工业数字孪生项目8任务1DLDS-532平台全流程虚拟调试实战

项目8DLDS-532平

台工业数字孪生实战任务1DLDS-532平台全流程虚拟调试实战目录01项目引入02任务说明03知识准备04任务实施05任务评价与拓展项目引入1项目引入

在基于NXMCD仿真的工业数字孪生竞赛实战中，选手往往需要在有限的时间内完成全平台、全流程的自动化设计与验证、虚拟调试与仿真分析，以及虚实联调任务。在此前的各项目中，学生已经掌握了运用工业数字孪生技术完成对DLDS-532实训平台各机构、模块及单元进行自动化设计与验证所需的知识、技术，且对相应流程进行了练习。本项目将综合此前各项目中所介绍的内容，以符合竞赛实战要求的赛题为范例，引导学生完成全平台、全流程虚拟调试与虚实联调任务。项目引入素养目标培养学生的标准意识、规范意识、安全意识、质量意识。培养学生严谨细致、团队协作、表达沟通的职业素质。培养学生安全用电、文明生产的职业基本素养。能力目标具备完成DLDS-532实训平台全流程虚拟调试所需的建模、信号配置能力。具备对平台主要工序流程进行仿真与虚拟调试的工业数字孪生实战能力。具备对平台主要工序流程进行虚实联调的工业数字孪生实战能力。知识目标了解职业院校技能大赛“工业网络智能控制与维护”赛项中“工业网络智能控制系统虚拟仿真与调试”部分的任务要求。熟悉竞赛实战中与工业数字孪生虚拟调试相关部分的操作方法与流程规划。熟悉竞赛实战中与工业数字孪生虚实联调相关部分的操作方法与流程规划。了解与竞赛赛题文本措辞相关的注意事项。。任务说明2任务说明

本任务将以2023年全国职业院校技能大赛（现已升级为世界职业院校技能大赛）“工业网络智能控制与维护”赛项赛题为例，介绍职业技能竞赛环境中，在工业数字孪生模块实战中对DLDS-532实训平台进行建模、信号配置与虚拟调试的全流程。根据复杂程度与难度层次的要求，随着任务的逐步推进，还将对相应的建模与模型控制操作选项加以探讨和剖析。

通过完成本任务，学生将掌握在NXMCD仿真环境中，对DLDS-532设备进行全平台一体化概念设计与调试的方法和全流程，以及在此过程中提高操作效率、避免各类错误与问题的技巧。知识准备3知识准备1.赛题读取

根据2023年全国职业院校技能大赛高职组“工业网络智能控制与维护”赛项（学生赛）赛题A可知，参赛选手需要完成“工业网络智能控制系统虚拟仿真与调试”，根据任务要求对工业网络智能控制系统的各单元仿真，并验证所设计的系统是否达到要求。其要求涵盖四个方面：单元模型装配、部件虚拟点动测试、机构虚拟手动调试和单元仿真自动运行。与基于NXMCD仿真的工业数字孪生虚拟调试相关的主要为上述后三部分，其具体内容如下：知识准备

（1）部件虚拟点动测试

对系统的各单元模型进行仿真测试，在相关软件内使用“运行时察看器”，采取点动方式实现挡料1、挡料2、称重气缸顶升、供料A推出、供料B推出动作的虚拟手动测试。（2）机构虚拟手动调试

通过操作虚拟HMI界面实现挡停料、加盖、三轴线性搬运水平控制等机构的虚拟手动调试。虚拟HMI界面布局可参考图8-1。图8-1知识准备

1）挡料机构：单击“挡料1”按钮，小钢珠挡料机构伸出，对应的“到位”信号指示灯点亮；再次单击“挡料1”按钮，小钢珠挡料机构缩回，对应的“原点”信号指示灯单亮；单击“挡料2”按钮，大钢珠挡料机构伸出，对应的“到位”信号指示灯点亮；再次单击“挡料2”按钮，大钢珠挡料机构缩回，对应的“原点”信号指示灯点亮。2）加盖机构：单击“供料B”按钮，推料气缸推出，对应的“动作到位”信号指示灯点亮；再次单击“供料B”按钮，推料气缸缩回，对应的“原点到位”信号指示灯点亮。3）三轴线性搬运水平控制机构：单击“X轴正”按钮，搬运机构向X轴正方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化；单击“X轴负”按钮，搬运机构向X轴负方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化；单击“Y轴正”按钮，搬运机构向Y轴正方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化；单击“Y轴负”按钮，搬运机构向Y轴负方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化。知识准备

（3）单元仿真自动运行

对系统的单元模型分别进行单站虚拟调试（非系统联调仿真）,使其按照工艺要求仿真自动运行。1）供料A单元：单击虚拟HMI中的“供料A单元运行”按钮，完成供料A单元由供料气缸推出，瓶体到位。2）钢珠装填单元：单击虚拟HMI中的“钢珠装填单元运行”按钮，将瓶体运输到钢珠装填单元，对应的挡料机构动作，进行钢珠装配，由推料气缸把掉落的钢珠进行装瓶，装瓶完成后再次移动。3）称重搬运单元：单击虚拟HMI中的“称重单元运行”按钮，料瓶在取料位置，称重搬运机构伸出抓取料瓶，完成对料瓶称重检测的动作。4）仓储单元：单击虚拟HMI中的“仓储单元运行”按钮，三轴线性搬运机构将物料搬运至A仓位，搬运流程完成。知识准备1.赛题分析

通过对以上赛题文本的阅读，应不难注意到以下要点：

1）单就以上部分的赛题而言，对未涉及上述任务的模块与机构，可不进行MCD建模与仿真。然而，如果选择完成“任务四：工业网络智能控制系统调试”中的虚实联调部分，则有必要从基本机电对象的建立开始，为所有涉及“任务二：工业网络智能控制系统虚拟仿真与调试”及“任务四：工业网络智能控制系统调试”的模块与机构进行MCD建模。知识准备

2）在部件虚拟点动测试中，由于赛题任务要求使用运行时察看器进行功能验证，其对应的控制信号与模型参数（如挡料1，即小钢珠挡停气缸对应位置控制的目标），不应该与机构虚拟手动调试和单元仿真自动运行中的虚拟HMI控制相冲突。为了同时满足以上三部分仿真与调试任务的要求，必须使模型中的相应信号与参数“兼容”不同的控制方式（运行时察看器、虚拟HMI）。知识准备

3）按照赛题描述，在机构虚拟手动调试中，应通过单击“供料B”按钮对加盖机构中的推料气缸进行控制。然而，加盖机构属于盒盖装配模块，通称“供料C模块”。在竞赛实战中，如果遭遇此类问题，应快速进行判断，并采取合理的行动。如果有把握较快地完成赛题任务，则应在时机合适时示意、提出，并按照反馈完成建模与调试；反之，应严格按照赛题描述执行，以尽可能完成赛题任务。对应后一种情况，较为稳妥的做法是将虚拟HMI中的按钮文本按照赛题描述编辑为“供料B”，并使用该按钮控制供料C模块中的盒盖推料气缸。知识准备

4）在单元仿真自动运行中，赛题文本未规定钢珠装填单元部分应装填钢珠的数量。在竞赛实战中，如果遭遇此类问题，应快速进行判断，并采取合理的行动。如果有把握较快地完成赛题任务，则应在时机合适时示意、提出，并按照反馈完成建模与调试；反之，应严格按照赛题描述执行，并选择花费时间最少的方案加以实现，以尽可能完成赛题任务。对应后一种情况，较为便利的一种做法是装填小钢珠与大钢珠各1或2个。知识准备

5）在单元仿真自动运行中，赛题文本未提及部分仿真任务中物料的来源。在竞赛实战中，如果遭遇此类问题，应快速进行判断，并采取合理的行动。如果有把握较快地完成赛题任务，则应在时机合适时示意、提出，并按照反馈完成建模与调试；反之，应严格按照赛题描述执行，并选择花费时间最少的方案加以实现，以尽可能完成赛题任务。对应后一种情况，较为便利的一种做法是尽量使用前序仿真任务中的物料，并在不可能使用前序任务物料时使用对象源生成物料。6）赛题只给出了虚拟手动调试界面示意图（参考），但图中却包括了对应单元仿真自动运行任务的按钮。在此，直接照图完成虚拟HMI界面即可。任务实施4任务实施一、DLDS-532平台全流程的虚拟仿真实现使用NXMCD仿真环境打开“总图_step.prt”文件。注意，为了便于建模，在此模型中，世界坐标系中Y轴的参考正方向与智能仓储单元（三站）中三维线性搬运机构的Y轴参考正方向相反。（1）实战环境中的全平台建模1）为MCD模型中的物料、各运动机构创建刚体（见表8-1），并为各类物料的对应刚体创建对象源。任务实施序号刚体对应实体或机构所属模块或所在位置参考任务1料盒瓶体料盒供料模块井式料仓上方项目5任务1/32料盒瓶体传输模块初始位置上方3料盒瓶体检测分拣模块取料位置上方4小钢珠钢珠灌装模块小钢珠料仓项目6任务25大钢珠钢珠灌装模块大钢珠料仓6料盒推料气缸料盒供料模块项目5任务17左推料气缸料芯双供料模块8右推料气缸9小钢珠挡料气缸传输模块项目6任务110大钢珠挡料气缸11小钢珠推料气缸钢珠灌装模块项目2任务212大钢珠推料气缸13滑动气缸滑台搬运模块项目7任务114伸缩气缸15称重气缸称重模块项目7任务216盒盖推料气缸盒盖装配模块17X轴伺服伺服搬运机械手模块项目7任务318Y轴伺服19升降气缸20伸缩气缸表8-1任务实施2）为MCD模型中涉及碰撞的可动或不可动部分创建碰撞体，见表8-2。在竞赛实战中，为了节省时间，可省略掉部分不影响仿真效果的碰撞体。另外，传输带所对应的碰撞体一般可在创建传输面时一同建立，故不在表中列出。任务实施表8-2（1）序号碰撞体对应实体碰撞体类型参考任务1料盒瓶体（底座）——3处方块项目5任务1、32料盒瓶体（外侧表面）——4处多个凸多面体3料盒瓶体（内侧表面）——4处多个凸多面体4料盒瓶体（内侧拐角曲面）——4处网格5料盒瓶体（上边缘）——1处网格6料盒推料气缸（上表面、前侧表面）多个凸多面体项目5任务17井式料仓（底、侧内表面）多个凸多面体8井式料仓（料仓杆）圆柱体9左推料气缸（上表面、前侧表面）多个凸多面体10右推料气缸（上表面、前侧表面）多个凸多面体11转盘机构（内侧挡板）多个凸多面体项目5任务312传输模块（内侧挡板）多个凸多面体项目6任务113小钢珠挡料气缸（内侧即挡料侧表面）多个凸多面体14大钢珠挡料气缸（内侧即挡料侧表面）多个凸多面体任务实施表8-2（2）序号碰撞体对应实体碰撞体类型参考任务15小钢珠（外表面）球体项目6任务216小钢珠料仓通孔（上、下）孔17小钢珠推料气缸（上表面）网格/方块18小钢珠推料气缸（通孔）孔19小钢珠推料气缸下方承载板（上表面）网格/方块20小钢珠推料气缸下方承载板（通孔）孔21大钢珠（外表面）球体22大钢珠料仓通孔（上、下）孔23大钢珠推料气缸（上表面）网格/方块24大钢珠推料气缸（通孔）孔25大钢珠推料气缸下方承载板（上表面）网格/方块26大钢珠推料气缸下方承载板（通孔）孔27三站传输带（两侧挡板内侧表面）多个凸多面体项目7任务128称重气缸（上表面）凸多面体项目7任务229称重位置承载面网格30称重模块其他各承载面多个凸多面体31称重模块各挡板（内侧表面）多个凸多面体32盒盖推料气缸（上表面、前侧表面）多个凸多面体33平面库位（承载面）多个凸多面体项目7任务3任务实施3）为MCD模型中的各运动机构，即料盒推料气缸、（料芯）左推料气缸、（料芯）右推料气缸、大/小钢珠推料气缸、大/小钢珠挡料气缸、滑台搬运模块滑动气缸、滑台搬运模块伸缩气缸（含夹爪）、盒盖推料气缸、称重气缸、X轴伺服、Y轴伺服、三维线性搬运升降气缸和三维线性搬运伸缩气缸（含机械手）建立运动副，见表8-3。4）按照设备实际布局，在小钢珠挡停气缸与大钢珠挡停气缸的前方创建碰撞传感器。以检测物料是否已运动到挡料位置前。5）为各运动副与传输带建立执行器（即位置控制或传输面）。6）为滑台搬运夹爪与伺服搬运机械手建立与设置手指握爪。任务实施表8-3序号连接体（基本体）对应刚体运动副类型指定轴矢量参考任务1料盒推料气缸滑动副YC轴项目5任务12左推料气缸YC轴3右推料气缸-YC轴4小钢珠挡料气缸铰链副XC轴项目6任务15大钢珠挡料气缸XC轴6小钢珠推料气缸滑动副ZC轴7大钢珠推料气缸ZC轴8滑台搬运滑动气缸滑动副YC轴项目7任务19滑台搬运伸缩气缸（滑台搬运滑动气缸）-XC轴10盒盖推料气缸YC轴项目7任务211称重气缸ZC轴12Y轴伺服-YC轴项目7任务313X轴伺服（Y轴伺服）XC轴14三维线性搬运升降气缸（X轴伺服）-ZC轴15三维线性搬运伸缩气缸（三维线性搬运升降气缸）-YC轴任务实施（2）实战环境中的全平台信号配置1）创建信号适配器，并根据实际赛题任务要求的运动控制与状态显示需要，在其中添加各个机电对象参数与用于模型控制、状态和数值实时显示的各个信号，见表8-4。在竞赛实战中，为了节省时间，只创建并使用一个信号适配器。任务实施表8-4（1）序号（类型）对象对象类型参数1（机电对象参数）小钢珠挡料气缸铰链副位置2（机电对象参数）大钢珠挡料气缸3（机电对象参数）小钢珠挡料位置传感器碰撞传感器已触发4（机电对象参数）大钢珠挡料位置传感器5（机电对象参数）盒盖推料气缸滑动副位置6（机电对象参数）料盒推料气缸7（机电对象参数）X轴伺服8（机电对象参数）Y轴伺服9（机电对象参数）料盒推料气缸位置控制位置

10（机电对象参数）盒盖推料气缸11（机电对象参数）小钢珠挡料气缸位置控制角度12（机电对象参数）大钢珠挡料气缸任务实施表8-4（2）序号（类型）名称数据类型（输入/输出）初始值1（信号）供料A动作bool（输入）false2（信号）供料A复位bool（输入）false3（信号）供料A到位bool（输出）false4（信号）供料A原点bool（输出）false5（信号）是否装配料芯bool（输入）false6（信号）料芯库位int（输入）07（信号）供料B动作bool（输入）false8（信号）供料B复位bool（输入）false9（信号）供料B到位bool（输出）false10（信号）供料B原点bool（输出）false11（信号）挡料1动作bool（输入）false12（信号）挡料1复位bool（输入）false13（信号）挡料1到位bool（输出）false14（信号）挡料1原点bool（输出）false15（信号）挡料2动作bool（输入）false16（信号）挡料2复位bool（输入）false17（信号）挡料2到位bool（输出）false18（信号）挡料2原点bool（输出）false任务实施表8-4（3）序号（类型）名称数据类型（输入/输出）初始值19（信号）罐装大钢珠bool（输入）false20（信号）罐装小钢珠bool（输入）false21（信号）X轴正bool（输入）false22（信号）X轴负bool（输入）false23（信号）X轴实时位置double（输出）0.024（信号）Y轴正bool（输入）false25（信号）Y轴负bool（输入）false26（信号）Y轴实时位置double（输出）0.027（信号）供料A单元运行bool（输入）false28（信号）钢珠装填单元运行bool（输入）false29（信号）称重单元运行bool（输入）false30（信号）仓储单元运行bool（输入）false31（信号）供料A单元运行状态bool（输出）false32（信号）钢珠装填单元运行状态bool（输出）false33（信号）称重单元运行状态bool（输出）false34（信号）仓储单元运行状态bool（输出）false35（信号）称重值double（输出）0.0任务实施2）视需要创建信号适配器公式，在各机电对象参数和信号之间建立联系。在此，有多种实现方法，其中一种可参考图8-2。图8-2任务实施二、DLDS-532平台全流程的虚拟调试

（1）实战环境中的平台全流程MCD仿真调试

按照实际赛题任务要求的平台主要工序流程，建立并设置对应的仿真序列，如图8-3~图8-6所示，并通过在NXMCD仿真环境内调试与修改，确保仿真效果正确。图8-3图8-4图8-5图8-6

任务实施

（2）实战环境中的平台全流程软件在环虚拟调试1）导出上述已建立信号，在使用文档处理软件对所导出的.csv文件进行必要处理后，保持信号名称不变、数据类型匹配，在博途软件中创建对应的PLC变量，如图8-7所示。2）在博途软件中编写对应上述功能的虚拟HMI程序，添加所需的各类元素，如按钮、状态指示灯、文本域、IO域等，如图8-8所示，并对其进行合理设置。图8-7任务实施3）使用NXMCD、博途、PLCSIMAdvanced软件完成软件在环虚拟调试所需的外部信号配置与信号映射设置，如图8-9、图8-10所示。如果有虚拟HMI不直接控制或显示的信号（如某些起记录功能的信号），为了避免产生信号锁定问题，可在信号映射时注意不对其进行映射，或在博途软件中不创建对应信号的虚拟PLC变量。任务实施图8-9图8-10任务实施4）完成虚拟PLC程序下载与组态装载，启动虚拟HMI仿真，并单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。仿真开始后，切换到运行时察看器，按照赛题任务要求采取点动方式测试挡料1伸出/缩回、挡料2伸出/缩回、称重气缸顶升/复位、供料A推出/缩回、供料B推出/缩回动作的虚拟手动测试。接着，切换到博途软件弹出的虚拟HMI界面，通过与界面上的各个元素交互，按照赛题任务要求实现挡停料、加盖、三轴线性搬运水平控制等机构的虚拟手动调试，以及供料A单元、钢珠装填单元、称重搬运单元、仓储单元等的仿真自动运行调试。在以上调试过程中，注意观察MCD模型的运动及虚拟HMI中显示的内容是否符合赛题要求。完成调试后，按照赛题要求保存仿真模型、虚拟PLC调试程序、虚拟HMI调试程序。任务评价与拓展5任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分1部件虚拟点动测试（使用运行时察看器）采取点动方式实现挡料1的虚拟动作采取点动方式实现挡料2的虚拟动作采取点动方式实现称重气缸顶升的虚拟动作采取点动方式实现供料A推出的虚拟动作采取点动方式实现供料B推出的虚拟动作任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分2机构虚拟手动调试（使用虚拟HMI）单击“挡料1”按钮，小钢珠挡料机构伸出，对应的到位”信号指示灯点亮单击“挡料1”按钮，小钢珠挡料机构缩回，对应的“原点”信号指示灯点亮单击“挡料2”按钮，大钢珠挡料机构伸出，对应的“到位”信号指示灯点亮单击“挡料2”按钮，大钢珠挡料机构缩回，对应的“原点”信号指示灯点亮单击“供料B”按钮，推料气缸推出，对应的“动作到位”信号指示灯点亮单击“供料B"按钮，推料气缸缩回，对应的“原点到位”信号指示灯点亮任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分2（续）机构虚拟手动调试（使用虚拟HMI）单击“X轴正”按钮，搬运机构向X轴正方向运动，立置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化单击“X轴负”按钮，搬运机构向X轴负方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化单击“Y轴正”按钮，搬运机构向Y轴正方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化单击“Y轴负”按钮，搬运机构向Y轴负方向运动，位置数据实时变化，松开按钮则停止运动，位置数据不再实时变化任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分3单元仿真自动运行（使用虚拟HMI）通过操作虚拟HMI完成供料A单元模型仿真自动运行35通过操作虚拟HMI完成钢珠装填单元模型仿真自动运行通过操作虚拟HMI完成称重搬运单元模型仿真自动运行通过操作虚拟HMI完成仓储单元模型仿真自动运行任务评价与拓展1.“单元仿真自动运行”部分各工序衔接的优化实现

完善赛题“单元仿真自动运行”部分各工序之间的衔接，使得在虚拟仿真调试中，操作者可通过依次单击虚拟HMI中的“供料A单元运行”“钢珠装填单元运行”“称重单元运行”与“仓储单元运行”，使仿真开始时位于供料A模块井式料仓内的料盒瓶体依次通过转盘模块、