基于Automation Studio的自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

周玉印

(云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,云南 昆明 650203)

1 引言

習(xí)近平總書記指出,世界經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨,黨的十九大報(bào)告明確提出要加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó),《中國(guó)制造2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向,推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化,培育新型生產(chǎn)方式,全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”[1]。智能制造的瓶頸之一是如何實(shí)現(xiàn)制造的物理世界和信息世界之間的交互與共融,而數(shù)字孿生技術(shù)的特征是網(wǎng)絡(luò)空間和物理空間的交互融合,數(shù)字孿生(Digital Twin)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體,借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等,模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段,數(shù)字孿生是解決智能制造瓶頸的有效手段[2]。2020年11月11日,由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭編寫的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》正式發(fā)布,《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》對(duì)數(shù)字孿生相關(guān)定義、特征進(jìn)行了闡述,針對(duì)當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)熱點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)情況和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理分析,涵蓋了智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等6個(gè)領(lǐng)域共計(jì)31個(gè)數(shù)字孿生應(yīng)用案例。在此背景下,數(shù)字孿生技術(shù)受到廣泛關(guān)注,將產(chǎn)生巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用呈井噴式發(fā)展,在航空航天、制造、交通、智慧城市、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域均有相關(guān)企業(yè)和科研單位開(kāi)展數(shù)字孿生的研究,同時(shí)涌現(xiàn)了很多新的研究成果,但是數(shù)字孿生技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)研發(fā)和具體應(yīng)用尚處于探索階段,研究成果相對(duì)較少且缺乏系統(tǒng)性[3]。本文以自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建與應(yīng)用為例,研究數(shù)字孿生技術(shù)促進(jìn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造業(yè)時(shí)代物理空間和虛擬空間之間融合的方法。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元孿生體3D模型

圖1所示為YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元3D模型,這是數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理實(shí)體的“形”[4],借助Unity 3D軟件設(shè)計(jì),Unity 3D引擎強(qiáng)大的動(dòng)畫功能高保真度地創(chuàng)建自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)模型。

圖1 Automation Studio中自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元3D模型

供料單元的主要結(jié)構(gòu)組成如下:主要由工件裝料管形料倉(cāng)、頂料氣缸、推料氣缸、支撐架、電磁閥組、磁性開(kāi)關(guān)、漫射式光電傳感器、底板等組成。其中,工件裝料管形料倉(cāng)用于存儲(chǔ)工件原料,頂料氣缸和推料氣缸作為驅(qū)動(dòng)裝置,用于在供料時(shí)將料倉(cāng)中下層的工件推出到物料臺(tái)上。在底座和管形料倉(cāng)倒數(shù)第4層工件位置,分別安裝一個(gè)漫射式光電開(kāi)關(guān),它們的功能是檢測(cè)料倉(cāng)中有無(wú)工件或工件是否充足。物料臺(tái)面上開(kāi)有小孔,物料臺(tái)下面安裝有一個(gè)圓柱形漫射式光電接近開(kāi)關(guān),接通電源后向上發(fā)出光束,從而透過(guò)小孔檢測(cè)物料臺(tái)是否有工件存在,以便向整條生產(chǎn)線系統(tǒng)提供本單元物料臺(tái)有無(wú)工件的信號(hào)。

3 自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生技術(shù)離不開(kāi)虛擬仿真技術(shù)的支撐,從技術(shù)角度看,仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生模型、保證數(shù)字孿生模型與對(duì)應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)交互共融的關(guān)鍵技術(shù)之一[5-6]。Automation Studio是貝加萊公司開(kāi)發(fā)的一款面向工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的集成化的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境,可應(yīng)用于任何規(guī)模任何范圍的項(xiàng)目,其所涵蓋的項(xiàng)目涉及機(jī)械技術(shù)、液壓、氣動(dòng)、電氣工程、PLC控制、人機(jī)界面和通信協(xié)議等,Automation Studio能夠快速地將這些不同的技術(shù)集成以設(shè)計(jì)、制作文檔及仿真完整的系統(tǒng)。Automation Studio原理圖可以連接到第三方軟件和硬件,例如,將原理圖連接到Unity 3D環(huán)境,以便在虛擬孿生中更添加真實(shí)感,可以使用I/O接口工具模組、OPC UA服務(wù)器或CAN模組等進(jìn)行外部硬件連接[7]。

3.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元作為物理實(shí)體,選擇Automation Studio作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。首先在Automation Studio軟件平臺(tái)中建立YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元的數(shù)字孿生虛擬模型,按照供料站物理實(shí)體的工作任務(wù)要求,軟件內(nèi)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬仿真功能;然后采用OPU UA協(xié)議,進(jìn)行Automation Studio中數(shù)字孿生虛擬模型與供料單元PLC 1200的軟、硬件通信,最后進(jìn)一步研究供料單元數(shù)字虛體與供料單元物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交互(見(jiàn)圖2)。

圖2 數(shù)字孿生自動(dòng)化生產(chǎn)線

3.2 導(dǎo)入供料單元數(shù)字模型3D對(duì)象

Automation Studio可以與Unity 3D聯(lián)接,受益于Unity 3D軟件強(qiáng)大的動(dòng)畫功能,此功能非常適合用于在Automation Studio中開(kāi)發(fā)的數(shù)字孿生系統(tǒng)[8]。自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字模型3D對(duì)象建模完成后,打開(kāi)Automation Studio自定義庫(kù),打開(kāi)已經(jīng)建立好的YL-335B供料單元3D可控對(duì)象,進(jìn)行3D-Link連接,便于后續(xù)能夠通過(guò)Automation Studio平臺(tái)對(duì)YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字模型3D對(duì)象進(jìn)行正確的控制仿真,可以在Automation Studio建立氣動(dòng)回路圖、仿真PLC圖、PLC程序圖、順序功能控制圖,使用博途TIA Portal V16軟件進(jìn)行編程或Automation Studio,在OPC UA通信下控制自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字模型3D對(duì)象或?qū)嶓w自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元。

3.3 供料單元?dú)鈩?dòng)回路的設(shè)計(jì)

根據(jù)YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元的供料動(dòng)作要求在Automation Studio中繪制氣動(dòng)回路圖,氣動(dòng)控制回路是本工作單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu),該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制邏輯與控制功能是由PLC實(shí)現(xiàn)的。回路所需的所有組件都包含在Automation Studio的主氣動(dòng)庫(kù)中,只需單擊它即可顯示組件,然后將庫(kù)中的所需組件拖放到圖面上,最后將所有元素連接在一起,以完成氣動(dòng)回路的連接。在連接完成后如若出現(xiàn)紅色元件或紅色連接線路,此處線路為連接錯(cuò)誤,需重新添加線路或刪除連接線重新連接。

自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元?dú)鈩?dòng)回路如圖3所示,圖3中兩個(gè)執(zhí)行元件分別為推料氣缸和頂料氣缸,兩個(gè)氣缸的初始位置均處于縮回位置。氣動(dòng)回路繪制完成后,仿真驗(yàn)證功能正確,然后定義變量V1和V2分別為控制推料氣缸和頂料氣缸的電磁控?fù)Q向閥的電磁控制端,V1、V2要關(guān)聯(lián)PLC圖中用螺線管代替的V1、V2的變量,具體的變量關(guān)聯(lián)方法如下:選擇推料換向閥,雙擊打開(kāi)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(guān)聯(lián),同理關(guān)聯(lián)頂料氣缸。

圖3 自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元?dú)鈩?dòng)回路

3.4 通過(guò)SFC編程實(shí)現(xiàn)供料單元虛擬仿真控制

順序功能圖(SFC)是一種輕松高效地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化自動(dòng)化控制邏輯的選擇,在Automation Studio中創(chuàng)建順序功能圖元素與編寫語(yǔ)句時(shí),Automation Studio會(huì)引導(dǎo)完成編寫正確語(yǔ)法,每次插入步驟、轉(zhuǎn)換或語(yǔ)句時(shí),配置窗口都會(huì)顯示適用的命令、說(shuō)明和定義[9]。自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元的工作過(guò)程如下:工件垂直疊放在管型料倉(cāng)中,推料氣缸處于管型料倉(cāng)的最底層,并且其活塞桿可從料倉(cāng)的底部通過(guò),頂料氣缸則與次下層工件處于同一水平位置。在需要供料時(shí)(物料臺(tái)上無(wú)料),首先使頂料氣缸伸出,頂住次下層工件,頂料到位后,然后使推料氣缸伸出,把最下層工件推出到物料臺(tái)上,推料到位后,推料氣缸返回并縮回到位后,再使頂料氣缸返回,松開(kāi)次下層工件。這樣,料倉(cāng)中的工件在重力的作用下就自行落下,為下一次供料推出工件做好準(zhǔn)備。

在Automation Studio中設(shè)計(jì)SFC控制圖具體的操作過(guò)程如下: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(biāo)右鍵選擇“組件屬性”,從變量窗口中選擇“供料單元頂料氣缸變量(BOOL)”,并輸入“:= 0”表示將該變量賦值“0”,重復(fù)上述動(dòng)作,將“供料單元推料氣缸變量(BOOL)”賦值0;選插入“轉(zhuǎn)換”(表示跳轉(zhuǎn)的條件);重復(fù)上述步驟完成SFC順序流程編程,添加變量,選擇類型“BOOL”,定位選擇SFC,名稱設(shè)置“供料單元SFC”,別名設(shè)置“供料單元SFC”。順序功能語(yǔ)句的編寫需要嚴(yán)格按照順序填寫,否則將造成控制混亂,從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制功能。

3.5 虛擬仿真驗(yàn)證功能

點(diǎn)擊Start按鈕啟動(dòng)仿真,按下綠色啟動(dòng)按鈕進(jìn)行供料站3D模型動(dòng)作功能驗(yàn)證,仿真結(jié)果顯示功能正確,仿真瞬間的截圖如圖4所示,仿真動(dòng)作過(guò)程圖如圖5所示,從而完成了自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖4 供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)集成仿真操作界面

4 自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理實(shí)體之間的軟、硬件連接

通過(guò)Automation Studio軟件的通信模塊OPC,與博途TIA Portal V16軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)與西門子CPU 1214C AC/DC/RLY實(shí)體PLC的通信,該通信過(guò)程中的核心問(wèn)題是Automation Studio與TIA Portal V16之間的通信。采用OPC UA作為模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)接口,進(jìn)行Automation Studio中數(shù)字孿生虛擬模型與供料單元物理實(shí)體PLC 1200的軟、硬件通信,通過(guò)OPC UA服務(wù)器建立虛實(shí)模型的連接,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。

4.1 OPC UA通信協(xié)議

Automation Studio中集成了OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC Unified Architecture,簡(jiǎn)稱OPC UA),OPC UA協(xié)議是一種適用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的獨(dú)立于廠商的通信協(xié)議,該協(xié)議是平臺(tái)獨(dú)立且內(nèi)置有安全機(jī)制,由于OPC UA靈活且完全獨(dú)立,因此它被視為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的理想通信協(xié)議[10]。OPC UA標(biāo)準(zhǔn)提供了一種簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)在機(jī)器之間交換數(shù)據(jù)和信息通信,且不受限于平臺(tái)和制造商,除了純數(shù)據(jù)傳輸之外,OPC UA還會(huì)為所傳輸?shù)男畔⑻峁C(jī)器可讀的語(yǔ)義描述定義,使得OPC UA非常易于集成和操作,因此,OPC UA為工業(yè)環(huán)境的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了理想的先決條件,因此它在智能制造產(chǎn)業(yè)中的受歡迎程度和重要性都與日俱增。Automation Studio可以通過(guò)OPC UA服務(wù)器連接到第三方軟件和硬件,解決了本設(shè)計(jì)中的數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的交互的難點(diǎn)。

4.2 建立博途OPC UA服務(wù)器

1)OPC UA設(shè)置。

打開(kāi)TIA Portal V16軟件,創(chuàng)建新項(xiàng)目,添加新設(shè)備CPU 1214C AC/DC/RLY,設(shè)備組態(tài),更改IP地址,激活OPC UA服務(wù)器,默認(rèn)服務(wù)器地址,服務(wù)器地址默認(rèn)為IP地址和端口號(hào),運(yùn)行系統(tǒng)許可證SIMATIC OPC UA S7-1200 basic,否則無(wú)法進(jìn)行聯(lián)接,添加數(shù)據(jù)塊,點(diǎn)擊數(shù)據(jù)塊屬性,取消優(yōu)化的塊訪問(wèn),否則會(huì)出現(xiàn)編譯下載錯(cuò)誤,并選擇數(shù)據(jù)塊從OPC UA可訪問(wèn),否則無(wú)法進(jìn)行連接通信。

2)OPC UA通信設(shè)置。

新增服務(wù)器端口,將OPC UA元素拖至OPC UA服務(wù)器接口,最后下載至自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元實(shí)體PLC(見(jiàn)圖6)。

圖6 OPC UA元素關(guān)聯(lián)

4.3 Automation Studio與TIA Portal V16的OPC UA連接

打開(kāi)Automation Studio通信管理器,選擇OPC客戶端UA,添加OPC服務(wù)器,將TIA Portal V16 OPC UA服務(wù)器地址復(fù)制粘貼在手動(dòng)網(wǎng)址(URL);配置OPC服務(wù)器,重新連接周期設(shè)置為1 000 ms,可以縮短其通信反應(yīng)時(shí)間,之后若顯示連接失敗,原因是缺少OPC UA證書,未能實(shí)現(xiàn)相互連接,解決的方法是拷貝OPC UA證書,證書拷貝路徑為C:ProgramDataOPCFoundationCertificateStoresRejectedCertificatescerts,按拷貝路徑打開(kāi)相應(yīng)文件夾,將對(duì)應(yīng)的OPC UA拷貝至正確文件夾中,此時(shí)將會(huì)連接成功,連接結(jié)果如圖7所示。

圖7 Automation Studio與TIA Portal V16 OPC UA連接成功

5 自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元虛實(shí)交互試驗(yàn)

Automation Studio與TIA Portal V16 OPC UA連接成功后,添加OPC組,將已經(jīng)顯示連接的OPC服務(wù)器添加至改組中,OPC服務(wù)器選中Server_#1,在添加完OPC組后,點(diǎn)擊鏈接,鏈接選中組Group_#1,此時(shí)會(huì)顯示出連接PLC數(shù)據(jù)情況,Server Interfaces里尋找建立的服務(wù)器端口,在服務(wù)器端口中找到建立的供料單元變量;在別名下搜索需要的Automation Studio變量,將正確的變量進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)。例如此處,供料單元推料氣缸關(guān)聯(lián)變量V1,供料單元頂料氣缸關(guān)聯(lián)變量V2,此時(shí)完成變量關(guān)聯(lián)(見(jiàn)圖8),狀態(tài)顯示綠色即為關(guān)聯(lián)成功,OPC關(guān)聯(lián)完成之后便可進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線供料單元數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理實(shí)體的虛實(shí)交互試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 虛實(shí)交互連接成功

圖9 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生作為新一代高新技術(shù),結(jié)合人工智能、5G、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù),在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車間、智慧城市等領(lǐng)域不斷深化融合,有力推動(dòng)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的升級(jí)與變革。2020年以來(lái),“數(shù)字孿生”不再只是一種技術(shù),而是一種發(fā)展的新模式,一個(gè)轉(zhuǎn)型的新路徑,一股推動(dòng)各行業(yè)深刻變革的新動(dòng)力。

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù),建立包含所有制造過(guò)程細(xì)節(jié)的數(shù)字孿生模型,在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證制造過(guò)程,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)在模型中進(jìn)行修正。這種明顯區(qū)別于傳統(tǒng)流程驗(yàn)證的高效方法,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即可預(yù)見(jiàn)其性能并加以改進(jìn),在制造流程初期就能掌握準(zhǔn)確信息并預(yù)見(jiàn)制造過(guò)程,保證所有細(xì)節(jié)都準(zhǔn)確無(wú)誤,幫助企業(yè)更快地向市場(chǎng)推出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品,搶占先機(jī)。借助數(shù)字孿生模型可以設(shè)計(jì)出包含所有細(xì)節(jié)信息的生產(chǎn)布局,包括機(jī)械、自動(dòng)化設(shè)備、工具、資源甚至是操作人員等各種詳細(xì)信息,并將之與產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行無(wú)縫關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)人員和制造人員實(shí)現(xiàn)協(xié)同,設(shè)計(jì)方案和生產(chǎn)布局實(shí)現(xiàn)同步,這些都大大提高了制造業(yè)務(wù)的敏捷度和效率,幫助企業(yè)面對(duì)更加復(fù)雜的產(chǎn)品制造挑戰(zhàn)。

本文基于Automation Studio的自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究的過(guò)程及方法,為設(shè)計(jì)者和管理者提供生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái),相關(guān)工作能為相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)字孿生理論、技術(shù)和工程應(yīng)用研究提供啟發(fā)及參考。