張 玨， 董愛華， 齊 潔， 沈亮亮

（1.東華大學(xué)a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，b.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海201620；2.西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司，上海200080）

0 引 言

以人工智能、智能制造、機器人等為代表的新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，對傳統(tǒng)的自動化專業(yè)提出了挑戰(zhàn)［1-3］。其中，以控制、通信、計算與環(huán)境感知等信息技術(shù)為基礎(chǔ)的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）是推動智能制造發(fā)展的動力源泉［4］。西門子數(shù)字孿生技術(shù)是CPS應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的成果，它在數(shù)字世界中構(gòu)成真實物理系統(tǒng)的仿真體，實現(xiàn)監(jiān)控、預(yù)測與優(yōu)化。近年在教育界，隨著國家科技部成立面向CPS的系統(tǒng)平臺，對CPS及數(shù)字孿生技術(shù)進行研究探索者日益增多，清華大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)和中山大學(xué)相繼成立創(chuàng)新中心、重點實驗室等研究其關(guān)鍵技術(shù)［5］。近來，工程領(lǐng)域教育界在基于數(shù)字孿生的混合實踐教學(xué)模式研究探索［6］、開設(shè)基于CPS技術(shù)開放實驗項目培養(yǎng)智能制造技術(shù)人才［7］等方面都取得了有益的經(jīng)驗。

為應(yīng)對社會發(fā)展和技術(shù)變革對人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)，推進高等院校深化教學(xué)改革，適應(yīng)新時代和新技術(shù)對工程技術(shù)人才工程實踐能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、終身學(xué)習(xí)能力等方面的培養(yǎng)，在我校自動化專業(yè)實踐課程建設(shè)中設(shè)計了基于CPS和數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造專業(yè)實踐系列課程。在該系列課程中，引入了西門子數(shù)字孿生技術(shù)系列軟件。其中，在生產(chǎn)實習(xí)課程中，安排學(xué)生應(yīng)用Tecnomatix Process Simulate軟件設(shè)計基于數(shù)字孿生技術(shù)的多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)，對機器人進行離線編程及基于控制邏輯事件驅(qū)動的虛擬仿真；在自動化專業(yè)綜合實習(xí)課程中，研制基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺，為工程專業(yè)實踐教學(xué)改革提供了一種新的思路。

1 西門子數(shù)字孿生技術(shù)

Schmetz等［8］提出：數(shù)字孿生技術(shù)將不同數(shù)據(jù)源匯聚，并創(chuàng)建過程、產(chǎn)品、機器或組件等的數(shù)字表示。數(shù)字孿生體與生命周期管理相對應(yīng)，用戶可以通過對產(chǎn)品生命周期的分析，減少浪費。Trunzer等［9］表示，使用虛擬中間件和模塊化的數(shù)字孿生模型來抽象整個生產(chǎn)過程，并允許在改變工廠配置之前對流程進行優(yōu)化。

數(shù)字孿生技術(shù)是西門子公司工業(yè)4.0戰(zhàn)略的重要方向之一。西門子通過一系列工具軟件實現(xiàn)上文提到的數(shù)字孿生功能：①Tecnomatix是西門子的制造業(yè)數(shù)字孿生解決方案。Tecnomatix通過建立一個完整工廠，從生產(chǎn)線、加工單元到工序操作的所有層次進行設(shè)計、物流仿真和優(yōu)化的集成計算機環(huán)境，實現(xiàn)從工藝布局規(guī)劃和設(shè)計、工藝過程仿真與驗證到制造執(zhí)行以及產(chǎn)品工程的有效連接［10］。其中，Plant Simulation是離散事件控制的仿真程序。該軟件可在二維或三維環(huán)境中進行工藝過程建模和創(chuàng)建實際生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型。Plant Simulation適用解決復(fù)雜的制造業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化問題，主要涉及工藝過程的時間平衡，即從多種時間點（如生產(chǎn)時間、臨時增加的時間、最終完成時間、周期生產(chǎn)等）分析和優(yōu)化生產(chǎn)過程［11］。而Process Simulate可在三維環(huán)境中仿真包括工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線，可用于驗證裝配操作順序的正確性。②西門子NX軟件除了CAD/CAM/CAE等功能之外，其機電一體化概念設(shè)計（Mechantronic Concept Design，MCD）模塊，集成了運動仿真和力學(xué)分析的功能。MCD通過可控的運動約束設(shè)計好的模型，使執(zhí)行機構(gòu)按照既定計劃運動［12］。③Simcenter AMESim支持復(fù)雜系統(tǒng)的建模和仿真，該軟件提供了豐富的模型庫，使得AMESim適用汽車、航空、航天等工業(yè)中機械、流場、電磁、控制等部分的復(fù)雜建模和仿真［13］。④ 西門子SIMIT軟件是用于PLC的仿真調(diào)試及仿真教學(xué)軟件。通過PLCSIM軟件與SIMIT結(jié)合使用，可實現(xiàn)對邏輯對象、運動對象及過程對象的純軟件仿真。SIMIT提供了可以自由配置的平臺模型，可以方便地連接控制器，一方面可以通過生動的動態(tài)模型測試程序，另一方面它使得仿真各種復(fù)雜過程甚至在PC上搭建整個平臺成為可能［14］。

在自動化專業(yè)實習(xí)課程中，采用結(jié)合工程實際為主、輔以基于案例的教學(xué)和實踐方法，結(jié)合課程的性質(zhì)和任務(wù)，針對畢業(yè)要求的具體指標點，緊密聯(lián)系工程實際項目。Process Simulate軟件正適合自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)當(dāng)代數(shù)字化制造業(yè)典型自動化生產(chǎn)線的配置與控制流程，使學(xué)生針對實際生產(chǎn)線工程項目，理解工業(yè)全生命周期中各部分協(xié)同運行以提高資源利用效率；應(yīng)用計算機仿真軟件設(shè)計等手段提高生產(chǎn)效率，保障系統(tǒng)安全。而基于NX MCD的數(shù)字孿生仿真平臺適合高年級學(xué)生綜合運用已學(xué)知識，在高度仿真環(huán)境中，學(xué)習(xí)設(shè)計完整的自動控制生產(chǎn)線。課題內(nèi)容模擬工程實際需求，學(xué)生通過自行調(diào)研查閱設(shè)計資料，獨立分析研究，完成課題項目設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題解決問題的能力，突出工程實踐的應(yīng)用能力培養(yǎng)。

2 多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗教學(xué)方案設(shè)計

2.1 Tecnomatix Process Simulate數(shù)字孿生軟件

多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗教學(xué)方案采用了西門子Tecnomatix數(shù)字孿生技術(shù)。其中，Process Simulate軟件用于創(chuàng)建虛擬環(huán)境，測試PLC程序，并提供了機器人和制造應(yīng)用的離線開發(fā)環(huán)境［15］。通過使用該軟件模擬自動化生產(chǎn)線，特別是包括工業(yè)機器人的生產(chǎn)系統(tǒng)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中沉浸式學(xué)習(xí)自動化生產(chǎn)線構(gòu)建、控制系統(tǒng)設(shè)計、工業(yè)機器人離線編程及生產(chǎn)線聯(lián)調(diào)。

Process Simulate功能模塊如圖1所示。其中，基于事件的仿真可仿真虛擬生產(chǎn)線的各種作業(yè)流程，其機理與真實生產(chǎn)線控制邏輯一致，并支持復(fù)雜虛擬制造場景的設(shè)計與驗證；平臺所具備機器人離線編程、工業(yè)機器人控制、機器人路徑規(guī)劃等功能，可幫助工程師實現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)機器人協(xié)同作業(yè)功能；平臺基于OPC（OLE for Process Control）技術(shù)可與外部控制器通信，同時支持多種實體控制器與虛擬控制器；人員模塊可實現(xiàn)人員作業(yè)設(shè)計及員工任務(wù)優(yōu)化；其他模塊如數(shù)據(jù)互聯(lián)、PNIO硬件仿真、裝配及焊接模塊可進一步實現(xiàn)數(shù)字孿生功能。

圖1 Process Simulate功能模塊組成

2.2 多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗流程

智能制造在汽車行業(yè)應(yīng)用較多［16］，基于數(shù)字孿生技術(shù)的多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)抽象于汽車制造流程。該系統(tǒng)硬件包括了工業(yè)機器人搬運、焊接，升降機，轉(zhuǎn)臺，傳送機等汽車制造流程中的常見自動化設(shè)備。圖2為Process Simulate中的汽車白車身組件焊接工作單元場景。升降機將未焊接的組件傳送到工作站平面，搬運機器人將組件搬運到轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向?qū)⒔M件置于焊接位置，兩臺焊接機器人協(xié)同焊接該組件，完成焊接后，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)，搬運機器人將已完成焊接的組件搬運到傳送機上，最后傳送機將組件傳送出該工作站。

圖2 Process Simulate中汽車白車身組件焊接工作單元場景

本次教學(xué)改革中，多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗分為入門、中級和高級3個階段，如圖3所示。

圖3 Process Simulate實驗教學(xué)的實施分段

（1）入門階段。包括生產(chǎn)線布局、基于事件的仿真及部分物料流與傳感器的使用，該階段主要目的是讓學(xué)生們熟悉軟件的使用，建立基于事件仿真的概念，初步了解物料與設(shè)備之間的互動方式以及傳感器的類型與特性。

（2）中級階段。中級階段進一步深入物料流與傳感器的使用，結(jié)合邏輯塊或智能組件實現(xiàn)一組動作流程，構(gòu)建工藝邏輯智能模塊，定義其基本行為、物料流、傳感器和工藝邏輯管理，并初步接觸機器人控制。具體設(shè)計包括工業(yè)機器人選型和夾具設(shè)計，即根據(jù)機器人的負載和工作半徑以及精度、速度，確定機器人型號，并根據(jù)產(chǎn)品工藝需要，分別設(shè)計機器人上的夾具、產(chǎn)品的固定夾具以及其他需要的定位設(shè)備。

（3）高級階段。高級階段進一步學(xué)習(xí)機器人路徑規(guī)劃及各種信號的設(shè)定，編制機器人虛擬控制程序?qū)崿F(xiàn)多機器人協(xié)作，并通過PLCSIM軟件和OPC接口進行外部PLC集成控制與調(diào)試。具體設(shè)計包括對機器人進行動作及路線編程及動態(tài)模擬仿真，檢驗機器人的可達性，避免機器人和周邊設(shè)備干涉風(fēng)險等。

經(jīng)由這3個階段的工作，學(xué)生可完成基于數(shù)字孿生技術(shù)的多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，進一步掌握對機器人編程及控制邏輯事件驅(qū)動的虛擬仿真技術(shù)，進而理解智能制造系統(tǒng)及其工業(yè)全生命周期協(xié)同運行。

3 基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺構(gòu)建

3.1 工業(yè)智能制造實驗平臺及其局限

我校西門子先進自動化實驗室的工業(yè)智能制造實驗平臺（見圖4）由下單進料、加工、裝配、出庫4個站點組成，配備了可編程邏輯控制器（PLC）、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、各類傳感器（色標傳感器、光纖傳感器、點傳感器、對射傳感器等）、KUKA工業(yè)機器人、RFID射頻標簽讀寫器、傳送帶、電動機、氣動執(zhí)行機構(gòu)等。自動化專業(yè)綜合實習(xí)課程中，軟件設(shè)計部分要求學(xué)生編程模擬實際工業(yè)生產(chǎn)線的整個流程，實現(xiàn)對4站的控制，由此培養(yǎng)學(xué)生PLC邏輯程序設(shè)計的能力、上層軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計和系統(tǒng)綜合調(diào)試的能力。但系統(tǒng)的購置費用極其昂貴，無法購置更多平臺使每位同學(xué)都將他們所設(shè)計的軟件在實驗設(shè)備上進行調(diào)試和運行，學(xué)生無法得到足夠的實踐訓(xùn)練機會，難以保證學(xué)生達到較好的學(xué)習(xí)效果。

圖4 工業(yè)智能制造實驗平臺

3.2 基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺設(shè)計及使用效果

西門子NX MCD是一種實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實、信息交互、協(xié)同控制、虛擬調(diào)試的仿真平臺［17］，其架構(gòu)與數(shù)字孿生的概念和CPS系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一致。因此，選擇在該平臺上設(shè)計并實現(xiàn)基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺。如圖5所示，以工業(yè)智能制造實驗平臺第3站（機械手裝配站）為例，實驗平臺實體的現(xiàn)場測控對象層由該站機動電設(shè)備組成；傳感器與執(zhí)行機構(gòu)層由RFID射頻標簽讀寫器、多種傳感器、KUKA工業(yè)機器人及傳送裝置構(gòu)成；控制器為S7-314C-2PN/DP。實驗平臺實體對應(yīng)的虛擬部分——數(shù)字孿生體，其現(xiàn)場測控對象層由NX MCD實現(xiàn)，具備剛體物理屬性；傳感器與執(zhí)行機構(gòu)為在NX MCD基本測控模塊基礎(chǔ)上開發(fā)的虛擬測控設(shè)備；控制器通過PLCSIM軟件完成對控制器的仿真。該虛擬仿真平臺采用CPS的框架，采集真實設(shè)備整個生命周期中的各種信號數(shù)據(jù)，在數(shù)字世界中構(gòu)成真實物理系統(tǒng)的仿真體。

圖5 工業(yè)智能制造實驗平臺與基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺層次結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖

智能控制程序可以通過對該仿真體信號進行感知、轉(zhuǎn)換、處理，進一步實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控、預(yù)測與性能優(yōu)化。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，研發(fā)團隊在NX MCD開發(fā)平臺上分析了參數(shù)、功能、邏輯、工藝等需求，編制了智能制造平臺的測控軟件，配置了OPC通信環(huán)境，并在多站點之間進行了通信協(xié)調(diào)。通過該虛擬仿真平臺的研制，可以使學(xué)生所編寫的PLC程序能通過數(shù)據(jù)通信接口，控制仿真平臺上的工業(yè)智能制造生產(chǎn)線，從而完成軟件在虛擬試驗設(shè)備上的調(diào)試和運行。圖6展示了基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺運行情況。其中，圖6（a）、（b）顯示了裝配站的仿真系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的運行狀況，圖6（c）、（d）顯示了加工站仿真系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的運行狀況。

圖6 基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺運行情況

從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方法來看，在未設(shè)計基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺時，自動化專業(yè)綜合實習(xí)課程中的軟件設(shè)計只能局限于PLC的仿真編程，其程序設(shè)計的合理性是通過PLC的模擬燈及監(jiān)控軟件的按鈕和圖形顯示等展示，并不能和制造平臺上的實體部件聯(lián)系起來。引入基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺可為每一位登錄仿真平臺系統(tǒng)的學(xué)生提供實驗條件，學(xué)生設(shè)計的PLC程序通過通信接口直接與三維虛擬設(shè)備相連，為學(xué)生完成復(fù)雜工程項目的軟件設(shè)計帶來便利：①程序設(shè)計過程中可全程可實物（即制造平臺上的虛擬對象）調(diào)試；②PLC對虛擬設(shè)備的控制實現(xiàn)三維可視化，如不同批次產(chǎn)品的物料傳送、加工裝配、成品入庫等在虛擬仿真平臺上均可編程實現(xiàn)，其生產(chǎn)過程在虛擬仿真平臺上直觀可視。

4 結(jié) 語

基于CPS和數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造專業(yè)實踐系列課程以智能制造為核心，借助CPS、數(shù)字孿生技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行設(shè)計，符合智能生產(chǎn)設(shè)計理念。其特色在于：在自動化專業(yè)系列實踐課程中應(yīng)用信息技術(shù)，設(shè)計基于數(shù)字孿生技術(shù)的多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)及其實驗教學(xué)方案，并搭建基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)和信息通信技術(shù)，將實驗教學(xué)與本學(xué)科先進智能制造技術(shù)結(jié)合，符合中國制造2025和工業(yè)4.0提出的智能生產(chǎn)設(shè)計理念，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的智能制造設(shè)計和研發(fā)人才。虛擬仿真實驗教學(xué)突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的空間限制，延伸了理論教學(xué)的功能。經(jīng)過學(xué)生自主編程，突破了演示實體實驗的局限，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、探索精神和實踐能力。基于CPS的工業(yè)智能制造虛擬仿真平臺構(gòu)建了數(shù)字孿生環(huán)境下的工業(yè)智能生產(chǎn)調(diào)度案例，展示了自動化技術(shù)和信息技術(shù)深度融合的實際應(yīng)用范例，加強了智能制造自動化技術(shù)相關(guān)課程群中工程應(yīng)用案例教學(xué)，提升了自動化實驗室科研建設(shè)能力。