiān)控[1]。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在可視化監(jiān)控方面進行了大量研究，吳鵬興等[1]探索了基于數(shù)字孿生的離散制造車間可視化實時監(jiān)控方法；梁生龍等[2]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控平面磨床遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了平面磨床遠程監(jiān)控的大數(shù)據(jù)看板；周成、孫敏等[3-4]提出一種基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，并介紹了系統(tǒng)開發(fā)流程；張入元[5]介紹了一種基于數(shù)字孿生的總裝對接在線監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了總裝對接過程的全方位的數(shù)據(jù)采集和可視化監(jiān)控；杜瑩瑩[6]提出了一種基于數(shù)字孿生的工業(yè)機器人三維實時可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對工業(yè)機器人的透明、實時可視化監(jiān)控；黃海松等[7]對數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用進行了綜述性研究；姜珊等[8-12]進行了基于NX_MCD 的機電概念設(shè)計、虛擬調(diào)試、虛擬驗證協(xié)同的研究；張南等[13]提出基于數(shù)字孿生的車間生產(chǎn)過程監(jiān)控方法，實現(xiàn)了車間生產(chǎn)作業(yè)過程的三維虛擬可視化及實時動態(tài)交互。

綜上所述，大部分的研究是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對車間或設(shè)備進行遠程監(jiān)控的研究，或是基于數(shù)字孿生的本地虛實協(xié)同研究，未能將物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生相結(jié)合來實現(xiàn)遠程三維可視化智能監(jiān)控。本文提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程虛實同步監(jiān)控系統(tǒng)，以典型機電運動機構(gòu)步進滑臺為例，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將步進滑臺的控制器PLC接入云平臺，很好地實現(xiàn)了步進滑臺的遠程在線實時監(jiān)控，通過NX-MCD 設(shè)計了步進滑臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)，利用OPC通信將步進滑臺實體機的物理信號與MCD 中數(shù)字孿生體的虛擬信號進行實時映射，通過實時數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了遠程虛實通訊及同步運動，既可以利用移動電話、平板、計算機等智能終端遠程登錄云平臺監(jiān)控界面進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備運行大數(shù)據(jù)看板，也可以在遠程計算機上打開MCD 數(shù)字孿生體進行三維可視化虛實同步監(jiān)控，大大提高了步進滑臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的可視化、智能化和數(shù)字化水平，通過在教育領(lǐng)域的應(yīng)用實踐，可以滿足線上“云實訓(xùn)”，取得了較好的應(yīng)用效果，相關(guān)技術(shù)也可以為智能制造工程領(lǐng)域中遠程三維可視化監(jiān)控提供一定的參考。

1 步進滑臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

步進滑臺運動機構(gòu)是典型的機電一體化設(shè)備，主要包括步進電機、步進驅(qū)動器、彈性聯(lián)軸器、絲杠螺母副、滑臺、控制器PLC 及傳感器等組成，常應(yīng)用于數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線中。為了實現(xiàn)步進滑臺的遠程虛實同步，需要解決兩個問題，一個是需要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)場設(shè)備進行工業(yè)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠程監(jiān)控；另外一個問題是需要利用數(shù)字孿生技術(shù)建立步進滑臺數(shù)字孿生體，并通過OPC協(xié)議實現(xiàn)物理信號和虛擬信號的遠程虛實通信。遠程虛實同步監(jiān)控模型如圖1 所示，主要包括遠程大數(shù)據(jù)看板監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字孿生三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)云平臺（遠程工控機）、現(xiàn)場監(jiān)控終端（PLC等）組成[2]。

圖1 遠程虛實同步監(jiān)控模型

1.1 步進滑臺遠程虛實同步的總體架構(gòu)

步進滑臺的遠程虛實同步系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示，主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)三部分組成?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括三菱PLC、原點開關(guān)、行程限位開關(guān)、步進驅(qū)動設(shè)備組成，遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括FX3U-485BD 通信板、GRM530 遠程工控模塊和網(wǎng)絡(luò)云平臺，數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)主要包括數(shù)字孿生三維模型、MCD機電概念設(shè)計和OPC DA 通信?，F(xiàn)場使用FX3U-48MT 作為步進滑臺的主控制器，實現(xiàn)步進滑臺的運動控制及運行數(shù)據(jù)采集，利用雙絞線將遠程工控模塊的COM 口與PLC 的RS485 通信板進行連接，如圖3 所示，連接成功后即可利用RS485 串口實現(xiàn)遠程工控機（主站）和PLC（從站）的通信和數(shù)據(jù)傳輸，遠程工控模塊主動采集PLC的運行數(shù)據(jù)后再通過4 G、5 G、WiFi 或有線網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備運行數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)云儲存和管理。利用任意可以連接網(wǎng)絡(luò)的移動電話、平板等智能終端即可隨時隨地進行設(shè)備遠程在線監(jiān)視[2]，當(dāng)遠程工控端收到上位機發(fā)出的控制指令后，遠程工控機也可將其通過RS485 傳送至PLC 控制器，PLC 及時響應(yīng)控制指令完成步進滑臺的遠程控制。利用西門子NX-MCD 軟件按照步進滑臺實體機1∶1 比例進行數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計，通過OPC-DA 協(xié)議將步進滑臺實體設(shè)備的物理信號與MCD 數(shù)字孿生體的虛擬信號進行實時映射，實現(xiàn)遠程實時數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)遠程虛實通訊及遠程虛實同步運動。

圖2 步進滑臺遠程虛實同步系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 遠程模塊與FX3U-485BD接線圖

1.2 遠程工控機與PLC的通信設(shè)計

遠程工控機包含2 個RS485 端口和一個RS232 接口，內(nèi)置多種主、從通訊協(xié)議，可連接人機界面（HMI）、可編程控制器（PLC）、智能模塊、板卡、智能儀表、智能傳感器，變頻器等多種設(shè)備，最大可支持多達2 000 點的通訊變量。三菱PLC 包含RS-232、RS-485、RS-422 接口，支持三菱專用協(xié)議、N:N 協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議等串口通訊協(xié)議。本文中主要利用遠程工控機的RS485 端口和三菱PLC 的RS-485 通信板實現(xiàn)串口通信，三菱PLC作為從站，遠程工控機作為主站實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸包含遠程工控機讀取PLC運行數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC。要實現(xiàn)步進滑臺的遠程可視化監(jiān)控，需要在網(wǎng)絡(luò)層配置一個云平臺，遠程工控機通過4G、5G、WiFi、有線網(wǎng)絡(luò)向云平臺收發(fā)數(shù)據(jù)，移動電話App、網(wǎng)頁端、OPC 服務(wù)器等各種應(yīng)用就可以直接在云平臺中做數(shù)據(jù)監(jiān)控和轉(zhuǎn)發(fā)。PLC端和遠程工控端的具體通信參數(shù)配置如表1 所示，三菱PLC 通訊參數(shù)中的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、奇偶校驗與遠程工控機的通訊設(shè)備編輯器中必須保持一致，參數(shù)配置完成后工控機和PLC均需要斷電重啟方可生效。

表1 PLC端與遠程工控端通信參數(shù)配置

遠程工控機接收到PLC實時采集數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)打包上傳到網(wǎng)絡(luò)云平臺，網(wǎng)絡(luò)云平臺對數(shù)據(jù)報文按照專用協(xié)議進行解析后，提供給移動電話App，WEB 網(wǎng)頁監(jiān)控，數(shù)據(jù)存儲、OPC 服務(wù)器等需要使用數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用層。當(dāng)移動電話、平板、計算機等智能終端向云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，云平臺可以將接收到的數(shù)據(jù)照專用協(xié)議解析，解析后再發(fā)送到遠程工控機，遠程工控機再通過RS485 串口通訊發(fā)送到現(xiàn)場主控制器PLC 中。在進行遠程工控機通訊配置時，需要在配置軟件中選擇實際使用的遠程工控機對應(yīng)型號，設(shè)置合適的通訊協(xié)議、加載實際使用的IO 設(shè)備、建立相關(guān)數(shù)據(jù)詞典并與從站PLC 寄存器地址進行關(guān)聯(lián)，最后將開發(fā)完成的工程項目通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)下載到遠程工控機模塊及網(wǎng)絡(luò)云平臺[2]。

1.3 步進滑臺遠程監(jiān)控模塊程序設(shè)計

利用GX Works2完成步進滑臺的現(xiàn)場控制程序，利用遠程工控軟件GRMDev5 完成遠程監(jiān)控模塊程序設(shè)計，在程序設(shè)計開發(fā)時首先要將開發(fā)計算機的IP 設(shè)置成和遠程工控模塊同一個網(wǎng)段，如安裝工控軟件計算機的IP為192.168.1.235，遠程工控的IP為192.168.1.240。遠程通信程序設(shè)計主要包括通訊協(xié)議選擇、通訊參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)詞典的建立、數(shù)據(jù)詞典與現(xiàn)場PLC寄存器的關(guān)聯(lián)、短信、微信、電話自動報警等復(fù)雜遠程監(jiān)控策略的設(shè)置等。步進滑臺遠程監(jiān)控部分數(shù)據(jù)詞典如表2 所示，設(shè)備運行時遠程工控機會主動和通訊口上連接的PLC進行實時通信，循環(huán)采集定義好的所有變量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)遠程讀寫。在工程配置完成后可以本地通過LAN 口直接下載到遠程模塊中，也可以通過將遠程模塊連接至云服務(wù)器，直接將配置好的工程提交至云平臺。在遠程模塊程序設(shè)計完成后，可以遠程管理和維護步進滑臺的程序，輕松實現(xiàn)步進滑臺程序的遠程編寫、修改、上傳、下載等功能，應(yīng)用在教育領(lǐng)域的線上教學(xué)中可以非常方便的開展“云實訓(xùn)”，在工業(yè)應(yīng)用中也可以實現(xiàn)“云監(jiān)控”和“云維護”，可以解決疫情下無法及時到現(xiàn)場進行設(shè)備維護的問題。

表2 步進滑臺遠程監(jiān)控部分數(shù)據(jù)詞典

1.4 步進滑臺云端遠程監(jiān)控界面設(shè)計

為了實現(xiàn)步進滑臺可視化的人機交互，需要利用Web-GUIDev 軟件設(shè)計開發(fā)適合網(wǎng)頁和移動電話App 打開的遠程監(jiān)控畫面，設(shè)計完成后可通過移動電話、計算機、平板等智能終端隨時隨地遠程打開云監(jiān)控畫面。畫面開發(fā)內(nèi)容主要包括創(chuàng)建適合WEB 瀏覽器或App 等智能終端的人機交互畫面、添加數(shù)碼管、指示燈、基本按鈕、棒狀填充、風(fēng)扇等控件并進行專用屬性設(shè)置及關(guān)聯(lián)遠程工控機數(shù)據(jù)詞典等。步進滑臺遠程監(jiān)控畫面如圖4 所示，只要能夠連接上網(wǎng)絡(luò)，就可以利用移動電話、平板、計算機等遠程智能終端遠程登錄監(jiān)控App 或WEB 網(wǎng)頁即可進入步進滑臺的遠程可視化監(jiān)控畫面，工程技術(shù)人員便可遠程對步進滑臺進行左移、右移、回原點、報警等點動操作，設(shè)置好相關(guān)運行參數(shù)后可以進行自動啟動、停止等操作，還可以實時監(jiān)控步進電機的脈沖數(shù)、步進滑臺的實時位移、速度、運行狀態(tài)指示燈、警示燈等。當(dāng)發(fā)生超行程或超速故障后對應(yīng)的警示燈和聲音會及時報警，若在遠程工控機配置了相關(guān)報警策略，也可以通過短信、微信、電話等多種方式將故障情況遠程及時發(fā)送給工作人員，保證了工作人員在故障發(fā)生的第一時間收到故障報警信號，并及時進行處理，實現(xiàn)了“云值守”，大大提高了步進滑臺遠程監(jiān)控的智能化水平。

圖4 步進滑臺的遠程監(jiān)控畫面

2 步進滑臺的遠程虛實同步設(shè)計

2.1 數(shù)字孿生設(shè)計

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念，最早在2003 年由Grieves 教授首次提出，其本質(zhì)是物理實體在虛擬空間的精準(zhǔn)映射模型，并貫穿產(chǎn)品的全生命周期過程，從構(gòu)想、設(shè)計、制造、測試、仿真、調(diào)試、運維、管理等所有的工藝流程[3-4]。數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)是制造業(yè)數(shù)字化的核心技術(shù)，其關(guān)鍵在于建模、仿真和調(diào)試，能通過信號的虛實映射，完成數(shù)字化模型與實體設(shè)備的同步運動，是一種實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段[5-8]。本文中主要是借助數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)步進滑臺實體機與虛擬模型的遠程虛實同步運動。

在進行步進滑臺的數(shù)字孿生虛擬設(shè)計時，首先利用UG 等三維軟件對步進滑臺按照真實設(shè)備1∶1 比例進行三維數(shù)字建模，如圖5所示，然后將數(shù)字孿生三維模型導(dǎo)入NX-MCD 進行機電概念設(shè)計，添加步進滑臺虛擬數(shù)字模型對應(yīng)的物理和電氣屬性[9]。根據(jù)步進滑臺的動作要求，在NX-MCD 中首先要將聯(lián)軸器、滑臺、絲杠定義為剛體，為了實現(xiàn)聯(lián)軸器和絲杠的同步旋轉(zhuǎn)、滑臺的移動動畫效果，需要添加固定副、鉸鏈副、滑動副等運動副和約束，其中聯(lián)軸器和絲杠添加為固定副，聯(lián)軸器和絲杠分別添加鉸鏈副，步進滑臺需要添加滑動副。為了實現(xiàn)黃、綠、紅警示燈及傳感器顯示燈的動畫效果，需要添加顯示更改器，利用顯示更改器中可見性屬性控制顯示效果。為了實現(xiàn)絲杠的旋轉(zhuǎn)運動和滑臺的直線運動效果，需要在NX-MCD中添加兩個位置控制，添加原點、正限位、負限位3 個碰撞傳感器，最后根據(jù)步進滑臺要實現(xiàn)的功能添加NX-MCD 內(nèi)部控制信號和反饋信號，并在信號適配器中添加位置控制的運行參數(shù)和編寫對應(yīng)公式。如要對絲杠、滑臺的位置進行控制，就需要添加別名為“滑臺位置”，單位為mm，數(shù)據(jù)類型為double的的運行參數(shù)，添加名稱為“D0 脈沖值”控制信號，并利用公式對控制信號“D0 脈沖值”和參數(shù)“滑臺位置”進行指派，其中步進電機參數(shù)為1 000 p/r，絲杠螺距為5 mm，“D0 脈沖值”信號實時映射的是步進電機的脈沖數(shù)，那么“滑臺位置”的指派公式為：D0 脈沖值/1 000×5 mm，絲杠的旋轉(zhuǎn)實時角度指派公式為：D0脈沖值/1 000×360°。

圖5 步進滑臺數(shù)字孿生體與實體機

2.2 步進滑臺數(shù)字孿生體的虛實信號交互

基于孿生數(shù)據(jù)的實時映射是實現(xiàn)步進滑臺虛實同步可視化監(jiān)控的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)NX-MCD 中的步進滑臺數(shù)字孿生模型與真實設(shè)備的信號實時傳輸，需要先在NX-MCD 信號適配器中定義控制信號和反饋信號，控制信號主要是控制步進滑臺運行參數(shù)的信號，可以接收物理設(shè)備的輸出信號，反饋信號主要是反映步進滑臺的運行參數(shù)的信號，可以反饋給物理設(shè)備的輸入信號，然后再通過OPC 將NX-MCD 定義好的虛擬信號與外部物理信號進行實時映射[10-11]。NX-MCD 內(nèi)部集成有OPC 客戶端，支持OPCDA、OPCUA、SHM、MATLAB、PLCSIM.Adv、TCP、UDP、PROFINET、FMU 及自定義等多種通信方式，如果是與本地的三菱PLC 控制器進行信號交互，可以選擇連接MXOPC 服務(wù)器進行連接，如果是與本地西門子1200PLC 控制器進行信號交互可選擇通過KEPServerEX6 服務(wù)器進行連接，如果是與本地西門子1500PLC 進行信號交互可直接選擇PLC 自帶的OPC UA 進行連接，如果是與異地遠程PLC 進行信號交互，需要連接遠程工控機的OPC服務(wù)器，本文中步進滑臺虛實信號交互選擇與遠程OPC Server進行連接，遠程OPC 服務(wù)器正常啟動運行后如圖6 所示。在MCD 外部信號映射中選擇外部OPC DA 服務(wù)器，將MCD 信號與外部遠程服務(wù)器的信號進行自動映射，通過遠程OPC 通訊技術(shù)實現(xiàn)虛實信號交互原理如圖7所示[12-14]，虛實信號交互成功后，可以用實際設(shè)備的輸出信號控制NX-MCD 中的數(shù)字孿生模型進行相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)虛擬調(diào)試和遠程虛實同步，最終實現(xiàn)遠程虛實同步三維可視化監(jiān)控。

圖6 遠程OPC服務(wù)器狀態(tài)

圖7 虛實信號交互原理

3 平臺驗證與應(yīng)用

步進滑臺的硬件和軟件程序開發(fā)完成后開始進行測試，首先將步進滑臺通電，計算機聯(lián)網(wǎng)并啟動遠程工控機的OPC服務(wù)器，在NX-MCD 中打開步進滑臺的數(shù)字孿生體并啟動運行，利用連接網(wǎng)絡(luò)的移動電話、計算機、平板登錄App或網(wǎng)頁打開步進滑臺遠程云監(jiān)控畫面進行測試，測試現(xiàn)場如圖8 所示。試驗結(jié)果表明，通過人機交互畫面的按鈕發(fā)出控制指令后，步進滑臺實體機和虛擬數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)遠程虛實同步運動，同時通過人機交互畫面也能夠?qū)崟r監(jiān)視步進滑臺的運行數(shù)據(jù)和報警情況，在NX-MCD 的數(shù)字孿生體中也能夠360°無死角直觀地監(jiān)視步進滑臺的運動狀態(tài)，通過MCD 中的運行時查看器也能實時查看具體的物理參數(shù)和信號數(shù)據(jù)。在新冠疫情停課不停學(xué)期間，利用步進滑臺遠程同步系統(tǒng)開展了線上教學(xué)試驗，學(xué)生通過登錄遠程云監(jiān)控畫面對設(shè)備進行遠程控制，并通過視頻直播觀看實體機和數(shù)字孿生體的動作效果，也可以把編寫好的程序遠程下載到步進滑臺實體機或數(shù)字孿生體中進行程序驗證和調(diào)試，取得了較好的效果。

圖8 虛實同步現(xiàn)場測試

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程虛實同步方法，設(shè)計開發(fā)了步進滑臺的遠程監(jiān)控程序和監(jiān)控畫面，實現(xiàn)了計算機、移動電話、平板等智能終端利用網(wǎng)頁或App 對步進滑臺的遠程可視化監(jiān)控、運維，遠程修改設(shè)備參數(shù)、遠程上下載程序等，利用NX-MCD 完成了步進滑臺數(shù)字孿生體虛擬場景的搭建，實現(xiàn)了物理層和虛擬層之間數(shù)據(jù)的遠程實時映射，實現(xiàn)了遠程虛實同步，實現(xiàn)了在數(shù)字孿生虛擬環(huán)境中對步進滑臺進行全方位無死角實時監(jiān)控，大大提高了步進滑臺的遠程智能監(jiān)控水平。相關(guān)技術(shù)既可以應(yīng)用在教育領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于機電設(shè)備的三維可視化監(jiān)控工程技術(shù)領(lǐng)域。經(jīng)驗證，本文所設(shè)計的步進滑臺遠程虛實同步設(shè)備在教育領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了較好的效果，借助步進滑臺數(shù)字孿生體遠程虛實同步系統(tǒng)，學(xué)生可以利用移動電話等智能終端對步進滑臺的數(shù)字孿生體和實物進行遠程操控，360°無死角感受步進滑臺的工作原理和機制，無需真實設(shè)備就可以在自己計算機上進行多次無風(fēng)險程序調(diào)試，程序虛擬調(diào)試無誤后還可以遠程下載到步進滑臺實體機進行實物驗證，方便開展線上“云實訓(xùn)”，正好可以解決新冠疫情下遠程教學(xué)學(xué)生無法到校使用學(xué)校實體設(shè)備的問題，教學(xué)再不受設(shè)備、場地的約束，提高了教學(xué)的便捷性。步進滑臺遠程虛實同步監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)也可以為智能制造工程領(lǐng)域中遠程三維可視化監(jiān)控提供一定的參考。