基于数字孪生技术的智能产线虚拟仿真实训教学研究

杨 斌，俞齐鑫，张 丹

（常州信息职业技术学院智能装备学院 江苏 常州 213164）

实验教学是高校培养学生实践和创新能力的重要平台。传统实训方式存在设备费用高、部分仪器危险性高、培训效果差等问题[1]，而纯虚拟的仿真实验平台，无真实的设备与之对照，使得学生不能体验真实的交互过程。数字孪生通过数字化方式建立物理实体的虚拟数字模型，真实再现物理实体的运行状态，形成一一对应的“数字双胞胎”，实现“虚拟的也是真实的”“所见即所得”“仿真与实际相统一”[2]。本文以常州信息职业技术学院智能制造实训车间项目中的“保温杯垫智能制造生产线”为物理实体模型，利用数字孪生技术实现以实时数据驱动的智能产线仿真平台构建，探索了数字孪生技术与自动化专业实训教学的结合。

1 实训教学课程形式

实训教学不仅是理论课程的延伸，还是理论课程的实践落地，是职业教育人才掌握技术技能的关键环节。在实训教学中，教学方式主要有基于物理实体的实训教学、基于虚拟仿真技术的实训教学和基于数字孪生技术的虚实结合实训教学[3]。

1.1 基于物理实体的实训教学

高职电气自动化专业实训室和实训基地建设是职业院校开展实践教学的重要方式。常州信息职业技术学院电气自动化实训基地建设以电气自动化专业为主，厘清各专业通用课程，通过硬件设施建设提升电气自动化专业实训基地功能，优化课程教学资源建设。实训基地建设了多个西门子PLC 实训室，这类实训室发展较为成熟，学生可快速上手，但是还存在以下问题：①实训设备和场地建设需花费大量资金，经济负担大；②设备更新换代不及时，损坏率高；③实训设备数量有限，无法做到一人一设备。教学过程中，学生分组练习，只有少部分学生有机会操作实训设备，大部分学生处于“游离”状态，实训效果差[4]。

1.2 基于虚拟仿真的实训教学

虚拟仿真教学实验室的建设打破了空间和时间的界限，学生可随时通过浏览器进入实验，改进了课程教学方式，促进了实践教学，其强大的容错功能有利于学生开展探究性实验[5-6]。目前国内高校的虚拟仿真实验还处于起步阶段，教育部于2017 年启动建设1000 项左右示范性虚拟仿真实验教学的开发工作。截至2020 年，已有2079 个虚拟仿真实验项目接入国家虚拟仿真实验教学平台，涵盖41 个专业类别中的255 个专业和1561 门课程[7]。但是目前各高校虚拟仿真实训共享渠道不畅通，仿真实验创新性不强，实验交互较为单一，与课程结合度不高。

1.3 基于数字孪生技术的虚实结合实训教学

数字孪生的概念源于Michael Grieves 教授的产品全生命周期管理课程[8]，基于数字孪生技术的平台可对物理空间进行高保真复现，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，能对真实设备状态和参数进行实时监控。随着工业4.0 和智能制造等研究的深入，企业都在积极寻求智能化改造和数字化升级，数字孪生技术在工业产品的研发、制造和维护阶段均有应用，但是与教学的融合还处于探索阶段。相比于基于虚拟仿真的实训教学，基于数字孪生技术的实训教学能够实现物理空间和虚拟空间的一一映射，既可以实现高度仿真，又可以达到真正的虚实动态交互。学生可以通过虚拟空间获得实训设备的实时运行状态，在数字孪生模型中修改参数、程序等信息，并导入现实设备运行。基于数字孪生的实训教学可以给学生带来更直观的控制观感，提高课程实践性和趣味性，同时虚拟空间为学生提供了试错可能，有效锻炼了学生解决复杂工程问题的能力。

2 基于数字孪生技术的智能产线实训教学模式研究

2.1 实训平台架构设计及技术框架

2.1.1 实训平台架构设计

实训平台基于真实的保温杯垫智能制造生产线构建1∶1 大小的虚拟场景，并同步真实产线的PLC 控制、工业机器人控制、AGV 小车控制等动作信息。实训平台包含原材料库、外观检测、保温面板装配、前面板装配、检测站、半成品暂存库、个性化定制、包装和成品库等站点。每个工作站点集成了PLC、触摸屏和工业开关，借助不同的操作单元来完成产品的智能生产，每个站点单元既可独立运行，也可组成生产线协同运行，以单个站点单元为基础开展实训教学，能够满足PLC 编程、工业机器人、工业视觉技术、工业网络通信等课程的教学需求，也能满足智能产线应用技术及相关综合应用实训课程的教学需求。

2.1.2 实训平台技术框架

数字孪生系统通常包含物理实体、虚拟实体、虚实信息交互通道、孪生平台及数据层、测量感知及控制终端等要素[9]。该智能产线实训平台数字孪生模型技术框架包括基于UGNX软件的物体实体数字化三维模型制作、三维孪生模型在仿真软件中的动作构建及优化、三维孪生模型与物理实体的通信框架设计、仿真软件的编程等几个部分，如图1 所示。

图1 智能产线实训平台数字孪生模型技术框架

孪生模型除了完成三维模型导入，还需要进行各种部件及属性的定义，设定相应的逻辑规则对孪生体进行控制，完成孪生模型的动作构建与优化。以气缸为例，三维模型导入后无法完成气缸的伸出抓取和缩回释放操作，将气缸缸体、活塞杆、活塞头等关键设备单独拆开，添加移动关节，完成部件定义和运动定义，实现虚拟设备与物理实体在逻辑功能上的同步。

智能产线实训平台控制设备主要以PLC、机器人运动控制器、嵌入式系统等为核心，设备与系统之间存在大量的数据信号交互，因此需构建实时数据采集系统。该智能产线数字孪生实训平台利用OPC UA 技术将收集的数据，如PLC 控制器、机器人运动控制器、传感器、RFID 读写器等的数据进行统一格式的封装与传输，实现对多源数据的统一管理。

2.2 实训平台功能模块

实训平台具有独立控制系统的多个工作站点，每个站点可以独立运行，也可以组成生产线进行生产。每个工作站集成触摸屏和工业开关，借助不同的操作单元来完成产品的智能生产过程。

以成品库站点为例，成品库是用来存放生产的合格产品且配置客户取自己产品的窗口。托盘到达后，工站定位系统对物料进行二次定位，三轴机械手抓取产品至料库；客户根据MES 订单生产情况进行出库操作，若已生产完毕，可选择执行出库，成品库的三轴机械手自动抓取客户的订单产品放置取料口，客户取走自己的订单，并在HMI上确认取走完成。成品库站点的实际设备与模型如图2 所示。针对成品库站点的实际设备，构建了托盘、伺服电机等模型，模型与真实设备一样，可通过接收实时PLC信号，完成相应动作。

图2 成品库站点的实际设备与模型

3 PLC 应用技术实训课程教学

“PLC 应用技术”是自动化专业群核心课程之一，传统的PLC 课程教学模式多以教师讲授理论为主、实验为辅，只能进行简单功能性实验验证，无法满足现代企业对PLC 控制人才的需求。PLC 应用技术实训课程引入OBE（目标导向教育）理念[10]，以自动化专业毕业要求和市场需求为导向优化教学案例，采用工程项目应用教学[11]，以成品库站点伺服电机项目式教学为例，共分五个任务，如表1 所示。

表1 成品库站点伺服电机项目式教学任务分配

3.1 工程项目应用教学

传统项目式教学以项目为载体，以任务导向为驱动，将理论内容融入具体项目，引导学生掌握相关知识点与岗位技能，但是应用考核简单，缺乏工程实践能力的训练。PLC应用技术实训课程以实际的“保温杯垫智能制造生产线”为研究对象，采用工程项目应用教学模式，将课堂带到工程现场，使教学更贴近工程实际，培养学生“面向交付”的复杂工程能力和综合职业素养。以伺服电机项目式教学为例，从项目目标、项目实施和项目考核三个维度分析传统项目式教学和工程项目式教学的差异。

3.1.1 项目目标

目前传统的项目式教学对伺服电机控制的大多数要求是熟练掌握伺服电机的原理、接线和调试，学生通过设备平台练习掌握基本应用。但工程项目应用教学对伺服电机掌握要求较高，要求学生根据项目要求对多个伺服电机提供精确控制，二者在知识目标和技能目标上的要求对比如表2 所示。

表2 传统项目式教学和工程项目应用教学目标对比

通过对比，工程项目式教学更贴近工程实际，项目涉及知识点范围广，知识的综合应用要求高。

3.1.2 项目实施

传统项目式教学在项目实施过程中，配合实训设备介绍相关知识和硬件接线，学生根据教师示例在实训设备上实训。整个过程，学生能较好地掌握相关知识和技能，但是缺乏工程能力提升训练。在工程项目应用教学中，学生要能掌握项目全流程设计。首先确定电气设计方案和硬件选型，根据项目需求和实际工艺流程选择伺服电机和驱动、绘制伺服电机部分电气设计图。在功能上，实现对多个伺服电机的精确控制，引出函数与函数块功能使用注意事项；引入Modbus TCP 通信，能够与主站进行数据交互。

3.1.3 项目考核

在传统项目式教学考核中，学生根据示例在实训平台上实训，教师主要依据任务功能的完成情况逐一进行评分，学生和教师缺乏主观能动性。工程项目应用教学考核分为电路设计、纯虚拟模式功能仿真验证、综合调试三个部分，其详细考核环节如表3 所示。

表3 工程项目应用教学考核

3.2 成品库站点伺服电机实训项目实施教学环节

成品库站点实训，采用理实一体化教学，通过理论讲解使学生快速理解和掌握伺服电机的原理、调试和使用，便于实践教学的开展。教学过程采取理论与实训时间1∶1的分配模式，理论讲解与实践操作交替进行，教师讲解知识点和技能点，学生在智能产线数字孪生实训平台中，进行学习和实践。成品库站点的实训教学过程分为以下环节：

①学习任务相关理论知识。根据每个任务要求，讲解相关理论知识，使学生熟悉数字孪生实训平台环境，快速查找到各组成机构设备组件，包括执行机构、驱动系统、控制系统，加深学生对理论知识的认知。

②熟悉实训任务内容。学生认真阅读实训任务书，明确实训任务目的、实训内容及步骤、实训要点、注意事项等。

③纯虚拟模式教学。在该模式下，不需要真实的实训设备，通过虚拟PLC和数字孪生实训平台即可模仿整个生产线流程运作，学生通过调试PLC 逻辑编程，并在虚拟场景中进行验证。通过这种模式，学生可以快速掌握实训技能，验证实验想法，拥有试错机会。此外，这也可以排除因操作失误带来的安全隐患，提升了安全性。

④虚控实模式教学。学生通过纯虚拟方式掌握了相关技能，在虚拟环境中配置相应设置后，驱动真实设备的运行，可加深在虚拟环境中对设备运行逻辑的理解。

⑤综合实训教学。在该模式下，虚拟模型与真实设备处于同步运动状态，可实现对智能产线设备的实时监控，学生通过对生产状态的观察，分析实训过程，发现不足。

4 结语

数字孪生虚拟仿真实验平台立足于真实的智能制造产线，将虚拟仿真技术与实践教学相结合，进行了有关PLC仿真教学项目的开发和设计，突破了现实教学中的场地和时空界限，提高了学生的兴趣，培养了学生创新和解决问题的能力；在教学项目开发过程中，按照企业产品研发模式，采用了工程项目式教学模式，有效提升了学生的系统思维和工程思维，提升了学生解决复杂工程问题的能力。