数字孪生仿真与调试实训平台的设计

文/郭联金，周 晶 东莞职业技术学院智能制造学院 陈泽群 广州高谱技术有限公司

近年来，制造业不断往数字化、网络化、智能化方向发展。机电装备的设计、制造和调试的复杂度也随之增加。设备产品的设计缺陷容易导致难以预测的运行故障，故复杂机电设备的研发成为当前智能制造的重点和难点。据统计，机电装备从研发到进入市场，系统缺陷及错误修正所耗费的时间，占据高达70%的生产周期。传统机电产品的开发是一个多级串联、逐级递进的过程，如图1所示。在工程设计阶段，机械、电气、自动化各部分的设计顺序和执行相互独立。由此使得机械产品的设计周期长，问题修正次数多，研发成本高。数字孪生将多学科协同，对物理对象的特征、行为、性能等进行数字化描述和建模，通过虚拟方式实现产品的调试和验证，是一种高效、环保的产品开发技术。

图1 数字孪生技术有效缩短产品开发时间

随着智能制造的转型和升级，培养适应未来产业的数字化人才尤为重要。未来的制造业高端技术技能人才不仅要掌握传统的机械、电气、自控系统的设计与装调，还需具备工业组网与通信、数字化设备设计、数字化产线运行与监控等各种新技术的运用能力。针对工业自动化流水线装配分拣的典型应用场景，研发了一套数字孪生应用平台。该平台集成西门子主流软硬件，提供机电一体化概念设计解决方案。综合利用UG NX、TIA Potal（简称TIA）、PLCSIM Advanced（简称PLCSIM Adv）等多平台，开展机械、电气、自动化、多学科协同设计，并通过平台接口和以太网通信进行全过程数据交互，可实现“以实控虚”“以虚控实”，对PLC 程序设计的正确性和机械结构的合理性进行调试和验证，优化装备设计。以此平台作为数字孪生应用示范教学平台，有助于培养具有数字化设计能力的新技术复合型人才。

1 平台基础环境

1.1 NX MCD

西门子UG NX软件集成了CAD/CAM/CAE多功能模块，可用于三维建模、模具设计、运动仿真、电气布线等场合。MCD是NX在“工业4.0”背景下新增的子平台，支持机电一体化产品概念设计，借助外部接口的易互联性，将机械、电气、自动化多领域协同集成，形成强大的机电一体化概念设计体系。可用于3D建模和仿真，提供机电设备设计过程中的软件在环、硬件在环仿真调试。通过虚拟设备模型与PLC连接，可对产品运行的可靠性进行虚拟调试和验证。

1.2 TIA Portal

TIA Portal是西门子公司在“工业4.0”背景下推出的全集成自动化工程组态平台。TIA V15以上版本的软件平台将自动化项目的关键组件进行了集成：S7-1500 PLC高级控制器，人机界面和伺服、变频器驱动系统。提供了标准化的工程理念，使用户可高效配置，编程调试和诊断，快速、直观执行自动化和驱动任务。借助高效能仿真工具、分布式IO和开放性接口，与其他平台相连，共享数据，易于构建数字双胞胎。

1.3 PLCSIM Adv

PLCSIM Adv是针对S7-1500系列 PLC推出的一款高性能PLC仿真器。与传统的PLCSIM仿真工具相比，它是以面板的形式独立运行，除了提供内部访问接口（Softbus），可以仿真运行PLC程序外，还能通过外部网卡实现TCP/IP实时仿真通信。此外，还支持运动仿真、多软件联合仿真、过程诊断，可创建高达16个PLC实例。

1.4 通信连接

OPC UA是工业4.0中一个重要的通信协议，用于分布式控制系统中各级别工业设备（不同协议和平台）的相互通信。它将物理设备、传感器、电机等形成数字化模型对象，供不同软件访问。OPC UA提供了一致、完整的地址空间和服务模型，支持Windows应用程序与现场自动控制应用软件的信息交互，使得同一系统的信息可以统一方式被访问。

PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，主要用于现场设备（使用PROFINET IO）的直接连接，具备实时、开放、灵活的优异性能。它使用组件化的设计，支持分布式自动化控制方式。OPC UA与PROFINET两标准相互促进、相互补充，确保底层自动化环境与应用层IT环境数据的无缝垂直通信。

2 平台结构与功能

2.1 平台的系统结构

针对智能制造产线常见的自动装配分拣单元，设计如图2所示的数字孪生应用平台。该平台用于工件的装配、分拣及包装。其主体结构由供料单元、传送单元、装配单元、分拣单元、物料仓储单元、操控单元组成。以S7-1500T系列PLC作为自动化系统的核心控制器；变频系统以G120变频器驱动传送单元的交流电机，带动皮带传送工件；采用V90伺服驱动套件控制装配单元的XY丝杆滑台精密运动，配合气缸完成拾取物料和装配；HMI用于系统运行状态监控；外围IO设备由按钮、传感器、指示灯、电磁阀等构成。PLC通过路由器，采用PROFINET通信标准与变频系统、伺服系统、HMI进行数据交换。工业PC机作为上位机和机电一体化概念设计平台，通过以太网连接Web服务器和小型客户端。

图2 自动化装配分拣系统的结构框架

2.2 平台实现的功能

数字孪生是通过全过程数字技术实现物理信息的融合。按照数字孪生五维模型结构，平台从物理实体、虚拟模型、数据信息、集成连接、服务支持五个维度来构建应用场景。其功能关系及实现原理如图3所示。首先，以MCD-TIA作为数字样机建模、电气设计、自动控制编程与仿真的集成平台，通过软件在环方式可开展虚拟仿真与调试，优化模型和程序设计。然后，采用真实PLC采集实体设备平台的传感信号，并使用已经过虚拟调试验证的程序驱动电磁阀、电机、指示灯等执行机构，控制实体设备正常运行。最后，借助真实PLC与集成平台的接口，通过变量链接和以太网通信，实现虚实数据交互，通过硬件在环以实控虚、以虚控实、虚实联调。

图3 数字孪生平台的功能及原理

（1）虚拟仿真与调试

1）MCD虚拟环境构建。①构建几何模型。根据装配分拣装备的功能需求、控制逻辑，利用NX进行3D建模或从部件库中进行构件选型，装配完整的虚拟样机模型，设计虚拟场景。②定义物理属性。分析组件的受力和运动情况，定义刚体、碰撞体、对象源等对象属性；添加铰链副、滑动副、齿轮副等运动形式；设置速度、位置控制等运动控制参数。③分配测控信号。添加执行器与传感器，为虚拟模型的运行设定传感信号与驱动元件。④设计仿真序列。利用信号触发及动作执行的逻辑关系，设计基于时间或基于事件的仿真序列，控制对象的运行时间与流程。⑤配置交互信号。创建MCD与外部TIA交互的信号，以实现MCD中虚拟模型与TIA中变量的链接，使PLC程序控制虚拟模型运行。

2）TIA自控环境搭建。①设备组态。添加硬件设备，选择S7-1500T PLC、添加与实体设备对应的DI/DO模块；组态2个V90 PN伺服驱动器、2个G120变频器、1个KTP700触摸线。采用PROFINET通信方式，将上述电气元件进行网络组态，分配IP地址。②程序设计。按照工作任务要求，分配PLC的I/O地址，设计变量表；根据样机模型的控制逻辑要求，设计控制程序，包括自动、手动、复位等不同运行模式。③HMI设计。在TIA的画面设计中，设计开机登录界面、自动操作界面、手动操作界面、故障报警界面。

3）MCD-TIA接口设置与虚拟调试。①添加虚拟PLC。通过PLCSIM Adv高级仿真器创建虚拟PLC实例，启动仿真，执行TIA中下载的控制程序。②通信设置。在MCD中通过“PLCSIM Adv”接口对TIA程序变量与MCD模型信号进行信号配置和映射，实现MCD-TIA两者的变量链接。③仿真调试。启动TIA-MCD仿真，将PLC和HMI均转至在线。在自动、手动、复位模式下观察虚拟模型的运行情况，验证程序的正确性、稳定性。通过仿真和调试修正错误，优化程序和参数。

（2）实体设备调试

在TIA中完善工艺轴的设置，优化伺服变频的运行参数，取消虚拟PLC、虚拟轴等仿真相关的设置。使用已经验证的程序和HMI，并下载至真实PLC硬件中，对程序进行实体运行验证。根据传感信号的状态，调整传感器的灵敏度、检测距离；根据气缸的动作，调整节流阀的流量。根据皮带的运行状况，利用Startdrive组件进行变频器驱动的配置和参数设置。由丝杆滑台的运行情况，应用软件V-ASSISTANT对V90伺服驱动进行优化调试。通过硬件调试和参数适配，使硬件平台按任务要求正常运行。

（3）虚实联调

使用经过硬件设备调试的PLC程序，将真实PLC与MCD虚拟平台通过OPC UA通信达到数据交互。

1）通信设置。在TIA中启用OPC UA服务器并设置地址，激活许可；将MCD的外部信号接口改为OPC UA接口，并输入服务器的URL地址，通过OPC UA服务器访问S7-1500 PLC的变量；将变量与MCD信号映射连接，就建立了真实PLC与虚拟模型的数据交换。

2）以实控虚。虚拟模型的执行信号均来自硬件PLC，故在MCD中屏蔽各种传感器的输出信号，仅接收PLC发过来的控制信号。虚拟模型将跟随实体设备的运行时序、逻辑动作。

3）以虚控实。将实际设备的传感器信号进行屏蔽，仅使用MCD模型的虚拟传感信号。此时，PLC硬件程序的输入来自MCD模型的传感器，PLC的输出同时驱动硬件设备和虚拟模型，实际设备将跟随虚拟模型运行。

4）虚实同步运行。在MCD中调整真空吸盘、按键等仿真序列的时间，调整伺服驱动、变频驱动的运行参数，可使虚拟模型和实体设备的运行时序、逻辑动作协同一致，达到虚实同步，如图4所示。

图4 装配分拣装备及数字孪生体虚实同步运行

3 平台的教学应用

3.1 实训环境布置

考虑理实一体化教学的特点和需要，数字孪生实训室的区域布置如图5所示。实训室中央为数字孪生体设计、编程、调试区，两侧为实体硬件调试与验证区。教学设施配置：数字孪生应用技术实训平台设备共8套；高配置虚拟仿真计算机（工作站）48套；6工位小组围坐式桌椅8套；虚拟仿真训练资源包（12个应用场景）；多媒体教学系统1套（高速以太网交换机）。

图5 实训场地布置

3.2 教学项目设计

基于孪生平台的硬件实体，按照功能模块（机械、电气、运动控制、通信等）和知识、技能点，共设置26个教学项目。

1）机械设计模块：①机械结构认知与MCD建模；②MCD的刚体，传动副等属性设置；③MCD的信号与接口设置；④MCD的物理特性属性设置；⑤MCD虚拟仿真和调试。

2）电气设计模块：①TIA博途编程软件认知；②传感器认知与应用；③外部设备I/O分配与变量表设计；④电气硬件连接与网络组态；⑤开关、传感信号采集控制；⑥开关量输出控制；⑦模拟电压采集与输出控制；⑧编码器高速脉冲输入采集控制。

3）运动控制模块：①变频系统参数设置与编程调试；②伺服系统参数设置与编程调试；③PLC高级运动控制（同步运动、凸轮运动、插补运动）。

4）通信与界面设计：①PLC的PROFINET/OPC UA/Modbus/自由口/ UDP、TCP/IP等通信控制；②HMI界面组态、报警功能、配方功能、动画设计。

5）虚拟仿真模块：①PLCSIM、PLCSIM Adv的应用；②SIMIT（unit）驱动行为仿真的应用；③MCD虚拟模式运行与调试。

6）综合联调：①系统控制程序设计；②系统HMI设 计；③系统虚拟仿真和调试综合；④机电一体化硬件系统综合联调；⑤虚实一体化联调。

实训教学时，采用虚实结合的方式，先是以平台组成单元为载体，开展操控单元、瓶身瓶盖供料单元、供料传送单元、分拣传送单元、物料分拣单元、丝杆运动控制6个子单元的仿真及调试训练。然后针对整机开展系统联调训练。

3.3 教学效果

1）提高了学生机电一体化的综合设计与实践能力。平台集成了传感器检测、气动控制、伺服驱动、变频驱动、触摸屏监控、以太网通信等多项工业自动化当前使用的核心技术、新技术，使学生多层面锻炼机械设计、电气设计、自动控制等多学科交叉的应用能力，适应未来智能制造对数字化、复合型技术技能人才的需求。

2）推动教学内容和模式的创新。由于数字化孪生系统与真实设备的一致性，教学内容可以虚实结合，也可虚实分开，而不受限于硬件设备。故借助数字化孪生的“软”平台，“教”和“学”将不再受限于时间和地点，通过远程即可开展线上学习和实操仿真训练。在类似新冠肺炎疫情导致无法开展现场教学的情况下，可发挥重要作用。此外，以MCD-TIA平台为基础，可设计各种部件放在重用库中，组合、装配成各种设备模型。由此可创生出灵活多变的教学项目，有利于根据学习对象的学情开展分层次、个性化教学；也有助于培养学生的创新设计能力。

3）减少实训耗材与实训设备维修工作。受限于经费与场地等因素，目前各校用于机电自动化方面的实训设备往往不足，难以满足普通教学班（30~50人）的使用需求；且因学生的熟练程度不一致，容易导致电气元件损坏及设备故障，严重影响教学效果，也让教师疲于应对设备调试与维护。数字孪生应用平台可以帮助学生在虚拟环境中完成设备的机械建模、PLC 编程调试任务，提高程序正确率，降低设备故障。教师可以有更多的时间及精力用在核心技术点的有效指导上，提升教学效能。

4 结束语

基于NX MCD和TIA的集成式系统工程环境，采用机电一体化概念设计方案，搭建了装配分拣系统的数字孪生应用平台。通过概念建模和基于物理场的仿真，借助以太网通信和软件接口的变量链接可实现设计建模、仿真优化和实例化验证。该平台作为数字孪生技术的示范应用教学平台，有助于培养适应未来智能制造的数字化、网络化、智能化复合型人才。由于MCD-TIA的基础环境与硬件易相映孪生，且与其他孪生平台易交互集成，本装配分拣平台还可以灵活扩展。如增加工业机器人、数控机床等设备，形成更为复杂的智能制造产线孪生体。或与MATLAB等软件交互，通过数据分析、处理和数学建模，优化机件设计与运动控制，进而研发更复杂、精密的机械装备。