基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究

楊 斌，俞齊鑫，張 丹

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院 江蘇 常州 213164）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)方式存在設(shè)備費(fèi)用高、部分儀器危險(xiǎn)性高、培訓(xùn)效果差等問題[1]，而純虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無真實(shí)的設(shè)備與之對(duì)照，使得學(xué)生不能體驗(yàn)真實(shí)的交互過程。數(shù)字孿生通過數(shù)字化方式建立物理實(shí)體的虛擬數(shù)字模型，真實(shí)再現(xiàn)物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，形成一一對(duì)應(yīng)的“數(shù)字雙胞胎”，實(shí)現(xiàn)“虛擬的也是真實(shí)的”“所見即所得”“仿真與實(shí)際相統(tǒng)一”[2]。本文以常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造實(shí)訓(xùn)車間項(xiàng)目中的“保溫杯墊智能制造生產(chǎn)線”為物理實(shí)體模型，利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能產(chǎn)線仿真平臺(tái)構(gòu)建，探索了數(shù)字孿生技術(shù)與自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的結(jié)合。

1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程形式

實(shí)訓(xùn)教學(xué)不僅是理論課程的延伸，還是理論課程的實(shí)踐落地，是職業(yè)教育人才掌握技術(shù)技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，教學(xué)方式主要有基于物理實(shí)體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)、基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)和基于數(shù)字孿生技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)[3]。

1.1 基于物理實(shí)體的實(shí)訓(xùn)教學(xué)

高職電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)室和實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)是職業(yè)院校開展實(shí)踐教學(xué)的重要方式。常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)以電氣自動(dòng)化專業(yè)為主，厘清各專業(yè)通用課程，通過硬件設(shè)施建設(shè)提升電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)基地功能，優(yōu)化課程教學(xué)資源建設(shè)。實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)了多個(gè)西門子PLC 實(shí)訓(xùn)室，這類實(shí)訓(xùn)室發(fā)展較為成熟，學(xué)生可快速上手，但是還存在以下問題：①實(shí)訓(xùn)設(shè)備和場(chǎng)地建設(shè)需花費(fèi)大量資金，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)大；②設(shè)備更新?lián)Q代不及時(shí)，損壞率高；③實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限，無法做到一人一設(shè)備。教學(xué)過程中，學(xué)生分組練習(xí)，只有少部分學(xué)生有機(jī)會(huì)操作實(shí)訓(xùn)設(shè)備，大部分學(xué)生處于“游離”狀態(tài)，實(shí)訓(xùn)效果差[4]。

1.2 基于虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)教學(xué)

虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)打破了空間和時(shí)間的界限，學(xué)生可隨時(shí)通過瀏覽器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了課程教學(xué)方式，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)，其強(qiáng)大的容錯(cuò)功能有利于學(xué)生開展探究性實(shí)驗(yàn)[5-6]。目前國內(nèi)高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還處于起步階段，教育部于2017 年啟動(dòng)建設(shè)1000 項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開發(fā)工作。截至2020 年，已有2079 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目接入國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，涵蓋41 個(gè)專業(yè)類別中的255 個(gè)專業(yè)和1561 門課程[7]。但是目前各高校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)共享渠道不暢通，仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)交互較為單一，與課程結(jié)合度不高。

1.3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)

數(shù)字孿生的概念源于Michael Grieves 教授的產(chǎn)品全生命周期管理課程[8]，基于數(shù)字孿生技術(shù)的平臺(tái)可對(duì)物理空間進(jìn)行高保真復(fù)現(xiàn)，通過數(shù)字化的手段構(gòu)建一個(gè)在數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，能對(duì)真實(shí)設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著工業(yè)4.0 和智能制造等研究的深入，企業(yè)都在積極尋求智能化改造和數(shù)字化升級(jí)，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)、制造和維護(hù)階段均有應(yīng)用，但是與教學(xué)的融合還處于探索階段。相比于基于虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)物理空間和虛擬空間的一一映射，既可以實(shí)現(xiàn)高度仿真，又可以達(dá)到真正的虛實(shí)動(dòng)態(tài)交互。學(xué)生可以通過虛擬空間獲得實(shí)訓(xùn)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，在數(shù)字孿生模型中修改參數(shù)、程序等信息，并導(dǎo)入現(xiàn)實(shí)設(shè)備運(yùn)行?；跀?shù)字孿生的實(shí)訓(xùn)教學(xué)可以給學(xué)生帶來更直觀的控制觀感，提高課程實(shí)踐性和趣味性，同時(shí)虛擬空間為學(xué)生提供了試錯(cuò)可能，有效鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式研究

2.1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)框架

2.1.1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)基于真實(shí)的保溫杯墊智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建1∶1 大小的虛擬場(chǎng)景，并同步真實(shí)產(chǎn)線的PLC 控制、工業(yè)機(jī)器人控制、AGV 小車控制等動(dòng)作信息。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包含原材料庫、外觀檢測(cè)、保溫面板裝配、前面板裝配、檢測(cè)站、半成品暫存庫、個(gè)性化定制、包裝和成品庫等站點(diǎn)。每個(gè)工作站點(diǎn)集成了PLC、觸摸屏和工業(yè)開關(guān)，借助不同的操作單元來完成產(chǎn)品的智能生產(chǎn)，每個(gè)站點(diǎn)單元既可獨(dú)立運(yùn)行，也可組成生產(chǎn)線協(xié)同運(yùn)行，以單個(gè)站點(diǎn)單元為基礎(chǔ)開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，能夠滿足PLC 編程、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)視覺技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信等課程的教學(xué)需求，也能滿足智能產(chǎn)線應(yīng)用技術(shù)及相關(guān)綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)需求。

2.1.2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)技術(shù)框架

數(shù)字孿生系統(tǒng)通常包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、虛實(shí)信息交互通道、孿生平臺(tái)及數(shù)據(jù)層、測(cè)量感知及控制終端等要素[9]。該智能產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)字孿生模型技術(shù)框架包括基于UGNX軟件的物體實(shí)體數(shù)字化三維模型制作、三維孿生模型在仿真軟件中的動(dòng)作構(gòu)建及優(yōu)化、三維孿生模型與物理實(shí)體的通信框架設(shè)計(jì)、仿真軟件的編程等幾個(gè)部分，如圖1 所示。

圖1 智能產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)字孿生模型技術(shù)框架

孿生模型除了完成三維模型導(dǎo)入，還需要進(jìn)行各種部件及屬性的定義，設(shè)定相應(yīng)的邏輯規(guī)則對(duì)孿生體進(jìn)行控制，完成孿生模型的動(dòng)作構(gòu)建與優(yōu)化。以氣缸為例，三維模型導(dǎo)入后無法完成氣缸的伸出抓取和縮回釋放操作，將氣缸缸體、活塞桿、活塞頭等關(guān)鍵設(shè)備單獨(dú)拆開，添加移動(dòng)關(guān)節(jié)，完成部件定義和運(yùn)動(dòng)定義，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與物理實(shí)體在邏輯功能上的同步。

智能產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制設(shè)備主要以PLC、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器、嵌入式系統(tǒng)等為核心，設(shè)備與系統(tǒng)之間存在大量的數(shù)據(jù)信號(hào)交互，因此需構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該智能產(chǎn)線數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)利用OPC UA 技術(shù)將收集的數(shù)據(jù)，如PLC 控制器、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器、傳感器、RFID 讀寫器等的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式的封裝與傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2.2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能模塊

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的多個(gè)工作站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以組成生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。每個(gè)工作站集成觸摸屏和工業(yè)開關(guān)，借助不同的操作單元來完成產(chǎn)品的智能生產(chǎn)過程。

以成品庫站點(diǎn)為例，成品庫是用來存放生產(chǎn)的合格產(chǎn)品且配置客戶取自己產(chǎn)品的窗口。托盤到達(dá)后，工站定位系統(tǒng)對(duì)物料進(jìn)行二次定位，三軸機(jī)械手抓取產(chǎn)品至料庫；客戶根據(jù)MES 訂單生產(chǎn)情況進(jìn)行出庫操作，若已生產(chǎn)完畢，可選擇執(zhí)行出庫，成品庫的三軸機(jī)械手自動(dòng)抓取客戶的訂單產(chǎn)品放置取料口，客戶取走自己的訂單，并在HMI上確認(rèn)取走完成。成品庫站點(diǎn)的實(shí)際設(shè)備與模型如圖2 所示。針對(duì)成品庫站點(diǎn)的實(shí)際設(shè)備，構(gòu)建了托盤、伺服電機(jī)等模型，模型與真實(shí)設(shè)備一樣，可通過接收實(shí)時(shí)PLC信號(hào)，完成相應(yīng)動(dòng)作。

圖2 成品庫站點(diǎn)的實(shí)際設(shè)備與模型

3 PLC 應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)

“PLC 應(yīng)用技術(shù)”是自動(dòng)化專業(yè)群核心課程之一，傳統(tǒng)的PLC 課程教學(xué)模式多以教師講授理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔，只能進(jìn)行簡單功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無法滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)PLC 控制人才的需求。PLC 應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程引入OBE（目標(biāo)導(dǎo)向教育）理念[10]，以自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)要求和市場(chǎng)需求為導(dǎo)向優(yōu)化教學(xué)案例，采用工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)[11]，以成品庫站點(diǎn)伺服電機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)為例，共分五個(gè)任務(wù)，如表1 所示。

表1 成品庫站點(diǎn)伺服電機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)任務(wù)分配

3.1 工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)

傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)以項(xiàng)目為載體，以任務(wù)導(dǎo)向?yàn)轵?qū)動(dòng)，將理論內(nèi)容融入具體項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與崗位技能，但是應(yīng)用考核簡單，缺乏工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練。PLC應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程以實(shí)際的“保溫杯墊智能制造生產(chǎn)線”為研究對(duì)象，采用工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)模式，將課堂帶到工程現(xiàn)場(chǎng)，使教學(xué)更貼近工程實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生“面向交付”的復(fù)雜工程能力和綜合職業(yè)素養(yǎng)。以伺服電機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)為例，從項(xiàng)目目標(biāo)、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目考核三個(gè)維度分析傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)和工程項(xiàng)目式教學(xué)的差異。

3.1.1 項(xiàng)目目標(biāo)

目前傳統(tǒng)的項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)伺服電機(jī)控制的大多數(shù)要求是熟練掌握伺服電機(jī)的原理、接線和調(diào)試，學(xué)生通過設(shè)備平臺(tái)練習(xí)掌握基本應(yīng)用。但工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)對(duì)伺服電機(jī)掌握要求較高，要求學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)多個(gè)伺服電機(jī)提供精確控制，二者在知識(shí)目標(biāo)和技能目標(biāo)上的要求對(duì)比如表2 所示。

表2 傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)和工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)對(duì)比

通過對(duì)比，工程項(xiàng)目式教學(xué)更貼近工程實(shí)際，項(xiàng)目涉及知識(shí)點(diǎn)范圍廣，知識(shí)的綜合應(yīng)用要求高。

3.1.2 項(xiàng)目實(shí)施

傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)在項(xiàng)目實(shí)施過程中，配合實(shí)訓(xùn)設(shè)備介紹相關(guān)知識(shí)和硬件接線，學(xué)生根據(jù)教師示例在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上實(shí)訓(xùn)。整個(gè)過程，學(xué)生能較好地掌握相關(guān)知識(shí)和技能，但是缺乏工程能力提升訓(xùn)練。在工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)中，學(xué)生要能掌握項(xiàng)目全流程設(shè)計(jì)。首先確定電氣設(shè)計(jì)方案和硬件選型，根據(jù)項(xiàng)目需求和實(shí)際工藝流程選擇伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)、繪制伺服電機(jī)部分電氣設(shè)計(jì)圖。在功能上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)伺服電機(jī)的精確控制，引出函數(shù)與函數(shù)塊功能使用注意事項(xiàng)；引入Modbus TCP 通信，能夠與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.1.3 項(xiàng)目考核

在傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)考核中，學(xué)生根據(jù)示例在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上實(shí)訓(xùn)，教師主要依據(jù)任務(wù)功能的完成情況逐一進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生和教師缺乏主觀能動(dòng)性。工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)考核分為電路設(shè)計(jì)、純虛擬模式功能仿真驗(yàn)證、綜合調(diào)試三個(gè)部分，其詳細(xì)考核環(huán)節(jié)如表3 所示。

表3 工程項(xiàng)目應(yīng)用教學(xué)考核

3.2 成品庫站點(diǎn)伺服電機(jī)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施教學(xué)環(huán)節(jié)

成品庫站點(diǎn)實(shí)訓(xùn)，采用理實(shí)一體化教學(xué)，通過理論講解使學(xué)生快速理解和掌握伺服電機(jī)的原理、調(diào)試和使用，便于實(shí)踐教學(xué)的開展。教學(xué)過程采取理論與實(shí)訓(xùn)時(shí)間1∶1的分配模式，理論講解與實(shí)踐操作交替進(jìn)行，教師講解知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)，學(xué)生在智能產(chǎn)線數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。成品庫站點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程分為以下環(huán)節(jié)：

①學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)理論知識(shí)。根據(jù)每個(gè)任務(wù)要求，講解相關(guān)理論知識(shí)，使學(xué)生熟悉數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)環(huán)境，快速查找到各組成機(jī)構(gòu)設(shè)備組件，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知。

②熟悉實(shí)訓(xùn)任務(wù)內(nèi)容。學(xué)生認(rèn)真閱讀實(shí)訓(xùn)任務(wù)書，明確實(shí)訓(xùn)任務(wù)目的、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及步驟、實(shí)訓(xùn)要點(diǎn)、注意事項(xiàng)等。

③純虛擬模式教學(xué)。在該模式下，不需要真實(shí)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，通過虛擬PLC和數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)即可模仿整個(gè)生產(chǎn)線流程運(yùn)作，學(xué)生通過調(diào)試PLC 邏輯編程，并在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證。通過這種模式，學(xué)生可以快速掌握實(shí)訓(xùn)技能，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)想法，擁有試錯(cuò)機(jī)會(huì)。此外，這也可以排除因操作失誤帶來的安全隱患，提升了安全性。

④虛控實(shí)模式教學(xué)。學(xué)生通過純虛擬方式掌握了相關(guān)技能，在虛擬環(huán)境中配置相應(yīng)設(shè)置后，驅(qū)動(dòng)真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行，可加深在虛擬環(huán)境中對(duì)設(shè)備運(yùn)行邏輯的理解。

⑤綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)。在該模式下，虛擬模型與真實(shí)設(shè)備處于同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能產(chǎn)線設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，學(xué)生通過對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的觀察，分析實(shí)訓(xùn)過程，發(fā)現(xiàn)不足。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)立足于真實(shí)的智能制造產(chǎn)線，將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，進(jìn)行了有關(guān)PLC仿真教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)和設(shè)計(jì)，突破了現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的場(chǎng)地和時(shí)空界限，提高了學(xué)生的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新和解決問題的能力；在教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)過程中，按照企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)模式，采用了工程項(xiàng)目式教學(xué)模式，有效提升了學(xué)生的系統(tǒng)思維和工程思維，提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。