基于Automation Studio的自动化生产线数字孪生系统的设计与研究*

周玉印

(云南机电职业技术学院 电气工程学院,云南 昆明 650203)

1 引言

习近平总书记指出,世界经济数字化转型是大势所趋,党的十九大报告明确提出要加快建设制造强国,《中国制造2025》指出“将智能制造作为两化融合的主攻方向,推进生产过程智能化,培育新型生产方式,全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平”[1]。智能制造的瓶颈之一是如何实现制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融,而数字孪生技术的特征是网络空间和物理空间的交互融合,数字孪生(Digital Twin)是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体,借助历史数据、实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段,数字孪生是解决智能制造瓶颈的有效手段[2]。2020年11月11日,由中国电子技术标准化研究院牵头编写的《数字孪生应用白皮书》正式发布,《数字孪生应用白皮书》对数字孪生相关定义、特征进行了阐述,针对当前数字孪生技术热点、应用领域、产业情况和标准化现状进行了梳理分析,涵盖了智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等6个领域共计31个数字孪生应用案例。在此背景下,数字孪生技术受到广泛关注,将产生巨大的发展潜力。

国内外对数字孪生技术的研究和应用呈井喷式发展,在航空航天、制造、交通、智慧城市、电力、医疗等领域均有相关企业和科研单位开展数字孪生的研究,同时涌现了很多新的研究成果,但是数字孪生技术在自动化生产线的设计研发和具体应用尚处于探索阶段,研究成果相对较少且缺乏系统性[3]。本文以自动化生产线供料单元数字孪生系统搭建与应用为例,研究数字孪生技术促进大数据驱动的制造业时代物理空间和虚拟空间之间融合的方法。

2 自动化生产线供料单元孪生体3D模型

图1所示为YL-335B自动化生产线供料单元3D模型,这是数字孪生系统与物理实体的“形”[4],借助Unity 3D软件设计,Unity 3D引擎强大的动画功能高保真度地创建自动化生产线设备数字孪生系统模型。

图1 Automation Studio中自动化生产线供料单元3D模型

供料单元的主要结构组成如下:主要由工件装料管形料仓、顶料气缸、推料气缸、支撑架、电磁阀组、磁性开关、漫射式光电传感器、底板等组成。其中,工件装料管形料仓用于存储工件原料,顶料气缸和推料气缸作为驱动装置,用于在供料时将料仓中下层的工件推出到物料台上。在底座和管形料仓倒数第4层工件位置,分别安装一个漫射式光电开关,它们的功能是检测料仓中有无工件或工件是否充足。物料台面上开有小孔,物料台下面安装有一个圆柱形漫射式光电接近开关,接通电源后向上发出光束,从而透过小孔检测物料台是否有工件存在,以便向整条生产线系统提供本单元物料台有无工件的信号。

3 自动化生产线供料单元数字孪生系统的设计

数字孪生技术离不开虚拟仿真技术的支撑,从技术角度看,仿真技术是创建和运行数字孪生模型、保证数字孪生模型与对应物理实体实现交互共融的关键技术之一[5-6]。Automation Studio是贝加莱公司开发的一款面向工业自动化产品的集成化的软件开发环境,可应用于任何规模任何范围的项目,其所涵盖的项目涉及机械技术、液压、气动、电气工程、PLC控制、人机界面和通信协议等,Automation Studio能够快速地将这些不同的技术集成以设计、制作文档及仿真完整的系统。Automation Studio原理图可以连接到第三方软件和硬件,例如,将原理图连接到Unity 3D环境,以便在虚拟孪生中更添加真实感,可以使用I/O接口工具模组、OPC UA服务器或CAN模组等进行外部硬件连接[7]。

3.1 自动化生产线供料单元数字孪生系统总体设计

本设计以YL-335B自动化生产线供料单元作为物理实体,选择Automation Studio作为数字孪生系统的软件开发平台。首先在Automation Studio软件平台中建立YL-335B自动化生产线供料单元的数字孪生虚拟模型,按照供料站物理实体的工作任务要求,软件内系统集成实现数字孪生虚拟仿真功能;然后采用OPU UA协议,进行Automation Studio中数字孪生虚拟模型与供料单元PLC 1200的软、硬件通信,最后进一步研究供料单元数字虚体与供料单元物理实体之间的数据交互(见图2)。

图2 数字孪生自动化生产线

3.2 导入供料单元数字模型3D对象

Automation Studio可以与Unity 3D联接,受益于Unity 3D软件强大的动画功能,此功能非常适合用于在Automation Studio中开发的数字孪生系统[8]。自动化生产线供料单元数字模型3D对象建模完成后,打开Automation Studio自定义库,打开已经建立好的YL-335B供料单元3D可控对象,进行3D-Link连接,便于后续能够通过Automation Studio平台对YL-335B自动化生产线供料单元数字模型3D对象进行正确的控制仿真,可以在Automation Studio建立气动回路图、仿真PLC图、PLC程序图、顺序功能控制图,使用博途TIA Portal V16软件进行编程或Automation Studio,在OPC UA通信下控制自动化生产线供料单元数字模型3D对象或实体自动化生产线供料单元。

3.3 供料单元气动回路的设计

根据YL-335B自动化生产线供料单元的供料动作要求在Automation Studio中绘制气动回路图,气动控制回路是本工作单元的执行机构,该执行机构的控制逻辑与控制功能是由PLC实现的。回路所需的所有组件都包含在Automation Studio的主气动库中,只需单击它即可显示组件,然后将库中的所需组件拖放到图面上,最后将所有元素连接在一起,以完成气动回路的连接。在连接完成后如若出现红色元件或红色连接线路,此处线路为连接错误,需重新添加线路或删除连接线重新连接。

自动化生产线供料单元气动回路如图3所示,图3中两个执行元件分别为推料气缸和顶料气缸,两个气缸的初始位置均处于缩回位置。气动回路绘制完成后,仿真验证功能正确,然后定义变量V1和V2分别为控制推料气缸和顶料气缸的电磁控换向阀的电磁控制端,V1、V2要关联PLC图中用螺线管代替的V1、V2的变量,具体的变量关联方法如下:选择推料换向阀,双击打开组件属性,选择“变量分配”,将兼容仿真变量与组件的SQL1变量相关联,同理关联顶料气缸。

图3 自动化生产线供料单元气动回路

3.4 通过SFC编程实现供料单元虚拟仿真控制

顺序功能图(SFC)是一种轻松高效地设计结构化自动化控制逻辑的选择,在Automation Studio中创建顺序功能图元素与编写语句时,Automation Studio会引导完成编写正确语法,每次插入步骤、转换或语句时,配置窗口都会显示适用的命令、说明和定义[9]。自动化生产线供料单元的工作过程如下:工件垂直叠放在管型料仓中,推料气缸处于管型料仓的最底层,并且其活塞杆可从料仓的底部通过,顶料气缸则与次下层工件处于同一水平位置。在需要供料时(物料台上无料),首先使顶料气缸伸出,顶住次下层工件,顶料到位后,然后使推料气缸伸出,把最下层工件推出到物料台上,推料到位后,推料气缸返回并缩回到位后,再使顶料气缸返回,松开次下层工件。这样,料仓中的工件在重力的作用下就自行落下,为下一次供料推出工件做好准备。

在Automation Studio中设计SFC控制图具体的操作过程如下:新建顺序功能图(SFC),插入初始步骤,双击该步骤或选择该步骤,鼠标右键选择“组件属性”,从变量窗口中选择“供料单元顶料气缸变量(BOOL)”,并输入“:= 0”表示将该变量赋值“0”,重复上述动作,将“供料单元推料气缸变量(BOOL)”赋值0;选插入“转换”(表示跳转的条件);重复上述步骤完成SFC顺序流程编程,添加变量,选择类型“BOOL”,定位选择SFC,名称设置“供料单元SFC”,别名设置“供料单元SFC”。顺序功能语句的编写需要严格按照顺序填写,否则将造成控制混乱,从而无法实现控制功能。

3.5 虚拟仿真验证功能

点击Start按钮启动仿真,按下绿色启动按钮进行供料站3D模型动作功能验证,仿真结果显示功能正确,仿真瞬间的截图如图4所示,仿真动作过程图如图5所示,从而完成了自动化生产线供料单元数字孪生系统的设计,验证了设计的正确性。

图4 供料单元数字孪生系统集成仿真操作界面

4 自动化生产线供料单元数字孪生系统与物理实体之间的软、硬件连接

通过Automation Studio软件的通信模块OPC,与博途TIA Portal V16软件来实现与西门子CPU 1214C AC/DC/RLY实体PLC的通信,该通信过程中的核心问题是Automation Studio与TIA Portal V16之间的通信。采用OPC UA作为模块之间的标准接口,进行Automation Studio中数字孪生虚拟模型与供料单元物理实体PLC 1200的软、硬件通信,通过OPC UA服务器建立虚实模型的连接,实现虚实交互。

4.1 OPC UA通信协议

Automation Studio中集成了OPC统一架构(OPC Unified Architecture,简称OPC UA),OPC UA协议是一种适用于工业自动化应用的独立于厂商的通信协议,该协议是平台独立且内置有安全机制,由于OPC UA灵活且完全独立,因此它被视为实现工业4.0的理想通信协议[10]。OPC UA标准提供了一种简单的方法实现在机器之间交换数据和信息通信,且不受限于平台和制造商,除了纯数据传输之外,OPC UA还会为所传输的信息提供机器可读的语义描述定义,使得OPC UA非常易于集成和操作,因此,OPC UA为工业环境的数字化设计提供了理想的先决条件,因此它在智能制造产业中的受欢迎程度和重要性都与日俱增。Automation Studio可以通过OPC UA服务器连接到第三方软件和硬件,解决了本设计中的数字孪生体和物理实体的交互的难点。

4.2 建立博途OPC UA服务器

1)OPC UA设置。

打开TIA Portal V16软件,创建新项目,添加新设备CPU 1214C AC/DC/RLY,设备组态,更改IP地址,激活OPC UA服务器,默认服务器地址,服务器地址默认为IP地址和端口号,运行系统许可证SIMATIC OPC UA S7-1200 basic,否则无法进行联接,添加数据块,点击数据块属性,取消优化的块访问,否则会出现编译下载错误,并选择数据块从OPC UA可访问,否则无法进行连接通信。

2)OPC UA通信设置。

新增服务器端口,将OPC UA元素拖至OPC UA服务器接口,最后下载至自动化生产线供料单元实体PLC(见图6)。

图6 OPC UA元素关联

4.3 Automation Studio与TIA Portal V16的OPC UA连接

打开Automation Studio通信管理器,选择OPC客户端UA,添加OPC服务器,将TIA Portal V16 OPC UA服务器地址复制粘贴在手动网址(URL);配置OPC服务器,重新连接周期设置为1 000 ms,可以缩短其通信反应时间,之后若显示连接失败,原因是缺少OPC UA证书,未能实现相互连接,解决的方法是拷贝OPC UA证书,证书拷贝路径为C:ProgramDataOPCFoundationCertificateStoresRejectedCertificatescerts,按拷贝路径打开相应文件夹,将对应的OPC UA拷贝至正确文件夹中,此时将会连接成功,连接结果如图7所示。

图7 Automation Studio与TIA Portal V16 OPC UA连接成功

5 自动化生产线供料单元虚实交互试验

Automation Studio与TIA Portal V16 OPC UA连接成功后,添加OPC组,将已经显示连接的OPC服务器添加至改组中,OPC服务器选中Server_#1,在添加完OPC组后,点击链接,链接选中组Group_#1,此时会显示出连接PLC数据情况,Server Interfaces里寻找建立的服务器端口,在服务器端口中找到建立的供料单元变量;在别名下搜索需要的Automation Studio变量,将正确的变量进行相互关联。例如此处,供料单元推料气缸关联变量V1,供料单元顶料气缸关联变量V2,此时完成变量关联(见图8),状态显示绿色即为关联成功,OPC关联完成之后便可进行自动化生产线供料单元数字孪生系统与物理实体的虚实交互试验,试验结果数据如图9所示。

图8 虚实交互连接成功

图9 试验结果数据

6 结语

数字孪生作为新一代高新技术,结合人工智能、5G、区块链等前沿技术,在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市等领域不断深化融合,有力推动各行业数字化转型的发展,实现智能互联网时代的升级与变革。2020年以来,“数字孪生”不再只是一种技术,而是一种发展的新模式,一个转型的新路径,一股推动各行业深刻变革的新动力。

运用数字孪生技术,建立包含所有制造过程细节的数字孪生模型,在虚拟环境中验证制造过程,发现问题后及时在模型中进行修正。这种明显区别于传统流程验证的高效方法,在产品设计阶段即可预见其性能并加以改进,在制造流程初期就能掌握准确信息并预见制造过程,保证所有细节都准确无误,帮助企业更快地向市场推出优质的产品,抢占先机。借助数字孪生模型可以设计出包含所有细节信息的生产布局,包括机械、自动化设备、工具、资源甚至是操作人员等各种详细信息,并将之与产品设计进行无缝关联。设计人员和制造人员实现协同,设计方案和生产布局实现同步,这些都大大提高了制造业务的敏捷度和效率,帮助企业面对更加复杂的产品制造挑战。

本文基于Automation Studio的自动化生产线数字孪生系统的设计与研究的过程及方法,为设计者和管理者提供生产线设计的理论基础和实验平台,相关工作能为相关学者进一步开展数字孪生理论、技术和工程应用研究提供启发及参考。