上海建橋?qū)W院有限責任公司 吳俊杰 羅尹寧 董嘉偉

自動裁片機工站，是由物料輸送貨架、裁剪機、充氣吸盤、通訊系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)以及其他如電線電纜橋架、托盤、鋼結(jié)構(gòu)平臺等輔助設(shè)備組成的自動化加工生產(chǎn)線，并運用集成化物流理念，采用PLC 先進的控制、總線和通訊技術(shù)，通過以上設(shè)備的協(xié)調(diào)動作進行裁片機加工作業(yè)。使用PN/IE 通訊方式建立其與PLC 設(shè)備的信號通訊，實現(xiàn)操作人員在監(jiān)控室即可遠程控制工站工作，一定程度上減少了生產(chǎn)線安全檢查工人的工作量，實現(xiàn)更進一步的無人化產(chǎn)線[1]。

本課題的研究基于西門子仿真軟件Process Simulate和博途PLC 系列軟件，設(shè)計并制作了自動裁片機設(shè)備的仿真生產(chǎn)線，可以通過仿真面板調(diào)試、PLC 信號調(diào)試以及WinCC 虛擬觸控版3 種方式控制設(shè)備運動。研究通過對移動滑軌、氣動吸盤、移動頂桿、裁片機等設(shè)備模型的動作流程設(shè)置與PLC 編程和仿真調(diào)試，驗證數(shù)字孿生與仿真技術(shù)的有效性。通過仿真軟件對每一個智能設(shè)備進行運動過程模擬，使數(shù)字化模型能夠?qū)崿F(xiàn)實物設(shè)備的所有作業(yè)。通過PLC 編程，控制每一個智能設(shè)備的運動時間和條件，達到同步實際產(chǎn)線的目的。

1 自動裁片機工站數(shù)字孿生方案的總體設(shè)計

自動裁片機工站的數(shù)字孿生總體設(shè)計思路是首先分析自動裁片機設(shè)備的工作原理，然后將自動裁片機的設(shè)備模型根據(jù)運動機構(gòu)原理拆解成單個小件，將三維建模軟件模型格式導出為Process Simulate 仿真軟件可以識別的模型格式，并導入PS 軟件后重新裝配布局。

在PS 軟件中定義各個零件的組件類型，將獨立運動的局部設(shè)備分別定義成智能組件，設(shè)置各局部設(shè)備的運動機構(gòu)和動作姿態(tài)，編寫運動機構(gòu)的邏輯塊并創(chuàng)建觸發(fā)信號和姿態(tài)傳感器信號。創(chuàng)建物料生成和消失的邏輯塊，并添加物料流操作，使物料在指定運動條件時會自動消失[2]。

通過PLC SIM Advanced 軟件創(chuàng)建虛擬PLC 并建立PS 與博途PLC 軟件之間的通訊，在博途PLC 軟件中創(chuàng)建對應變量，將變量與PS 邏輯塊信號相互綁定。使用PLC 監(jiān)控表調(diào)試，使用博途PLC 控制PS 信號，編寫PLC 程序，使用程序控制智能組件運行。

設(shè)計并繪制WinCC 仿真面板，添加虛擬按鈕和指示燈并綁定對應變量，使用虛擬按鈕切換變量狀態(tài)從而起到控制設(shè)備的狀態(tài)。編寫自動運行程序，并添加虛擬觸發(fā)按鈕，點擊按鈕后產(chǎn)線自動運行。

2 自動裁片機的工作原理和運動分析

2.1 自動裁片機生產(chǎn)工藝流程

自動裁片機生產(chǎn)工藝流程主要有：送料滑槽橫向位移、物料頂桿頂升物料、氣動吸盤升降吸取/放置物料、吸盤滑槽縱向位移、傳送帶運輸物料、裁片器切斷物料、接駁機阻擋物料、收料頂桿升降收料盤等操作。

生產(chǎn)工藝流程是從原材料放置到生產(chǎn)線到成品加工產(chǎn)出，按加工流程順序連續(xù)進行加工全過程，自動裁片機工站的生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 自動裁片機工站生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Production process flow chart of automatic cutting machine station

2.2 模塊設(shè)備的運動原理和類型分析

根據(jù)自動裁片機工站的生產(chǎn)工藝，將整個工站模型根據(jù)運動機構(gòu)原理拆解為13 個模塊設(shè)備和1 個零件。自動裁片機工站的主要組成部分：（1）送料滑軌；（2）上料箱；（3）上料頂桿；（4）物料鋁片；（5）接駁機；（6）收料吸盤；（7）收料滑軌；（8）收料滑槽；（9）收料箱；（10）工站機架；（11）裁片機；（12）上料滑槽；（13）上料固定桿；（14）送料吸盤，如圖2 所示。除（10）工站機架外，每一個模塊設(shè)備都能實現(xiàn)獨立運動。

圖2 自動裁片機模塊拆解圖Fig.2 Disassembly of die block of automatic slitter machine

從圖2 可以看到，自動裁片機工站中所有模塊設(shè)備的運動方式都是直線移動，工站中多處用到活塞氣缸，充氣時活塞桿會向頂出方向運動至極限位置，停止充氣時，由于彈簧的收縮力，活塞桿又恢復至初始位置。收料吸盤滑軌采用的是伺服馬達驅(qū)動，伺服馬達的碼盤會實時記錄轉(zhuǎn)軸的當前位置，即使設(shè)備斷電重啟也能夠知道設(shè)備所在的坐標。

在生產(chǎn)線仿真模式下的生產(chǎn)工藝中，物料的移動只能通過運輸帶Conveyer 或夾爪Gripper 來完成，所以在設(shè)置模塊設(shè)備資源類型時需要考慮在生產(chǎn)流程中是否與物料直接接觸且改變物料位置。

2.3 模塊設(shè)備的運動機構(gòu)設(shè)置

Process Simulate 仿真軟件導入模型設(shè)備后，在進行項目仿真之前，需要進行運動機構(gòu)的定義。每個模塊設(shè)備都是由多個構(gòu)件組成，其中每一個構(gòu)件都需要以一定的裝配方式與另一個構(gòu)件相連接，且相接觸的兩個構(gòu)件之間能夠產(chǎn)生一定的相對運動，才能加載到仿真里面使用。

在仿真軟件中，每個模塊設(shè)備都是由一個機架和若干個連桿組合而成，以收料吸盤為例，如圖3 所示，收料吸盤的固定板中有兩個活塞缸，上端連接氣泵充氣管，活塞缸內(nèi)有兩根活塞桿固定的下側(cè)吸嘴定位板，活塞桿末端有桿帽限制活塞桿行程，末端彈簧連接到固定板恢復活塞桿未推出時的狀態(tài)。氣泵工作時，活塞桿在充氣作用下沿活塞缸的方向往外頂，直到到達活塞桿限位，氣泵不工作時，活塞桿被彈簧拉回初始位置。

圖3 收料吸盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of the suction cup

經(jīng)過收料吸盤的工作原理和結(jié)構(gòu)分析，可以將其分為兩個部分，固定板為機架，活塞桿以及其連接的零件都是活動構(gòu)件，且運動范圍即活塞桿從初始位置到達限位的距離。將機架部分設(shè)置為父連桿，將活動構(gòu)建設(shè)置為子連桿，通過兩點確定一個軸來設(shè)置子連桿相對于父連桿的運動方向，并設(shè)置關(guān)節(jié)類型為移動。

3 智能設(shè)備邏輯塊設(shè)置

在虛擬生產(chǎn)線中，能夠通過一個或者多個信號，控制設(shè)備完成某個特定的任務，這一類的設(shè)備被稱之為智能設(shè)備。智能設(shè)備能夠根據(jù)自身的邏輯塊自動判斷是否執(zhí)行相應的行為，而邏輯塊能夠通過外部PLC 信號來控制，以此實現(xiàn)PLC 控制生產(chǎn)線工作。

以收料吸盤智能設(shè)備的邏輯塊為例，在邏輯塊創(chuàng)建時，需要考慮智能設(shè)備的觸發(fā)信號和傳感值參數(shù)設(shè)置。在Process Simulate 軟件中入口對應的是外部信號的輸入，出口是設(shè)備的輸出信號，虛擬產(chǎn)線上通常將入口用作控制信號，出口綁定設(shè)備姿態(tài)到位傳感器。觸發(fā)入口的信號時，設(shè)備執(zhí)行對應動作，當設(shè)備運動到指定狀態(tài)時，出口發(fā)出到位信號，由此信號反饋設(shè)備的當前狀態(tài)。

在邏輯塊里添加入口和出口對應的信號，每個姿態(tài)對應一個信號，在邏輯塊的“參數(shù)”中，可以添加設(shè)備的關(guān)節(jié)值傳感器，觸發(fā)類型有4 種：脈沖、范圍、步進起點和步進終點。

設(shè)置完成入口、出口和參數(shù)后，還需要在操作頁面添加設(shè)備的移至姿態(tài)并在值表達式輸入驅(qū)動該動作的信號，往往以入口作為驅(qū)動信號。

Gripper 類型的智能設(shè)備在添加操作時，相較普通智能設(shè)備要多創(chuàng)建抓握和釋放的觸發(fā)表達式。選擇抓握前，設(shè)備需要添加抓握坐標即Gripper 設(shè)備的TCP 工作坐標系，設(shè)備觸發(fā)了抓握信號后，TCP 接觸到物料時就會執(zhí)行抓握指令，抓握后再改變設(shè)備姿態(tài)或移動設(shè)備位置時物料也會隨之運動。同理，抓握狀態(tài)下的Gripper 在滿足釋放的值表達式條件后，執(zhí)行釋放指令，將此時移動設(shè)備物料停留在釋放的位置。

在定義工具握爪時，需要選擇TCP 坐標和基準坐標，TCP 坐標即工作坐標系，在Gripper 抓握物料時執(zhí)行抓握的坐標，一般將TCP 坐標放置在接觸物料的位置。原因是在虛擬仿真的生產(chǎn)線中，信號發(fā)出和仿真軟件的信號接收具有一定的延時。智能設(shè)備的邏輯塊是周期性刷新的，所以當設(shè)備到達動作姿態(tài)傳感值后，如果立馬就離開了姿態(tài)，那么抓握的信號就會被延時，當Gripper 接收到抓握命令時TCP 已經(jīng)離開了物料，就會導致握爪無法抓握物料。

為了解決這一問題，Process Simulate 仿真軟件在工具定義握爪時，添加了設(shè)置握爪的偏差值[3]。當Gripper設(shè)備接觸到物流后不停留時，就可以添加握爪的偏差值，使設(shè)備傳感器提前觸發(fā)，從而抵消因信號延時而導致的握爪抓握失效。

4 博途PLC 編程及調(diào)試

4.1 仿真軟件與博途PLC 編程軟件的通訊

工廠的實際產(chǎn)線中為了能夠加快產(chǎn)線的工作效率，各個控制設(shè)備會同步運行，在當前的工序正在工作時，前一步工序又會回到初始位置繼續(xù)加工下一個物料。在虛擬生產(chǎn)線的程序設(shè)計時，同樣也要參考實際產(chǎn)線的工作狀況，兼顧多設(shè)備協(xié)調(diào)、同步運行，本項目采用博途PLC 的步進指令編寫運行程序。

設(shè)備組態(tài)是通過對硬件和網(wǎng)絡(luò)進行一定的參數(shù)配置，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對硬件的控制。在博途系列軟件里，網(wǎng)絡(luò)通 訊 協(xié) 議 主 要 是PROFINET 和PN/IE。PROFINET 主要采用TCP/IP 協(xié)議，西門子PLC 和驅(qū)動設(shè)備都有對應的集成PROFINET 接口，分布式的現(xiàn)場設(shè)備都可以通過總線通訊系統(tǒng)，使用網(wǎng)線直接連接到PLC 上。在虛擬調(diào)試中，設(shè)備沒有連接總線，所以只需要HMI 與PLC 進行連接通訊即可。

TIA Portal 中的虛擬調(diào)試，借助 STEP 7 和全集成自動化門戶(TIA Portal)，可以使用PLCSIM Advanced來模擬和驗證控制器功能，而無需實際控制器。

西門子博途系列軟件中，PLCSIM Advanced 軟件提供了各種虛擬控制器的仿真工具，可以創(chuàng)建虛擬的PLC來測試程序調(diào)試，該仿真工具可以同時連接到博途PLC和Process Simulate 仿真軟件并建立通訊。

4.2 HMI 面板設(shè)計

博途W(wǎng)inCC 虛擬觸控板的設(shè)計主要分為：HMI 元素布局、信號變量綁定、添加元素觸發(fā)事件、設(shè)置指示燈外觀動畫和激活屏幕。根據(jù)項目需求，設(shè)計手動控制頁面和自動控制頁面布局。

完成頁面設(shè)置后，在博途軟件中將HMI 啟用仿真后即可在手動控制頁面點動觸發(fā)每個智能設(shè)備的動作。將PLC 自動運行程序的開始信號綁定在自動控制頁面“自動運行”按鈕上，即可實現(xiàn)HMI 一鍵運行生產(chǎn)流程。

5 結(jié)語

本文主要闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在自動裁片機生產(chǎn)線上的應用，以研發(fā)過程為案例，講解了Process Simulate軟件從導入設(shè)備模型到完成虛擬調(diào)試的全過程，并介紹了Process Simulate 仿真軟件和博途PLC 系列軟件在數(shù)字化工廠中的優(yōu)勢。本研究希望能對高校大學生在數(shù)字孿生理論學習和實踐應用方面有所裨益。