基于Automation Studio的自动化生产线数字孪生系统的设计与研究.pdf
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1、 设计计算 新技术新工艺 设计与计算1 9 基于A u t o m a t i o n S t u d i o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 6 5 0 2 0 3)摘 要:以Y L-3 3 5 B自动化生产线供料单元作为物理实体,选择A u t o m a t i o n S t u d i o作为数字孪生系统开发平台。首先在A u t o m a t i o n S t u d i o软件平台中导入Y L-3 3 5 B自动化生产线供料单元3 D模型,完成供料单元气动回路的设计及电气控制设计,然后软件内系统集成进行供料单元数字
2、孪生系统的功能仿真,正确地实现了供料单元数字孪生系统工作装置的动作,最后采用O P C UA作为模块之间的标准接口,通过O P C UA服务器建立A u t o m a t i o n S t u d i o与T I A P o r t a l V 1 6之间的O P C UA通信连接,实现供料单元数字孪生虚拟系统与供料单元实体P L C 1 2 0 0之间的软硬件通信,通过供料单元数字虚体与供料单元物理实体之间的交互试验,验证了该设计的正确性。关键词:自动化生产线;数字孪生;虚拟仿真;A u t o m a t i o n S t u d i o;P L C;气压传动;O P C UA中图分
3、类号:T P 2 7 8 文献标志码:AD e s i g n a n d R e s e a r c h o f D i g i t a l T w i n S y s t e m f o r A u t o m a t i c P r o d u c t i o n L i n e b a s e d o n A u t o m a t i o n S t u d i oZ HOU Y u y i n(D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,Y u n n a n V o c a t i o n a
4、 l C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l T e c h n o l o g y,K u n m i n g 6 5 0 2 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n g Y L-3 3 5 B a u t o m a t i c p r o d u c t i o n l i n e f e e d i n g u n i t a s t h e p h y s i c a l e n t i t y,t h e A u t o m a t i o n S t u d
5、 i o w a s c h o-s e n a s t h e d i g i t a l t w i n s y s t e m d e v e l o p m e n t p l a t f o r m.F i r s t l y,t h e 3 D m o d e l o f Y L-3 3 5 B a u t o m a t i c p r o d u c t i o n l i n e f e e d i n g u-n i t w a s i m p o r t e d i n t o t h e A u t o m a t i o n S t u d i o s o f t w
6、 a r e p l a t f o r m,a n d i t w a s c o m p l e t e d t h a t t h e p n e u m a t i c c i r c u i t d e s i g n a n d e l e c t r i c a l c o n t r o l d e s i g n o f t h e f e e d i n g u n i t.T h e n t h e f u n c t i o n s i m u l a t i o n o f t h e d i g i t a l t w i n s y s t e m o f t h
7、 e f e e d i n g u n i t w a s c a r r i e d o u t b y s y s t e m i n t e g r a t i o n i n t h e s o f t w a r e,w h i c h c o r r e c t l y r e a l i z e d t h e a c t i o n o f t h e w o r k i n g d e v i c e o f t h e d i g i t a l t w i n s y s t e m o f t h e f e e d i n g u n i t.F i n a l l
8、 y,O P C UA w a s u s e d a s t h e s t a n d a r d i n t e r f a c e b e t w e e n m o d u l e s.T h e O P C UA c o mm u n i-c a t i o n c o n n e c t i o n b e t w e e n A u t o m a t i o n S t u d i o a n d T I A P o r t a l V 1 6 w a s e s t a b l i s h e d t h r o u g h O P C UA s e r v e r t o
9、 r e a l i z e t h e s o f t w a r e a n d h a r d w a r e c o mm u n i c a t i o n b e t w e e n t h e d i g i t a l t w i n v i r t u a l s y s t e m o f t h e f e e d i n g u n i t a n d t h e e n t i t y P L C 1 2 0 0 o f t h e f e e d i n g u n i t.T h e c o r r e c t n e s s o f t h i s d e s
10、i g n w a s v e r i f i e d t h r o u g h t h e i n t e r a c t i o n t e s t b e t w e e n t h e d i g i t a l v i r t u a l e n t i t y o f t h e f e e d i n g u n i t a n d t h e p h y s i c a l e n t i t y o f t h e f e e d i n g u n i t.K e y w o r d s:a u t o m a t i c p r o d u c t i o n l i
11、n e,d i g i t a l t w i n,v i r t u a l s i m u l a t i o n,A u t o m a t i o n S t u d i o,P L C,p n e u m a t i c t r a n s m i s-s i o n,O P C UA1 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2 0 2 5 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
12、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(D i g i t a l T w i n)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。2 0 2 0年1 1月1 1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
13、计3 1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 新技术新工艺 2 0 2 3年 第8期 2 0 新技术新工艺 设计与计算究,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3 D模型图1
14、所示为Y L-3 3 5 B自动化生产线供料单元3 D模型,这是数字孪生系统与物理实体的“形”4,借助U n i t y 3 D软件设计,U n i t y 3 D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 A u t o m a t i o n S t u d i o中自动化生产线供料单元3 D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
15、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。A u t o m a t i o n S t u d i o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
16、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、P L C控 制、人 机 界 面 和 通 信 协 议 等,A u t o m a t i o n S t u d i o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。A u t o m a t i o n S t u d i o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U n i t y 3 D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、O P C UA服务器或C AN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Y L-3 3 5 B自动化
17、生产线供料单元作为物理实体,选择A u t o m a t i o n S t u d i o作为数字孪生系统的软件开发平台。首先在A u t o m a t i o n S t u-d i o软件平台中建立Y L-3 3 5 B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O P U UA协议,进行A u t o m a t i o n S t u d i o中数字孪生虚拟模型与供料单元P L C 1 2 0 0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
18、动化生产线3.2 导入供料单元数字模型3 D对象A u t o m a t i o n S t u d i o可以与U n i t y 3 D联接,受益于U n i t y 3 D软件强大的动画功能,此功能非常适合用于在A u t o m a t i o n S t u d i o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3 D对象建模完成后,打开A u t o m a t i o n S t u d i o自定义库,打开已经建立好的Y L-3 3 5 B供料单元3 D可控对象,进行3 D-L i n k连接,便于后续能够通过A u t o m a t i o n S t u d i
19、 o平台对Y L-3 3 5 B自动化生产线供料单元数字模型3 D对象进行正确的控制仿真,可以在A u t o-m a t i o n S t u d i o建立气动回路图、仿真P L C图、P L C程序图、顺序功能控制图,使用博途T I A P o r t a l V 1 6软件进行编程或A u t o m a t i o n S t u d i o,在O P C UA通信下控制自动化生产线供料单元数字模型3 D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Y L-3 3 5 B自动化生产线供料单元的供料动作要求在A u t o m a t i o n S t u d
20、i o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P L C实现的。回路所需的所有组件都包含在A u t o m a t i o n S t u d i o的 设计计算 新技术新工艺 设计与计算2 1 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
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