工业数字孪生项目8任务2 DLDS-532平台全流程虚实联调实战

项目8DLDS-532平

台工业数字孪生实战任务2DLDS-532平台全流程虚实联调实战目录01任务说明02知识准备03任务实施04任务评价与拓展任务说明1任务说明

本任务将以2023年全国职业院校技能大赛“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、信号配置与虚实联调的全流程。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2知识准备1.赛题任务要求

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，参赛选手需要在完成“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之外，在“工业网络智能控制系统调试”的“系统联调”部分中，确保MCD模型与真实设备动作一致。其具体内容如下：知识准备

在完成单元模块手动、自动调试基础上，按照工艺系统设计，逐级实现前后单元模块的连接。在连接过程当中，应确认前一个单元模块输出信号、数据等是否正常，如果存在异常，需排除异常，再继续联调，直至完成所有单元模块的软、硬件连接，开始一个完整的产品生产周期的试运行。当系统能够平稳地完成一个生产周期工作时，系统的联合调试完成。以截图的方式保存第一次平稳完成一个生产周期的运行时间（以PLC的数据块数据为准）,文件名为“11第一次平稳完成一个生产周期的运行时间jpg”的图片文件必须存储到“E：GZ016+XS+赛位号\”文件夹下。提示：系统联调过程中，虚拟模型与真实设备动作一致。知识准备具体系统联调流程如下：1）通过RFID读写器向瓶体芯片写入初始订单数据，包括订单号、订单内容和入库仓位。瓶体RFID信息定义见表8-5。瓶体RFID信息定义：（存放4组数据）①订单号：

②小钢珠数量：

③大钢珠数量：

④入库仓位：表8-5知识准备2）瓶体由供料A推出后，开始下一工序。3）利用伺服搬运机械手将瓶体搬运至下一工序。4）传输带将瓶体运送至大钢珠挡料位置，根据定制的大钢珠数量进行装配；装配完成后，挡料机构缩回。5）传输带将瓶体运送到视觉检测位置，视觉系统检测瓶体有无黄色缺陷。有黄色缺陷的瓶体在触摸屏（HMI）上显示“不合格”，送至“废料滑槽”；无黄色缺陷的瓶体，在触摸屏（HMI）上显示“合格”，称重搬运机构将瓶体运送到称重位置。知识准备6）“合格”瓶体到达称重位置后，供料B将盒盖推出，装配机构完成盒盖与瓶体的装配，然后进行称重，再由三轴线性搬移装置抓取成品移动至RFID读写器位置，先读取芯片数据信息，再将瓶体RFID信息更新，见表8-6。更新完成后，三轴线性搬移装置将成品放置到指定的九宫格仓库位中，流程结束。瓶体RFID信息定义：（存放8组数据）①订单号：⑤装填大钢珠净重量：②小钢珠数量：⑥生产设备号：③大钢珠数量：⑦操作员：④入库仓位：⑧生产日期：表8-67）系统联调过程中，若触发安全光栅，系统暂停运行并进行声光报警。提示：系统联调评分开始前，由裁判预先指定入库仓位。知识准备2.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，由于需要完成“任务二：工业网络智能控制系统虚拟仿真与调试”，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。2）如果MCD模型中存在初始位置、状态与硬件设备不一致的机构，可由负责设备硬件装调的选手对硬件设备加以调整，或由负责MCD仿真的选手对仿真模型加以调整。应在操作实施前确认具体调整方案。知识准备3）仿真模型中对各机构的默认运行速度设置应与硬件设备的运行速度接近。4）按照赛题描述，“供料B将盒盖推出，装配机构完成盒盖与瓶体的装配”。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，在不影响赛题任务实现的情况下，不需要理会文字描述方面的矛盾。5）赛题文本未规定应装填钢珠的数量。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，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。在此，较为便利的一种做法是在钢珠灌装模块的钢珠料仓中生成足够多的大钢珠（数量可以在10个以上），这样一来，只要钢珠推料气缸推出与缩回的动作足够迅速，就不会影响钢珠灌装工序的完成效果。知识准备6）硬件设备在运行时，伺服搬运机械手模块中的X、Y轴伺服通常会同步运动。对此，应在赛前妥善商议，并确定伺服搬运机械手模块中X、Y轴伺服的运动方式，特别是当其同步运动时，是否还需要同步到达。而在竞赛实战中，当赛题要求与赛前商议方案矛盾时，应以赛题任务要求为优先。任务实施3任务实施一、DLDS-532平台全流程的虚实联调实现准备在NXMCD仿真环境中打开“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8-7），并为各类物料的对应刚体创建对象源。任务实施表8-7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大钢珠钢珠灌装模块大钢珠料仓最上方项目6任务23盒盖盒盖装配模块盒盖料仓上方项目7任务24料盒推料气缸料盒供料模块项目5任务15大钢珠挡料气缸传输模块项目6任务16大钢珠推料气缸钢珠灌装模块项目6任务27废料推料气缸检测分拣模块项目7任务18废料挡料气缸9合格品取料定位气缸10滑动气缸滑台搬运模块11伸缩气缸12称重气缸称重模块项目7任务213盒盖推料气缸盒盖装配模块14伸缩气缸15升降气缸16X轴伺服伺服搬运机械手模块项目7任务317Y轴伺服18升降气缸19伸缩气缸任务实施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8-8。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，除非赛题不要求创建对应传输面。任务实施表8-8（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）方块项目5任务1、32料盒瓶体（外侧表面）多个凸多面体3料盒瓶体（内侧表面）多个凸多面体4料盒瓶体（内侧拐角曲面）网格5料盒瓶体（上边缘）网格6大钢珠（外表面）球体项目6任务27盒盖（外表面）多个凸多面体项目7任务28料盒推料气缸（上表面、前侧表面）多个凸多面体项目5任务19井式料仓（底、侧内表面）多个凸多面体10井式料仓（料仓杆）圆柱体11转盘机构（内侧挡板）多个凸多面体项目5任务312一站传输带上表面凸多面体/方块13传输模块（内侧挡板）多个凸多面体项目6任务114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8-8（2）序号刚体对应实体或机构所属模块或所在位置参考任务15大钢珠料仓通孔（上、下）孔项目6任务216大钢珠推料气缸（上表面）网格/方块17大钢珠推料气缸（通孔）孔18大钢珠推料气缸下方承载板（上表面）网格/方块19大钢珠推料气缸下方承载板（通孔）孔20废料推料气缸（挡料推料表面）多个凸多面体项目7任务121废料挡料气缸（挡料表面）多个凸多面体22合格品取料定位气缸（挡料表面）多个凸多面体23废料滑槽（内侧表面）多个凸多面体24称重气缸（上表面）凸多面体项目7任务225称重位置承载面网格26称重模块其他各承载面多个凸多面体27称重模块各挡板（内侧表面）多个凸多面体28盒盖推料气缸（上表面、前侧表面）多个凸多面体29盒盖料仓（底、侧内表面）多个凸多面体30盒盖吸附位置（承载面、挡板内侧表面）多个凸多面体31RFID（承载面）凸多面体项目7任务332平面库位（承载面）多个凸多面体任务实施3）为MCD模型中的各运动机构，即料盒推料气缸、伺服搬运机构、升降气缸、大钢珠推料气缸、大钢珠挡料气缸、废料推料气缸、废料挡料气缸、合格品取料定位气缸、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、盒盖装配模块伸缩气缸、盒盖装配模块升降气缸（含吸盘）、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8-9。4）为各运动副与（二站、三站）传输带建立执行器（即位置控制或传输面）。5）为盒盖真空吸盘建立与设置吸盘，为取料盒夹具、滑台搬运模块夹爪与伺服搬运机械手建立与设置手指握爪。

任务实施表8-9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5.12伺服搬运机构YC轴5.23升降气缸（伺服搬运机构）-ZC轴4大钢珠挡料气缸铰链副XC轴6.15大钢珠推料气缸滑动副ZC轴6.26废料推料气缸XC轴7.17废料挡料气缸XC轴8合格品取料定位气缸XC轴9滑台搬运滑动气缸YC轴10滑台搬运伸缩气缸（滑台搬运滑动气缸）-XC轴11盒盖推料气缸YC轴7.212盒盖装配伸缩气缸XC轴13盒盖装配升降气缸（盒盖装配伸缩气缸）-ZC轴14称重气缸ZC轴15Y轴伺服-YC轴7.316X轴伺服（Y轴伺服）XC轴17三维线性搬运升降气缸（X轴伺服）-ZC轴18三维线性搬运伸缩气缸（三维线性搬运升降气缸）-YC轴序号连接体（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伺服搬运机构YC轴项目5任务23升降气缸（伺服搬运机构）-ZC轴4大钢珠挡料气缸铰链副XC轴项目6任务15大钢珠推料气缸滑动副ZC轴项目6任务26废料推料气缸XC轴项目7任务17废料挡料气缸XC轴8合格品取料定位气缸XC轴9滑台搬运滑动气缸YC轴10滑台搬运伸缩气缸（滑台搬运滑动气缸）-XC轴11盒盖推料气缸YC轴项目7任务212盒盖装配伸缩气缸XC轴13盒盖装配升降气缸（盒盖装配伸缩气缸）-ZC轴14称重气缸ZC轴15Y轴伺服-YC轴项目7任务316X轴伺服（Y轴伺服）XC轴17三维线性搬运升降气缸（X轴伺服）-ZC轴18三维线性搬运伸缩气缸（三维线性搬运升降气缸）-YC轴任务实施表8-9任务实施（2）PLC组态与程序编写及I/O变量表准备

在实体PLC与NXMCD仿真环境之间进行虚实联调的方式有多种。在MCD端，实现虚实联调的方法大致可以分为采用信号适配器公式/运行时表达式和采用仿真序列，考虑到通用性，在此采用使用信号适配器公式进行MCD模型运动控制、通过OPCUA通信协议实现模型与实体PLC间交互的实现方法。

系统联调流程主要涉及气缸控制、变频器启停、步进电动机控制和伺服电动机控制，其中气缸控制和变频器启停控制通过布尔类型变量传输，步进电动机控制和伺服电动机控制通过浮点数类型变量传输。在完成系统硬件联调后，通过对工程做相应设置，即可实现OPCUA通信，将PLC中相应的控制变量传递到MCD模型中，从而实现虚实联调。任务实施1）按照要求编写PLC组态与程序，并完善对应HMI的界面绘制。为保证外部信号配置与信号映射得以快速、顺畅完成，都需要按照给定“IO变量表”文件夹中的各变量表文件，确认PLC变量与其一致。2）在PLC程序编写完成后，将所用变量导出为I/O变量表备用。或者，可直接使用随教材提供的“IO变量表”文件夹中的各变量表文件，将其中对于硬件在环虚拟调试必要的各个变量编辑到一个专门新建的.xlsx文件中进行保存。无论采用以上哪种方式准备供NXMCD导入的IO变量表，都需要注意保持文档格式，即各列顺序、列名称不变。

任务实施3）由于DLDS-532平台中包含多个PLC，在编程过程中，设备控制变量分布于数据管理单元PLC、自动供料单元PLC智能分拣单元PLC和智能仓储单元PLC中，在此不对PLC程序的编写进行具体介绍。接下来，以数据管理单元PLC与NXMCD之间OPCUA通信的建立与设置为例进行介绍，其他单元的PLC配置方法与此类似。

打开数据管理单元PLC的属性，选择“OPCUA”下的“服务器”，勾选“访问服务器”中的“激活OPCUA服务器”选项，如图8-11所示。图8-11

任务实施

接着选择“运行系统许可证”下的“OPCUA”，在“购买的许可证类型”中选择和"所需的许可证类型"相同的许可证，本例中选择“SIMATICOPCUAS7-1500small”，如图8-12所示。图8-12

任务实施

右击项目名称，在弹出的快捷菜单中选择“属性”。在“属性”对话框的“保护”选项卡中，勾选“块编译时支持仿真”选项，如图8-13、图8-14所示。通过以上配置，即可完成需要在博途软件中进行的配置。接下来，需要在NXMCD仿真环境中创建或导入与PLC程序变量名称相同的信号，以驱动对应的机构。图8-13图8-14任务实施一、DLDS-532平台全流程的虚实联调实现（1）实战环境中的PLC信号导出与MCD信号导入和适配1）在MCD模型中将此前导出或创建的.xlsx文件中的各PLC变量导入为MCD模型信号，并根据实际赛题任务要求的运动控制需要，在其中添加各个机电对象参数，见表8-10。在竞赛实战中，为了节省时间，可只为虚实联调创建并使用一个信号适配器。任务实施序号（类型）对象对象类型参数1（机电对象参数）料盒推料气缸位置控制位置2（机电对象参数）伺服搬运机构3（机电对象参数）搬运机械手模块升降气缸4（机电对象参数）大钢珠挡料气缸5（机电对象参数）大钢珠推料气缸6（机电对象参数）废料推料气缸7（机电对象参数）废料挡料气缸8（机电对象参数）合格品取料定位气缸9（机电对象参数）滑台搬运滑动气缸10（机电对象参数）滑台搬运伸缩气缸11（机电对象参数）盒盖推料气缸12（机电对象参数）盒盖装配伸缩气缸13（机电对象参数）盒盖装配升降气缸14（机电对象参数）称重气缸15（机电对象参数）X轴伺服16（机电对象参数）Y轴伺服17（机电对象参数）三维线性搬运升降气缸18（机电对象参数）三维线性搬运伸缩气缸表8-10（1）任务实施表8-10（2）序号（类型）对象对象类型参数19（机电对象参数）取料盒夹具握爪抓握20（机电对象参数）释放21（机电对象参数）滑台搬运夹爪抓握22（机电对象参数）释放23（机电对象参数）盒盖真空吸盘抓握24（机电对象参数）释放25（机电对象参数）伺服搬运机械手抓握26（机电对象参数）释放27（机电对象参数）二站传输带传输面平行速度28（机电对象参数）三站传输带任务实施表8-10（3）序号（类型）名称数据类型（输入/输出）初始值1（信号）底盒推料气缸bool（输入）false2（信号）伺服当前位置double（输入）03（信号）取底盒升降气缸bool（输入）false4（信号）挡停气缸8mmbool（输入）false5（信号）推料气缸8mmbool（输入）false6（信号）挡停气缸10mmbool（输入）false7（信号）推料气缸10mmbool（输入）false8（信号）不合格推料气缸bool（输入）false9（信号）不合格挡料气缸bool（输入）false10（信号）取料挡料气缸bool（输入）false11（信号）滑台移动气缸bool（输入）false12（信号）滑台伸缩气缸bool（输入）false13（信号）盒盖推料气缸bool（输入）false任务实施表8-10（4）序号（类型）名称数据类型（输入/输出）初始值14（信号）取盖伸缩气缸bool（输入）false15（信号）取盖升降气缸bool（输入）false16（信号）称重抬升气缸bool（输入）false17（信号）X轴当前位置double（输入）018（信号）Y轴当前位置double（输入）019（信号）仓储伸缩气缸bool（输入）false20（信号）仓储升降气缸bool（输入）false21（信号）取料盒夹爪bool（输入）false22（信号）滑台夹爪气缸bool（输入）false23（信号）盒盖吸盘bool（输入）false24（信号）仓储夹爪控制bool（输入）false25（信号）变频正转bool（输入）false26（信号）变频反转bool（输入）false任务实施2）创建信号适配器公式，在信号适配器中的各机电对象参数和信号之间建立联系。可参考图8-15~图8-17所示做法。图8-15图8-16图8-17任务实施

（2）实战环境中的平台全流程硬件在环虚拟调试1）使用NXMCD与博途软件，通过OPCUA通信协议，完成平台全流程硬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8-18~图8-20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。

另外，应着重注意在通过OPCUA通信协议进行外部信号配置过程中勾选所需的PLC数据块变量时，如果在所需变量所在类别没有被展开时选择“全选”，则对应变量不会被成功选中。2）完成PLC系统联调程序下载与组态装载，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。开始调试后，注意观察MCD模型的运动是否符合赛题要求，并进行相应调试。完成调试后，按照赛题要求保存仿真模型、PLC调试程序、HMI调试程序。任务实施

（2）实战环境中的平台全流程硬件在环虚拟调试1）使用NXMCD与博途软件，通过OPCUA通信协议，完成平台全流程硬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8-18~图8-20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。图8-18图8-19图8-20任务评价与拓展4任务评价与拓展评价内容评价标准配分得分系统联调评分开始前，根据题目要求，通过单击触摸屏（HMI）中的“系统联调”按钮完成系统联调。若调试过程中未按赛题要求进行自动