基于AML 的分布式开放控制系统的虚拟调试技术研究

孙锐 樊留群

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

面对当今竞争激烈的市场环境和日益增加的定制化需求，制造企业必须尽可能缩短产品生命周期，提高生产系统柔性化水平，利用数字化工具进行模拟和仿真，以加速产品开发过程。基于数字孪生（Digital Twin，DT）技术，可以建立物理对象的数字化模型，以描述物理对象的实际行为，分析物理对象未来的发展趋势，实现对物理对象的仿真优化[1]。

为了加快调试过程，降低调试成本，尽早发现设计中存在的缺陷，降低研发中存在的风险，可以在研发的早期阶段，并行开发产品的机械结构设计、电气系统设计和控制系统设计，构建虚拟生产系统，并在仿真环境中进行调试[2]。这种基于数字孪生的虚拟仿真技术被称为虚拟调试（Vitual Construction，VC）。

随着美国工业互联网、德国工业4.0 及中国制造2025 等国家层面制造业发展战略的提出，智能制造已经成为全球制造业发展的共同趋势与目标，DT 成为解决智能制造信息物理融合难题和践行智能制造理念与目标的关键使能技术[3]。虚拟调试作为DT 技术的工业应用，正逐渐成为国内外技术人员研究的焦点。

1 VC 概述

VC 分为现实在环（Reality in the Loop，RIL）、硬件在环（Hardware in the Loop，HIL）和软件在环（Software in the Loop，SIL）3 种类型。RIL 连接虚拟可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）/ 分散控制系统（Distributed Control System，DCS）和实际工厂设备以调试控制程序。HIL 和SIL则是在对系统的部分或整体进行建模的基础上，将控制逻辑分别下载到与之相连接的物理PLC/DCS 和虚拟PLC/DCS 中。通过这些下载的控制逻辑控制虚拟系统，在虚拟环境中模拟系统的行为。这3 种VC 方法旨在解决各种场景的不同问题[4]。

国外厂商基于各自的集成开发环境提供了VC 解决方案。西门子公司Tecnomatix 旗下的产品工艺设计与工艺模拟（Process Designer &Process Simulate，PDPS）软件系统和NX MCD 软件系统都能够与西门子TIA Portal 软件平台协同，对自动化设备和生产线中常见的自动化行为进行3D 建模、仿真和虚拟调试。Visual Components 公司开发的软件通过VC 提高制造运营效率，利用PLC 和机器人控制器进行设计仿真和验证，以实现对过程性能的精确控制。Emulate 3D公司开发的Demo3D 仿真软件在物流系统虚拟调试中融入摩擦力、重力、阻力、惯性等物理特性。达索的3D EXPERIENCE 平台将设计、仿真、分析工具（如CATIA、DELMIA、SIMULIA 等）、协同环境、产品数据管理、社区协作以及大数据技术等产品整合到一个平台上实现VC。

随着VC 技术的不断发展，其已经在国内外制造业生产过程中得到广泛应用。DAMMACCO 等在VC中融入虚拟现实（Virtual Reality，VR），提供了电动车轴生产线VC 的实际工业用例[5]。WANG 等运用VC 技术模拟了数控机床加工过程[6]。郑魁敬等在机器人磨削系统中应用VC 技术，验证了机器人自动化生产系统VC 方案的有效性[7]。李娟莉等研究了智慧矿山中液压支架群跟机行为工艺VC 关键技术[8]。金愔等将VC 应用于智能物流中的分拣系统，实现对件箱分拣系统的提前验证与测试[9]。

在智能制造大规模推广和应用的当下，现有VC架构在处理复杂生产系统时存在局限性。国际电工委员会提出的分布式工业过程测量与控制系统新标准IEC 61499 和一种独立于供应商的、开放的、基于可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）的、可扩展的免费工程软件——自动化标记语言（Automation Markup Language，AML），为VC 架构的创新提供了支撑[10]。基于AML 的分布式开放控制系统VC 架构实现了多源异构数据的交换和集成、软硬件解耦设计、一体化系统部署以及分布式运行协作，大大节省VC 系统开发、部署与调试所需时间。

2 基于AML 的分布式开放控制系统VC 架构设计

基于AML 的分布式开放控制系统VC 的基本架构如图1 所示，它主要采用4 项技术和软件。

图1 基于AML 的分布式开放控制虚拟调试系统架构

2.1 AML

在AML 中，可以将生产系统分为产品、过程和资源3 部分进行建模，实现产品和生产系统全生命周期的管理。通过AML 建模，不仅能够存储分布式开放控制VC 系统的逻辑信息和模型信息，还可以更直观地检查VC 系统的运行情况。

以智能仓储单元为例说明生产系统的AML 建模过程。从产品角度来看，智能仓储单元包含原料和成品。从过程角度来看，智能仓储单元包含原料入库、原料出库、成品入库以及成品入库4 个工作流程。从资源角度来看，智能仓储单元包含接驳台、机器人、滚筒输送线和立体库。为此，可以运用PPR 方法对该系统进行AML 建模。其中，产品、过程和资源三者的内部元素通过PPRConnector 接口，以Internal Link 的形式连接。智能仓储单元的模型信息通过COLLADA Interface 存储，逻辑信息通过Logic Interface 存储。

2.2 VC 平台

课题的VC 平台搭建于Unity。Unity 作为一种强大的图形引擎和模拟平台，可以应用于模型运动学仿真场景，在VC 中具有广泛的运用。通过读取AML模型中的模型信息，可以在Unity 环境中搭建VC 的孪生工厂。该孪生工厂不仅能够准确模拟实际物体的运动，还能够通过传感器数据实时反馈虚拟设备的运行状态，使工程师及时调整和优化VC 系统。

2.3 IEC 61499

为了使系统功能的实现不依赖于特定的软硬件，并且能够实现分布式的控制逻辑，PLCopen 组织对IEC 61131-3 进行补充和扩展，并在2005 年发布了IEC 61499。IEC 61499 标准相对于IEC 61131-3 具有更高的灵活性和适应性，在集成开发环境下，不仅可以运用现有的IEC 61131-3 标准，还可以集成各种高级语言编写的功能块，如C/C++、Java、Python 等。智能仓储单元机器人功能块如图2 所示。

图2 智能仓储单元机器人功能块

与IEC 61131-3 功能块不同，IEC 61499 功能块区分了事件和数据。其中，事件位于功能块顶部，数据位于底部，事件和数据的输入位于左侧，输出位于右侧，每个事件输入/输出通过线和小方块连接到一个或多个数据输入/输出。功能块的行为取决于内部事件执行控制图表（Execution Control Chart，ECC），功能块提供的功能取决于内部算法。机器人功能块管脚如表1 所示。

表1 机器人功能块管脚

2.4 OPC UA

在生产系统中往往存在来自不同制造商的产品，由于数据来源广泛，传输协议不同，容易形成信息孤岛。面向过程控制的OLE 统一架构（OLE for Process Control Unified Architecture，OPC UA）为连接工业4.0组件提供了一个通用的信息模型，它采用服务器-客户端模式实现数据通信，通过客户端和服务器之间建立连接，统一不同层级设备或者系统的传输协议和数据接口，实现生产系统中的数据互通。在VC 中，OPC UA 能够在数据传输中有效地实现数据的互联互融，实现虚拟生产系统多设备的协同仿真。课题中的OPC UA 客户端部署在Unity，服务器位于基于IEC 61499 标准的开源软件4DIAC 中。

3 某智能制造生产线VC 应用案例

3.1 某智能制造生产线介绍

在该智能制造生产线中，共有2 个智能仓储单元、2 个智能预装单元、2 个智能总成单元、2 个智能调整单元以及1 个智能打印单元。课题将生产单元分别单独创建于基于IEC 61499 标准的功能块并实例化，根据实际生产线中的生产关系建立连接，从而确保功能块网络与系统布局图对应。设计范式如图3 所示。

图3 某智能制造生产线设计范式

3.2 智能仓储单元介绍

以智能制造生产线中的智能仓储单元原料入库和原料出库流程为例，介绍如何基于AML 的分布式开放控制系统实现VC。智能仓储单元主要由接驳台（原材料接驳台和成品接驳台）、机器人、滚筒输送线以及立体库等设备组成，其虚拟模型如图4 所示，原料入库和出库流程如图5 所示。

图4 智能仓储单元虚拟模型

通过机器人在直线导轨上移动和搬运，实现物料的全自动入库和出库，显著提高了仓储的操作效率，降低了仓储的人力成本。

3.3 智能仓储单元控制系统

通过分析智能仓储单元工作流程，可以在4DIAC中编写对应功能块网络，并通过OPC UA 传输逻辑信息，对Unity 环境中的智能仓储单元模型进行虚拟调试。将Unity 的OPC UA 客户端连接到从AML 模型中读取的OPC UA 服务器地址，并绑定虚拟模型的蓝图节点与逻辑变量，即可实现智能仓储单元分布式控制目标。智能仓储单元功能块网络如图6 所示。

图6 智能仓储单元功能块网络

分布式开放控制VC 系统能够确保功能块网络与系统布局图一一对应。与传统PLC 的VC 系统相比，运用分布式控制技术的VC 系统有助于工程师快速定位代码，简化设备功能升级过程。在设备功能升级时，仅需更新模块类型，而无须修改接口，提高了系统的维护效率。课题将提出的分布式开放控制VC 系统应用于智能仓储单元，部分调试过程如图7 所示。

4 结语

文章研究了基于AML 的分布式开放控制系统VC的体系架构和实现方法，对该智能制造生产线进行AML 建模，并基于IEC 61499 标准实现了智能制造生产线的VC，为实现基于AML 的自动化生产系统分布式VC 奠定了基础。在智能制造大规模推广和应用的情况下，相信基于该架构的VC 有着更广阔的前景。