自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 "要：該文基于Automation Studio集成軟件開發(fā)平臺(tái)，以YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元作為物理實(shí)體，首先在Automation Studio中完成物料加工單元機(jī)械3D模型的導(dǎo)入，然后在Automation Studio中完成加工單元?dú)鈩?dòng)回路的設(shè)計(jì)及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行集成仿真驗(yàn)證功能。結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線加工單元數(shù)字孿生系統(tǒng)工作裝置的動(dòng)作，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化生產(chǎn)線；虛擬仿真；數(shù)字孿生；Automation Studio；PLC

中圖分類號(hào)：TP278 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0113-04

Abstract： Based on the Automation Studio integrated software development platform， taking the material processing unit of the YL-335B automatic production line as the physical entity， this paper first completes the import of the mechanical 3D model of the material processing unit in Automation Studio， then completes the design of the pneumatic circuit of the processing unit and the design of the electrical control system in Automation Studio， and finally carries on the integrated simulation verification function. The results show that the action of the working device of the digital twin system of the processing unit in the automatic production line can be realized， and the correctness of the design is verified.

Keywords： automatic production line; virtual simulation; digital twin; Automation Studio; PLC

近年來，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的變化和工業(yè)智能技術(shù)的發(fā)展，制造企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力越來越大，客戶的要求也越來越高，對(duì)產(chǎn)品的智能化、個(gè)性化需求也越來越多，傳統(tǒng)制造企業(yè)的生產(chǎn)線面臨著數(shù)字化升級(jí)的問題，要實(shí)現(xiàn)我國制造企業(yè)數(shù)字化智能化升級(jí)，數(shù)字孿生成為各國推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化進(jìn)程的重要抓手。數(shù)字孿生（Digital Twin）的定義是以數(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)及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)和控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段[1]。數(shù)字孿生技術(shù)與國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)融合不斷深化，有力推動(dòng)著各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展變革的強(qiáng)大動(dòng)力。在制造領(lǐng)域，以德國西門子公司為代表的企業(yè)研究了將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、運(yùn)營、服務(wù)及回收等全生命周期過程。國內(nèi)北航數(shù)字孿生小組在2017年提出了數(shù)字孿生車間的概念，闡述了數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵技術(shù)，探索了數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人機(jī)交互和信息物理系統(tǒng)等技術(shù)的關(guān)系，開展了數(shù)字孿生在設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。此外，在航空航天、交通、電力、醫(yī)療和智慧城市等領(lǐng)域均有相關(guān)企業(yè)和科研單位開展數(shù)字孿生的應(yīng)用。2020年中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》，白皮書通過梳理數(shù)字孿生技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展情況，分析數(shù)字孿生技術(shù)熱點(diǎn)、行業(yè)動(dòng)態(tài)和未來趨勢(shì)，提出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作需求，希望可以作為數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化之間的初始連接紐帶，以加快推動(dòng)數(shù)字孿生發(fā)展應(yīng)用[2]。數(shù)字孿生技術(shù)在世界上還處于初級(jí)階段，只有一些大公司嘗試在一些領(lǐng)域和環(huán)節(jié)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)來改造一些設(shè)備和工藝，如通用電氣、阿里巴巴、微軟等。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，缺乏構(gòu)建數(shù)字孿生所需的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐[3]。本文將以自動(dòng)化生產(chǎn)線數(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)在生產(chǎn)線中的應(yīng)用。

1 "總體設(shè)計(jì)方案

數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開虛擬仿真技術(shù)的支撐，仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生模型的核心技術(shù)之一。Automation Studio是一款工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品集成化的軟件開發(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)目包括機(jī)械技術(shù)，如液壓、氣動(dòng)、電氣工程、控制、人機(jī)界面和通信協(xié)定等，可以將所有技術(shù)集成在一起，創(chuàng)建一個(gè)在仿真過程中具有準(zhǔn)確行為的完整系統(tǒng)，創(chuàng)建硬件設(shè)備的數(shù)字孿生，如取放裝置、傳送帶、交通信號(hào)燈、電梯和洗車設(shè)備等虛擬系統(tǒng)[4]。

因此，本設(shè)計(jì)選擇Automation Studio作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)，以YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元作為物理實(shí)體，在Automation Studio軟件平臺(tái)中完成YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)。首先在Automation Studio中完成物料加工單元機(jī)械3D模型的導(dǎo)入，然后在Automation Studio中完成加工單元?dú)鈩?dòng)回路的設(shè)計(jì)及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行3D模型、氣動(dòng)回路及控制系統(tǒng)的集成仿真，進(jìn)行設(shè)計(jì)功能驗(yàn)證。

2 "自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元數(shù)字模型的導(dǎo)入

YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元的功能是把待加工工件從物料臺(tái)移送到加工區(qū)域沖壓氣缸的正下方，對(duì)物料進(jìn)行沖壓加工，然后把加工好的工件重新送回至物料臺(tái)的過程。物料加工單元的主要結(jié)構(gòu)組成包括加工臺(tái)及滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、加工（沖壓）機(jī)構(gòu)、電磁閥組、接線端口和底板等，其中加工臺(tái)及滑動(dòng)機(jī)構(gòu)用于固定被加工工件，并把工件移到加工（沖壓）機(jī)構(gòu)正下方，其主要由氣動(dòng)手爪、加工臺(tái)伸縮氣缸、線性導(dǎo)軌及滑塊、磁感應(yīng)接近開關(guān)和漫射式光電傳感器等組成，加工機(jī)構(gòu)用于對(duì)工件進(jìn)行沖壓加工，加工（沖壓）機(jī)構(gòu)主要由沖壓氣缸、沖壓頭、安裝板等組成，沖頭安裝在沖壓缸頭部，當(dāng)工件移到加工（沖壓）機(jī)構(gòu)正下方，即伸縮氣缸活塞桿縮回到位時(shí)，沖壓氣缸伸出對(duì)工件進(jìn)行加工，完成加工動(dòng)作后沖壓缸縮回，為下一次沖壓做準(zhǔn)備。

按照YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元物理實(shí)體，采用機(jī)械建模軟件建立的物料加工單元三維數(shù)字模型如圖1所示，在Automation Studio中導(dǎo)入自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元數(shù)字模型3D對(duì)象的具體方法：打開Automation Studio自定義庫，打開已經(jīng)建立好的YL-335B 物料加工單元3D可控對(duì)象，進(jìn)行3D-Link連接，后續(xù)可以在Automation Studio中建立氣動(dòng)回路圖、PLC程序圖、順序功能控制圖等，控制導(dǎo)入的數(shù)字模型3D對(duì)象[5-6]。

3 "自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元?dú)鈩?dòng)回路的設(shè)計(jì)

自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元所使用的氣動(dòng)執(zhí)行元件有3個(gè)：伸縮氣缸（標(biāo)準(zhǔn)直線氣缸）、加工氣缸（薄型氣缸）和夾緊氣缸（氣動(dòng)手指）。根據(jù)YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元的加工動(dòng)作要求繪制氣動(dòng)回路圖，3個(gè)氣缸均采用兩位五通單電控?fù)Q向閥進(jìn)行方向控制，伸縮氣缸初始處于伸出位置，加工氣缸初始處于上升位置，夾緊氣缸初始處于松開位置，采用單向節(jié)流閥進(jìn)行氣缸雙向速度調(diào)節(jié)。

在Automation Studio中繪制的氣動(dòng)控制回路圖如圖2所示，具體的繪制方法為插入所需的氣動(dòng)組件，將庫中所需組件拖放到圖面上，然后將所有元素連接在一起，便可完成氣動(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，氣動(dòng)回路繪制完成后，仿真驗(yàn)證功能正確后，最后定義變量V1為加工電磁閥的電磁控制端，V2為伸縮電磁閥的電磁控制端，V3為夾緊電磁閥的電磁控制端，V1要關(guān)聯(lián)PLC圖中用螺線管代替的V1變量，同理關(guān)聯(lián)伸縮電磁閥V2和夾緊電磁閥V3，具體的變量關(guān)聯(lián)方法為選擇加工電磁閥，雙擊打開組件屬性，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)伸縮電磁閥、夾緊電磁閥。變量關(guān)聯(lián)是集成仿真的基礎(chǔ)，必須關(guān)聯(lián)并且要關(guān)聯(lián)正確，否則將無法實(shí)現(xiàn)集成仿真。

4 "自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元電氣控制

4.1 "電氣控制接線圖的繪制

從Automation Studio電氣控制庫中拖放需要的組件以創(chuàng)建電氣控制電路，在圖面上插入電氣控制組件時(shí)，將電氣組件進(jìn)行命名方便區(qū)分，方便進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，例如用螺線管模擬電磁閥，螺線管命名為V1，將換向閥的電磁閥（螺線管）命令項(xiàng)與電氣控制電路的電磁閥（螺線管）連接，點(diǎn)擊換向閥以打開鏈接窗口，單擊菜單中的變量分配，單擊換向閥的電磁閥（螺線管）圖標(biāo)，使用搜索查找變量，顯示符合條件的變量，確定名稱后，點(diǎn)擊其以創(chuàng)建鏈接，重復(fù)以上步驟完成第二個(gè)、第三個(gè)電磁閥（螺線管）關(guān)聯(lián)。自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元電氣控制接線圖如圖3所示。

4.2 "創(chuàng)建控制系統(tǒng)

在完成3D模型導(dǎo)入、氣動(dòng)原理圖設(shè)計(jì)后，就可以進(jìn)行PLC控制原理設(shè)計(jì)。在Automation Studio中打開3D Link菜單，再打開亞龍YL-335B仿真插件，點(diǎn)擊start按鈕，讀取亞龍YL-335B仿真插件的變量，點(diǎn)擊停止按鈕查看變量是否已經(jīng)讀取，在變量管理器中，檢查讀取到的變量是否正確。對(duì)Automation Studio進(jìn)行系統(tǒng)仿真控制可分為梯形圖控制或順序功能圖（SFC）控制2種方法，下面將分別介紹自動(dòng)化生產(chǎn)線物料加工單元的2種控制。

4.3 "PLC梯形圖控制

加工單元的工作過程：物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到工件后，PLC控制程序驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手指將工件夾緊→加工臺(tái)縮回到?jīng)_壓氣缸下方→沖壓氣缸活塞桿向下伸出沖壓工件→完成沖壓動(dòng)作后向上縮回→加工臺(tái)重新伸出→到位后氣動(dòng)手指松開，并向系統(tǒng)發(fā)出加工完成信號(hào)，此為完成1次加工。在Automation Studio中完成梯形圖控制如圖4所示。具體的方法如下。使用TIA Portal V16編程思路，在通用組件中打開梯形圖（Siemens PLC），選擇梯級(jí)創(chuàng)立PLC程序框架，再使用其中常開接點(diǎn)、常閉接點(diǎn)、 線圈等進(jìn)行構(gòu)建PLC程序，構(gòu)建PLC程序后將PLC的常開接點(diǎn)、常閉接點(diǎn)、線圈等作為變量連接至電氣控制接線圖（圖3）中。

4.4 "SFC控制

在Automation Studio中創(chuàng)建加工SFC控制圖，如圖5所示。創(chuàng)建SFC的具體操作過程：先查看4.2 章節(jié)創(chuàng)建控制系統(tǒng)時(shí)讀取的YL-335B仿真插件物料加工單元的相關(guān)變量表，在Automation Studio中新建順序功能圖（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”，變量窗口中，選擇“加工單元伸縮氣缸變量（BOOL）”，并輸入“：=1”表示將該變量賦值“1”，選插入“轉(zhuǎn)換”（表示跳轉(zhuǎn)的條件），鼠標(biāo)右鍵“轉(zhuǎn)換”選擇 “組件屬性”，從變量窗口中，選擇“加工單元伸縮氣缸伸出到位”；重復(fù)上述步驟完成圖5的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“加工單元SFC”，別名設(shè)置“加工單元SFC”。

5 "集成仿真功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性，最后還要在Automation Studio中進(jìn)行集成仿真功能驗(yàn)證，點(diǎn)擊Start按鈕啟動(dòng)仿真，仿真瞬間的截圖如圖6所示，結(jié)果表明：氣動(dòng)回路中3個(gè)氣缸按照工作要求依次工作，自動(dòng)化生產(chǎn)線加工單元數(shù)字孿生系統(tǒng)工作裝置的動(dòng)作正確，仿真功能正確，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性。

6 "結(jié)束語

在虛擬環(huán)境中把物理生產(chǎn)線架構(gòu)起來，構(gòu)建生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，不僅能夠節(jié)省大量物資，同時(shí)也可以快速優(yōu)化，加速實(shí)踐。本文設(shè)計(jì)方案與實(shí)際生產(chǎn)同步，為設(shè)計(jì)者和管理者提供了一種生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，降低了生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試的成本，提高了生產(chǎn)效率，在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，后續(xù)可繼續(xù)開展研究，采用OPU UA協(xié)議，進(jìn)一步研究物料加工單元數(shù)字虛體與加工單元物理實(shí)體之間的通信。數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能及3D可視化等一系列技術(shù)，可以構(gòu)建出現(xiàn)實(shí)世界物體的虛擬鏡像，在幾何形狀、物理模型、行為狀態(tài)等方面進(jìn)行模擬、仿真、預(yù)測(cè)和輔助決策，從而能有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)智能制造的愿景，制造業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展前景廣闊，數(shù)字孿生正成為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動(dòng)力，在產(chǎn)品研發(fā)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造、出廠測(cè)試及運(yùn)維服務(wù)等各生命周期場(chǎng)景均可帶來高價(jià)值的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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