自动化生产线物料加工单元数字孪生系统设计

摘 "要：该文基于Automation Studio集成软件开发平台，以YL-335B自动化生产线物料加工单元作为物理实体，首先在Automation Studio中完成物料加工单元机械3D模型的导入，然后在Automation Studio中完成加工单元气动回路的设计及电气控制系统的设计，最后进行集成仿真验证功能。结果表明，可实现自动化生产线加工单元数字孪生系统工作装置的动作，验证该设计的正确性。

关键词：自动化生产线；虚拟仿真；数字孪生；Automation Studio；PLC

中图分类号：TP278 文献标识码：A " " " " "文章编号：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

近年来，随着市场经济的变化和工业智能技术的发展，制造企业面临的竞争压力越来越大，客户的要求也越来越高，对产品的智能化、个性化需求也越来越多，传统制造企业的生产线面临着数字化升级的问题，要实现我国制造企业数字化智能化升级，数字孪生成为各国推进经济社会数字化进程的重要抓手。数字孪生（Digital Twin）的定义是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据及算法模型等，模拟、验证、预测和控制物理实体全生命周期过程的技术手段[1]。数字孪生技术与国民经济各产业融合不断深化，有力推动着各产业数字化、网络化、智能化发展进程，成为我国经济社会发展变革的强大动力。在制造领域，以德国西门子公司为代表的企业研究了将数字孪生技术应用于产品的设计、生产、制造、运营、服务及回收等全生命周期过程。国内北航数字孪生小组在2017年提出了数字孪生车间的概念，阐述了数字孪生车间的关键技术，探索了数字孪生与大数据、云计算、人机交互和信息物理系统等技术的关系，开展了数字孪生在设计、制造、服务领域的应用研究。此外，在航空航天、交通、电力、医疗和智慧城市等领域均有相关企业和科研单位开展数字孪生的应用。2020年中国电子技术标准化研究院发布了《数字孪生应用白皮书》，白皮书通过梳理数字孪生技术和产业应用发展情况，分析数字孪生技术热点、行业动态和未来趋势，提出相关的标准化工作需求，希望可以作为数字孪生技术领域、产业发展和标准化之间的初始连接纽带，以加快推动数字孪生发展应用[2]。数字孪生技术在世界上还处于初级阶段，只有一些大公司尝试在一些领域和环节运用数字孪生技术来改造一些设备和工艺，如通用电气、阿里巴巴、微软等。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，缺乏构建数字孪生所需的数据基础和技术支撑[3]。本文将以自动化生产线数字孪生系统搭建与应用为例，研究数字孪生技术在生产线中的应用。

1 "总体设计方案

数字孪生系统的设计离不开虚拟仿真技术的支撑，仿真技术是创建和运行数字孪生模型的核心技术之一。Automation Studio是一款工业自动化产品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，其所涵盖的项目包括机械技术，如液压、气动、电气工程、控制、人机界面和通信协定等，可以将所有技术集成在一起，创建一个在仿真过程中具有准确行为的完整系统，创建硬件设备的数字孪生，如取放装置、传送带、交通信号灯、电梯和洗车设备等虚拟系统[4]。

因此，本设计选择Automation Studio作为数字孪生系统的软件开发平台，以YL-335B自动化生产线物料加工单元作为物理实体，在Automation Studio软件平台中完成YL-335B自动化生产线物料加工单元数字孪生体的设计。首先在Automation Studio中完成物料加工单元机械3D模型的导入，然后在Automation Studio中完成加工单元气动回路的设计及电气控制系统的设计，最后进行3D模型、气动回路及控制系统的集成仿真，进行设计功能验证。

2 "自动化生产线物料加工单元数字模型的导入

YL-335B自动化生产线物料加工单元的功能是把待加工工件从物料台移送到加工区域冲压气缸的正下方，对物料进行冲压加工，然后把加工好的工件重新送回至物料台的过程。物料加工单元的主要结构组成包括加工台及滑动机构、加工（冲压）机构、电磁阀组、接线端口和底板等，其中加工台及滑动机构用于固定被加工工件，并把工件移到加工（冲压）机构正下方，其主要由气动手爪、加工台伸缩气缸、线性导轨及滑块、磁感应接近开关和漫射式光电传感器等组成，加工机构用于对工件进行冲压加工，加工（冲压）机构主要由冲压气缸、冲压头、安装板等组成，冲头安装在冲压缸头部，当工件移到加工（冲压）机构正下方，即伸缩气缸活塞杆缩回到位时，冲压气缸伸出对工件进行加工，完成加工动作后冲压缸缩回，为下一次冲压做准备。

按照YL-335B自动化生产线物料加工单元物理实体，采用机械建模软件建立的物料加工单元三维数字模型如图1所示，在Automation Studio中导入自动化生产线物料加工单元数字模型3D对象的具体方法：打开Automation Studio自定义库，打开已经建立好的YL-335B 物料加工单元3D可控对象，进行3D-Link连接，后续可以在Automation Studio中建立气动回路图、PLC程序图、顺序功能控制图等，控制导入的数字模型3D对象[5-6]。

3 "自动化生产线物料加工单元气动回路的设计

自动化生产线物料加工单元所使用的气动执行元件有3个：伸缩气缸（标准直线气缸）、加工气缸（薄型气缸）和夹紧气缸（气动手指）。根据YL-335B自动化生产线物料加工单元的加工动作要求绘制气动回路图，3个气缸均采用两位五通单电控换向阀进行方向控制，伸缩气缸初始处于伸出位置，加工气缸初始处于上升位置，夹紧气缸初始处于松开位置，采用单向节流阀进行气缸双向速度调节。

在Automation Studio中绘制的气动控制回路图如图2所示，具体的绘制方法为插入所需的气动组件，将库中所需组件拖放到图面上，然后将所有元素连接在一起，便可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，气动回路绘制完成后，仿真验证功能正确后，最后定义变量V1为加工电磁阀的电磁控制端，V2为伸缩电磁阀的电磁控制端，V3为夹紧电磁阀的电磁控制端，V1要关联PLC图中用螺线管代替的V1变量，同理关联伸缩电磁阀V2和夹紧电磁阀V3，具体的变量关联方法为选择加工电磁阀，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，同理关联伸缩电磁阀、夹紧电磁阀。变量关联是集成仿真的基础，必须关联并且要关联正确，否则将无法实现集成仿真。

4 "自动化生产线物料加工单元电气控制

4.1 "电气控制接线图的绘制

从Automation Studio电气控制库中拖放需要的组件以创建电气控制电路，在图面上插入电气控制组件时，将电气组件进行命名方便区分，方便进行变量关联，例如用螺线管模拟电磁阀，螺线管命名为V1，将换向阀的电磁阀（螺线管）命令项与电气控制电路的电磁阀（螺线管）连接，点击换向阀以打开链接窗口，单击菜单中的变量分配，单击换向阀的电磁阀（螺线管）图标，使用搜索查找变量，显示符合条件的变量，确定名称后，点击其以创建链接，重复以上步骤完成第二个、第三个电磁阀（螺线管）关联。自动化生产线物料加工单元电气控制接线图如图3所示。

4.2 "创建控制系统

在完成3D模型导入、气动原理图设计后，就可以进行PLC控制原理设计。在Automation Studio中打开3D Link菜单，再打开亚龙YL-335B仿真插件，点击start按钮，读取亚龙YL-335B仿真插件的变量，点击停止按钮查看变量是否已经读取，在变量管理器中，检查读取到的变量是否正确。对Automation Studio进行系统仿真控制可分为梯形图控制或顺序功能图（SFC）控制2种方法，下面将分别介绍自动化生产线物料加工单元的2种控制。

4.3 "PLC梯形图控制

加工单元的工作过程：物料检测传感器检测到工件后，PLC控制程序驱动气动手指将工件夹紧→加工台缩回到冲压气缸下方→冲压气缸活塞杆向下伸出冲压工件→完成冲压动作后向上缩回→加工台重新伸出→到位后气动手指松开，并向系统发出加工完成信号，此为完成1次加工。在Automation Studio中完成梯形图控制如图4所示。具体的方法如下。使用TIA Portal V16编程思路，在通用组件中打开梯形图（Siemens PLC），选择梯级创立PLC程序框架，再使用其中常开接点、常闭接点、 线圈等进行构建PLC程序，构建PLC程序后将PLC的常开接点、常闭接点、线圈等作为变量连接至电气控制接线图（图3）中。

4.4 "SFC控制

在Automation Studio中创建加工SFC控制图，如图5所示。创建SFC的具体操作过程：先查看4.2 章节创建控制系统时读取的YL-335B仿真插件物料加工单元的相关变量表，在Automation Studio中新建顺序功能图（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”，变量窗口中，选择“加工单元伸缩气缸变量（BOOL）”，并输入“：=1”表示将该变量赋值“1”，选插入“转换”（表示跳转的条件），鼠标右键“转换”选择 “组件属性”，从变量窗口中，选择“加工单元伸缩气缸伸出到位”；重复上述步骤完成图5的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“加工单元SFC”，别名设置“加工单元SFC”。

5 "集成仿真功能验证

为了验证本设计的正确性，最后还要在Automation Studio中进行集成仿真功能验证，点击Start按钮启动仿真，仿真瞬间的截图如图6所示，结果表明：气动回路中3个气缸按照工作要求依次工作，自动化生产线加工单元数字孪生系统工作装置的动作正确，仿真功能正确，验证了该设计的正确性。

6 "结束语

在虚拟环境中把物理生产线架构起来，构建生产线的数字孪生体，不仅能够节省大量物资，同时也可以快速优化，加速实践。本文设计方案与实际生产同步，为设计者和管理者提供了一种生产线设计的理论基础和实验平台，降低了生产线设计、调试的成本，提高了生产效率，在此设计的基础上，后续可继续开展研究，采用OPU UA协议，进一步研究物料加工单元数字虚体与加工单元物理实体之间的通信。数字孪生技术与工业物联网、5G通信、大数据、云计算、人工智能及3D可视化等一系列技术，可以构建出现实世界物体的虚拟镜像，在几何形状、物理模型、行为状态等方面进行模拟、仿真、预测和辅助决策，从而能有效解决上述问题，实现智能制造的愿景，制造业数字孪生应用发展前景广阔，数字孪生正成为制造业数字化转型的核心驱动力，在产品研发、工艺规划、生产制造、出厂测试及运维服务等各生命周期场景均可带来高价值的应用优势。

参考文献：

[1] 施佳宏，刘晓军，刘庭煜.面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法[J].计算机集成制造系统，2022，28（2）：442-452.

[2] 龚青.基于数字孪生技术的矿井风流调控虚拟系统设计与开发[J].科学技术创新，2022（22）：180-183.

[3] 赵欣悦.基于数字孪生的车间生产运行故障预测方法研究[J].新型工业化，2020，10（12）：73-75，77.

[4] 王春晓.基于数字孪生的数控机床多领域建模与虚拟调试关键技术研究[D].济南：山东大学，2018.

[5] 何军，阳星，张军.基于Automation Studio的湿喷机机电液联合仿真模型构建方法[J].机床与液压，2022，50（13）：168-173.

[6] 刘义付，孙瑞霞.基于Automation Studio工程车辆铲斗举升机构特性分析[J].机械设计与制造，2021（7）：32-36.