梁生龍，李軍利，趙新寬

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東珠海 519090）

0 引言

《中國制造2025》明確提出，要加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，進(jìn)一步引領(lǐng)制造業(yè)向“智能化”、“數(shù)字化”轉(zhuǎn)型升級。構(gòu)建數(shù)字化智能工廠將成為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要突破口，而數(shù)字化工廠的精髓就在于車間和設(shè)備的遠(yuǎn)程三維可視化智能監(jiān)控[1]。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在可視化監(jiān)控方面進(jìn)行了大量研究，吳鵬興等[1]探索了基于數(shù)字孿生的離散制造車間可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控方法；梁生龍等[2]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控平面磨床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平面磨床遠(yuǎn)程監(jiān)控的大數(shù)據(jù)看板；周成、孫敏等[3-4]提出一種基于數(shù)字孿生的車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，并介紹了系統(tǒng)開發(fā)流程；張入元[5]介紹了一種基于數(shù)字孿生的總裝對接在線監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了總裝對接過程的全方位的數(shù)據(jù)采集和可視化監(jiān)控；杜瑩瑩[6]提出了一種基于數(shù)字孿生的工業(yè)機(jī)器人三維實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)機(jī)器人的透明、實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控；黃海松等[7]對數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了綜述性研究；姜珊等[8-12]進(jìn)行了基于NX_MCD 的機(jī)電概念設(shè)計(jì)、虛擬調(diào)試、虛擬驗(yàn)證協(xié)同的研究；張南等[13]提出基于數(shù)字孿生的車間生產(chǎn)過程監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)作業(yè)過程的三維虛擬可視化及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互。

綜上所述，大部分的研究是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對車間或設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究，或是基于數(shù)字孿生的本地虛實(shí)協(xié)同研究，未能將物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程三維可視化智能監(jiān)控。本文提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程虛實(shí)同步監(jiān)控系統(tǒng)，以典型機(jī)電運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)滑臺(tái)為例，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將步進(jìn)滑臺(tái)的控制器PLC接入云平臺(tái)，很好地實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過NX-MCD 設(shè)計(jì)了步進(jìn)滑臺(tái)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，利用OPC通信將步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體機(jī)的物理信號與MCD 中數(shù)字孿生體的虛擬信號進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程虛實(shí)通訊及同步運(yùn)動(dòng)，既可以利用移動(dòng)電話、平板、計(jì)算機(jī)等智能終端遠(yuǎn)程登錄云平臺(tái)監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行大數(shù)據(jù)看板，也可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上打開MCD 數(shù)字孿生體進(jìn)行三維可視化虛實(shí)同步監(jiān)控，大大提高了步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可視化、智能化和數(shù)字化水平，通過在教育領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，可以滿足線上“云實(shí)訓(xùn)”，取得了較好的應(yīng)用效果，相關(guān)技術(shù)也可以為智能制造工程領(lǐng)域中遠(yuǎn)程三維可視化監(jiān)控提供一定的參考。

1 步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

步進(jìn)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，主要包括步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、彈性聯(lián)軸器、絲杠螺母副、滑臺(tái)、控制器PLC 及傳感器等組成，常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線中。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程虛實(shí)同步，需要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是需要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行工業(yè)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控；另外一個(gè)問題是需要利用數(shù)字孿生技術(shù)建立步進(jìn)滑臺(tái)數(shù)字孿生體，并通過OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)物理信號和虛擬信號的遠(yuǎn)程虛實(shí)通信。遠(yuǎn)程虛實(shí)同步監(jiān)控模型如圖1 所示，主要包括遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)看板監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字孿生三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（遠(yuǎn)程工控機(jī)）、現(xiàn)場監(jiān)控終端（PLC等）組成[2]。

圖1 遠(yuǎn)程虛實(shí)同步監(jiān)控模型

1.1 步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程虛實(shí)同步的總體架構(gòu)

步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程虛實(shí)同步系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示，主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)三部分組成。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括三菱PLC、原點(diǎn)開關(guān)、行程限位開關(guān)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括FX3U-485BD 通信板、GRM530 遠(yuǎn)程工控模塊和網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)主要包括數(shù)字孿生三維模型、MCD機(jī)電概念設(shè)計(jì)和OPC DA 通信?，F(xiàn)場使用FX3U-48MT 作為步進(jìn)滑臺(tái)的主控制器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，利用雙絞線將遠(yuǎn)程工控模塊的COM 口與PLC 的RS485 通信板進(jìn)行連接，如圖3 所示，連接成功后即可利用RS485 串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工控機(jī)（主站）和PLC（從站）的通信和數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程工控模塊主動(dòng)采集PLC的運(yùn)行數(shù)據(jù)后再通過4 G、5 G、WiFi 或有線網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云儲(chǔ)存和管理。利用任意可以連接網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)電話、平板等智能終端即可隨時(shí)隨地進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)視[2]，當(dāng)遠(yuǎn)程工控端收到上位機(jī)發(fā)出的控制指令后，遠(yuǎn)程工控機(jī)也可將其通過RS485 傳送至PLC 控制器，PLC 及時(shí)響應(yīng)控制指令完成步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。利用西門子NX-MCD 軟件按照步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體機(jī)1∶1 比例進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過OPC-DA 協(xié)議將步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體設(shè)備的物理信號與MCD 數(shù)字孿生體的虛擬信號進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛實(shí)通訊及遠(yuǎn)程虛實(shí)同步運(yùn)動(dòng)。

圖2 步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程虛實(shí)同步系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 遠(yuǎn)程模塊與FX3U-485BD接線圖

1.2 遠(yuǎn)程工控機(jī)與PLC的通信設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程工控機(jī)包含2 個(gè)RS485 端口和一個(gè)RS232 接口，內(nèi)置多種主、從通訊協(xié)議，可連接人機(jī)界面（HMI）、可編程控制器（PLC）、智能模塊、板卡、智能儀表、智能傳感器，變頻器等多種設(shè)備，最大可支持多達(dá)2 000 點(diǎn)的通訊變量。三菱PLC 包含RS-232、RS-485、RS-422 接口，支持三菱專用協(xié)議、N:N 協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議等串口通訊協(xié)議。本文中主要利用遠(yuǎn)程工控機(jī)的RS485 端口和三菱PLC 的RS-485 通信板實(shí)現(xiàn)串口通信，三菱PLC作為從站，遠(yuǎn)程工控機(jī)作為主站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸包含遠(yuǎn)程工控機(jī)讀取PLC運(yùn)行數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC。要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，需要在網(wǎng)絡(luò)層配置一個(gè)云平臺(tái)，遠(yuǎn)程工控機(jī)通過4G、5G、WiFi、有線網(wǎng)絡(luò)向云平臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)，移動(dòng)電話App、網(wǎng)頁端、OPC 服務(wù)器等各種應(yīng)用就可以直接在云平臺(tái)中做數(shù)據(jù)監(jiān)控和轉(zhuǎn)發(fā)。PLC端和遠(yuǎn)程工控端的具體通信參數(shù)配置如表1 所示，三菱PLC 通訊參數(shù)中的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位、奇偶校驗(yàn)與遠(yuǎn)程工控機(jī)的通訊設(shè)備編輯器中必須保持一致，參數(shù)配置完成后工控機(jī)和PLC均需要斷電重啟方可生效。

表1 PLC端與遠(yuǎn)程工控端通信參數(shù)配置

遠(yuǎn)程工控機(jī)接收到PLC實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)打包上傳到網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)對數(shù)據(jù)報(bào)文按照專用協(xié)議進(jìn)行解析后，提供給移動(dòng)電話App，WEB 網(wǎng)頁監(jiān)控，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、OPC 服務(wù)器等需要使用數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用層。當(dāng)移動(dòng)電話、平板、計(jì)算機(jī)等智能終端向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，云平臺(tái)可以將接收到的數(shù)據(jù)照專用協(xié)議解析，解析后再發(fā)送到遠(yuǎn)程工控機(jī)，遠(yuǎn)程工控機(jī)再通過RS485 串口通訊發(fā)送到現(xiàn)場主控制器PLC 中。在進(jìn)行遠(yuǎn)程工控機(jī)通訊配置時(shí)，需要在配置軟件中選擇實(shí)際使用的遠(yuǎn)程工控機(jī)對應(yīng)型號，設(shè)置合適的通訊協(xié)議、加載實(shí)際使用的IO 設(shè)備、建立相關(guān)數(shù)據(jù)詞典并與從站PLC 寄存器地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后將開發(fā)完成的工程項(xiàng)目通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)下載到遠(yuǎn)程工控機(jī)模塊及網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)[2]。

1.3 步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

利用GX Works2完成步進(jìn)滑臺(tái)的現(xiàn)場控制程序，利用遠(yuǎn)程工控軟件GRMDev5 完成遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)，在程序設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)首先要將開發(fā)計(jì)算機(jī)的IP 設(shè)置成和遠(yuǎn)程工控模塊同一個(gè)網(wǎng)段，如安裝工控軟件計(jì)算機(jī)的IP為192.168.1.235，遠(yuǎn)程工控的IP為192.168.1.240。遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計(jì)主要包括通訊協(xié)議選擇、通訊參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)詞典的建立、數(shù)據(jù)詞典與現(xiàn)場PLC寄存器的關(guān)聯(lián)、短信、微信、電話自動(dòng)報(bào)警等復(fù)雜遠(yuǎn)程監(jiān)控策略的設(shè)置等。步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控部分?jǐn)?shù)據(jù)詞典如表2 所示，設(shè)備運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)程工控機(jī)會(huì)主動(dòng)和通訊口上連接的PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，循環(huán)采集定義好的所有變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程讀寫。在工程配置完成后可以本地通過LAN 口直接下載到遠(yuǎn)程模塊中，也可以通過將遠(yuǎn)程模塊連接至云服務(wù)器，直接將配置好的工程提交至云平臺(tái)。在遠(yuǎn)程模塊程序設(shè)計(jì)完成后，可以遠(yuǎn)程管理和維護(hù)步進(jìn)滑臺(tái)的程序，輕松實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)程序的遠(yuǎn)程編寫、修改、上傳、下載等功能，應(yīng)用在教育領(lǐng)域的線上教學(xué)中可以非常方便的開展“云實(shí)訓(xùn)”，在工業(yè)應(yīng)用中也可以實(shí)現(xiàn)“云監(jiān)控”和“云維護(hù)”，可以解決疫情下無法及時(shí)到現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備維護(hù)的問題。

表2 步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控部分?jǐn)?shù)據(jù)詞典

1.4 步進(jìn)滑臺(tái)云端遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)可視化的人機(jī)交互，需要利用Web-GUIDev 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)適合網(wǎng)頁和移動(dòng)電話App 打開的遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面，設(shè)計(jì)完成后可通過移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、平板等智能終端隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程打開云監(jiān)控畫面。畫面開發(fā)內(nèi)容主要包括創(chuàng)建適合WEB 瀏覽器或App 等智能終端的人機(jī)交互畫面、添加數(shù)碼管、指示燈、基本按鈕、棒狀填充、風(fēng)扇等控件并進(jìn)行專用屬性設(shè)置及關(guān)聯(lián)遠(yuǎn)程工控機(jī)數(shù)據(jù)詞典等。步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面如圖4 所示，只要能夠連接上網(wǎng)絡(luò)，就可以利用移動(dòng)電話、平板、計(jì)算機(jī)等遠(yuǎn)程智能終端遠(yuǎn)程登錄監(jiān)控App 或WEB 網(wǎng)頁即可進(jìn)入步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控畫面，工程技術(shù)人員便可遠(yuǎn)程對步進(jìn)滑臺(tái)進(jìn)行左移、右移、回原點(diǎn)、報(bào)警等點(diǎn)動(dòng)操作，設(shè)置好相關(guān)運(yùn)行參數(shù)后可以進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)、停止等操作，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)、步進(jìn)滑臺(tái)的實(shí)時(shí)位移、速度、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、警示燈等。當(dāng)發(fā)生超行程或超速故障后對應(yīng)的警示燈和聲音會(huì)及時(shí)報(bào)警，若在遠(yuǎn)程工控機(jī)配置了相關(guān)報(bào)警策略，也可以通過短信、微信、電話等多種方式將故障情況遠(yuǎn)程及時(shí)發(fā)送給工作人員，保證了工作人員在故障發(fā)生的第一時(shí)間收到故障報(bào)警信號，并及時(shí)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了“云值守”，大大提高了步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化水平。

圖4 步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面

2 步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程虛實(shí)同步設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字孿生設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念，最早在2003 年由Grieves 教授首次提出，其本質(zhì)是物理實(shí)體在虛擬空間的精準(zhǔn)映射模型，并貫穿產(chǎn)品的全生命周期過程，從構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制造、測試、仿真、調(diào)試、運(yùn)維、管理等所有的工藝流程[3-4]。數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)是制造業(yè)數(shù)字化的核心技術(shù)，其關(guān)鍵在于建模、仿真和調(diào)試，能通過信號的虛實(shí)映射，完成數(shù)字化模型與實(shí)體設(shè)備的同步運(yùn)動(dòng)，是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段[5-8]。本文中主要是借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體機(jī)與虛擬模型的遠(yuǎn)程虛實(shí)同步運(yùn)動(dòng)。

在進(jìn)行步進(jìn)滑臺(tái)的數(shù)字孿生虛擬設(shè)計(jì)時(shí)，首先利用UG 等三維軟件對步進(jìn)滑臺(tái)按照真實(shí)設(shè)備1∶1 比例進(jìn)行三維數(shù)字建模，如圖5所示，然后將數(shù)字孿生三維模型導(dǎo)入NX-MCD 進(jìn)行機(jī)電概念設(shè)計(jì)，添加步進(jìn)滑臺(tái)虛擬數(shù)字模型對應(yīng)的物理和電氣屬性[9]。根據(jù)步進(jìn)滑臺(tái)的動(dòng)作要求，在NX-MCD 中首先要將聯(lián)軸器、滑臺(tái)、絲杠定義為剛體，為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器和絲杠的同步旋轉(zhuǎn)、滑臺(tái)的移動(dòng)動(dòng)畫效果，需要添加固定副、鉸鏈副、滑動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)副和約束，其中聯(lián)軸器和絲杠添加為固定副，聯(lián)軸器和絲杠分別添加鉸鏈副，步進(jìn)滑臺(tái)需要添加滑動(dòng)副。為了實(shí)現(xiàn)黃、綠、紅警示燈及傳感器顯示燈的動(dòng)畫效果，需要添加顯示更改器，利用顯示更改器中可見性屬性控制顯示效果。為了實(shí)現(xiàn)絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和滑臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)效果，需要在NX-MCD中添加兩個(gè)位置控制，添加原點(diǎn)、正限位、負(fù)限位3 個(gè)碰撞傳感器，最后根據(jù)步進(jìn)滑臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能添加NX-MCD 內(nèi)部控制信號和反饋信號，并在信號適配器中添加位置控制的運(yùn)行參數(shù)和編寫對應(yīng)公式。如要對絲杠、滑臺(tái)的位置進(jìn)行控制，就需要添加別名為“滑臺(tái)位置”，單位為mm，數(shù)據(jù)類型為double的的運(yùn)行參數(shù)，添加名稱為“D0 脈沖值”控制信號，并利用公式對控制信號“D0 脈沖值”和參數(shù)“滑臺(tái)位置”進(jìn)行指派，其中步進(jìn)電機(jī)參數(shù)為1 000 p/r，絲杠螺距為5 mm，“D0 脈沖值”信號實(shí)時(shí)映射的是步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，那么“滑臺(tái)位置”的指派公式為：D0 脈沖值/1 000×5 mm，絲杠的旋轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)角度指派公式為：D0脈沖值/1 000×360°。

圖5 步進(jìn)滑臺(tái)數(shù)字孿生體與實(shí)體機(jī)

2.2 步進(jìn)滑臺(tái)數(shù)字孿生體的虛實(shí)信號交互

基于孿生數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)映射是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)滑臺(tái)虛實(shí)同步可視化監(jiān)控的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)NX-MCD 中的步進(jìn)滑臺(tái)數(shù)字孿生模型與真實(shí)設(shè)備的信號實(shí)時(shí)傳輸，需要先在NX-MCD 信號適配器中定義控制信號和反饋信號，控制信號主要是控制步進(jìn)滑臺(tái)運(yùn)行參數(shù)的信號，可以接收物理設(shè)備的輸出信號，反饋信號主要是反映步進(jìn)滑臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)的信號，可以反饋給物理設(shè)備的輸入信號，然后再通過OPC 將NX-MCD 定義好的虛擬信號與外部物理信號進(jìn)行實(shí)時(shí)映射[10-11]。NX-MCD 內(nèi)部集成有OPC 客戶端，支持OPCDA、OPCUA、SHM、MATLAB、PLCSIM.Adv、TCP、UDP、PROFINET、FMU 及自定義等多種通信方式，如果是與本地的三菱PLC 控制器進(jìn)行信號交互，可以選擇連接MXOPC 服務(wù)器進(jìn)行連接，如果是與本地西門子1200PLC 控制器進(jìn)行信號交互可選擇通過KEPServerEX6 服務(wù)器進(jìn)行連接，如果是與本地西門子1500PLC 進(jìn)行信號交互可直接選擇PLC 自帶的OPC UA 進(jìn)行連接，如果是與異地遠(yuǎn)程PLC 進(jìn)行信號交互，需要連接遠(yuǎn)程工控機(jī)的OPC服務(wù)器，本文中步進(jìn)滑臺(tái)虛實(shí)信號交互選擇與遠(yuǎn)程OPC Server進(jìn)行連接，遠(yuǎn)程OPC 服務(wù)器正常啟動(dòng)運(yùn)行后如圖6 所示。在MCD 外部信號映射中選擇外部OPC DA 服務(wù)器，將MCD 信號與外部遠(yuǎn)程服務(wù)器的信號進(jìn)行自動(dòng)映射，通過遠(yuǎn)程OPC 通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)信號交互原理如圖7所示[12-14]，虛實(shí)信號交互成功后，可以用實(shí)際設(shè)備的輸出信號控制NX-MCD 中的數(shù)字孿生模型進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試和遠(yuǎn)程虛實(shí)同步，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛實(shí)同步三維可視化監(jiān)控。

圖6 遠(yuǎn)程OPC服務(wù)器狀態(tài)

圖7 虛實(shí)信號交互原理

3 平臺(tái)驗(yàn)證與應(yīng)用

步進(jìn)滑臺(tái)的硬件和軟件程序開發(fā)完成后開始進(jìn)行測試，首先將步進(jìn)滑臺(tái)通電，計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)并啟動(dòng)遠(yuǎn)程工控機(jī)的OPC服務(wù)器，在NX-MCD 中打開步進(jìn)滑臺(tái)的數(shù)字孿生體并啟動(dòng)運(yùn)行，利用連接網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、平板登錄App或網(wǎng)頁打開步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程云監(jiān)控畫面進(jìn)行測試，測試現(xiàn)場如圖8 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過人機(jī)交互畫面的按鈕發(fā)出控制指令后，步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體機(jī)和虛擬數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程虛實(shí)同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過人機(jī)交互畫面也能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視步進(jìn)滑臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警情況，在NX-MCD 的數(shù)字孿生體中也能夠360°無死角直觀地監(jiān)視步進(jìn)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過MCD 中的運(yùn)行時(shí)查看器也能實(shí)時(shí)查看具體的物理參數(shù)和信號數(shù)據(jù)。在新冠疫情停課不停學(xué)期間，利用步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程同步系統(tǒng)開展了線上教學(xué)試驗(yàn)，學(xué)生通過登錄遠(yuǎn)程云監(jiān)控畫面對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并通過視頻直播觀看實(shí)體機(jī)和數(shù)字孿生體的動(dòng)作效果，也可以把編寫好的程序遠(yuǎn)程下載到步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體機(jī)或數(shù)字孿生體中進(jìn)行程序驗(yàn)證和調(diào)試，取得了較好的效果。

圖8 虛實(shí)同步現(xiàn)場測試

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程虛實(shí)同步方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控程序和監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、平板等智能終端利用網(wǎng)頁或App 對步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控、運(yùn)維，遠(yuǎn)程修改設(shè)備參數(shù)、遠(yuǎn)程上下載程序等，利用NX-MCD 完成了步進(jìn)滑臺(tái)數(shù)字孿生體虛擬場景的搭建，實(shí)現(xiàn)了物理層和虛擬層之間數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)映射，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程虛實(shí)同步，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字孿生虛擬環(huán)境中對步進(jìn)滑臺(tái)進(jìn)行全方位無死角實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大提高了步進(jìn)滑臺(tái)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控水平。相關(guān)技術(shù)既可以應(yīng)用在教育領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備的三維可視化監(jiān)控工程技術(shù)領(lǐng)域。經(jīng)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程虛實(shí)同步設(shè)備在教育領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了較好的效果，借助步進(jìn)滑臺(tái)數(shù)字孿生體遠(yuǎn)程虛實(shí)同步系統(tǒng)，學(xué)生可以利用移動(dòng)電話等智能終端對步進(jìn)滑臺(tái)的數(shù)字孿生體和實(shí)物進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，360°無死角感受步進(jìn)滑臺(tái)的工作原理和機(jī)制，無需真實(shí)設(shè)備就可以在自己計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多次無風(fēng)險(xiǎn)程序調(diào)試，程序虛擬調(diào)試無誤后還可以遠(yuǎn)程下載到步進(jìn)滑臺(tái)實(shí)體機(jī)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，方便開展線上“云實(shí)訓(xùn)”，正好可以解決新冠疫情下遠(yuǎn)程教學(xué)學(xué)生無法到校使用學(xué)校實(shí)體設(shè)備的問題，教學(xué)再不受設(shè)備、場地的約束，提高了教學(xué)的便捷性。步進(jìn)滑臺(tái)遠(yuǎn)程虛實(shí)同步監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)也可以為智能制造工程領(lǐng)域中遠(yuǎn)程三維可視化監(jiān)控提供一定的參考。