自动化产线调试虚拟仿真是未来智能制造领域的技术趋势，虚拟调试技术实现了虚拟环境和现实世界的连接。通过虚拟调试技术我们可以将仿真软件环境下的虚拟产线或工位与现实世界的PLC控制器连接称为硬件在环，或者与虚拟PLC控制器连接称为软件在环。之后使用真实的PLC程序控制虚拟产线的运行，从而验证自动化产线的控制逻辑，实现对PLC程序的验证及优化。帮助我们在物理产线制造安装完成之前对产线运行状态进行精确的评价和调整，大幅缩短物理产线调试时间，减少产线更改费用，加速产品投放市场。
在虚拟调试应用后，在现场实训的学生，可以在数字环境下进行机器人轨迹和控制程序的验证，不仅大大缩短了现场的实训周期，而且将现场的风险降到最低，为学校节省了制造成本。
数字化生产线训调试与仿真软件是一套全面的数字化制造解决方案组合。在计算机上模拟整个生产过程，包括机器人和自动化设备、PLC、变频器、电机等单元，可以在仿真模型预演的基础之上，进行分析、评估、验证，迅速的发现产线运行中的问题和有待改进之处，并及时进行调整和优化，进行虚拟系统验证、虚拟样机、碰撞检测、计划优化、产线虚拟调试等场景，减少实体产品系统的更改与返工次数，从而有效减低成本、缩短工期、提高效率。
数字化产线的核心技术就是数字孪生。数字孪生指的是以数字化方式在虚拟的空间呈现物理对象，即以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟其在现实环境中的行为特征，它是一个应用于整个产品生命周期的数据、模型及分析工具的集成系统，可以帮助企业实现全流程可视化、规划细节、规避问题、闭合环路、优化系统。同时数字孪生模型更加强调物理世界和虚拟世界的链接作用，从而做到虚拟世界和真实世界的统一，实现生产和设计之间的闭环。无需进行样品制造，在产品的设计阶段就可模拟出产品及其性能和制造流程，以此来优化产品的设计质量和制造流程，优化生产管理和资源规划，达到产品开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。
（1）现有设计实训室分析
机电工程学院可开设《机械制造技术》、《电气控制系统设计、安装与调试》、《液压与气动技术》、《自动控制原理》、《机械原理》、《编程调试》、《工业机器人应用》、《自动化生产线安装与调试》、《智能控制系统与工程》等课程的相关实训项目。学院配置焊接设备进行焊接实训，该生产线建设投资大，占用场地大、焊件焊材消耗快，清洁成本高，导致实训成本较高。且焊接生产线但真实生产线建设投资大，调试维护工作量大，数量有限，无法满足班级人数的同时实训需求，学生基础较薄弱，在不熟悉操作过程的基础上，一旦上机操作，危险系数较高。因此急需在真实生产线实训之前，在一个软件环境里模拟一硬件系统的操作与实训要领，实现虚拟世界到真实世界的无缝转化，以期越早发现问题，降低生产线实训风险，提高教学实训效率。在工作过程中，由于焊接技术、焊接设备等原因，容易出现火灾、爆炸、气体中毒、弧光辐射等危险情况，对实训学生造成不同程度的皮肤、呼吸、噪声以及辐射等方面的危害。“成本高、危险性、看不到、进不去”等因素将会直接影响到学生的实训结果，导致培训效果不尽理想。
（2）建设自动化产线调试虚拟仿真实训中心
1）建设思路
图19自动化产线调试虚拟仿真示例
自动化产线调试虚拟仿真实训中心是数字化双胞胎技术与虚拟调试技术在产线设计过程中的一个典型应用，通过虚拟计算机模型和实物设备模型的交互，配合VR展示手段，提高产线设计的效率和质量。
自动化产线调试虚拟仿真实训中心需要达到以下目的：
①通过采用全面完整的数字化技术支持产线设计全过程；
②管理产线设计的数据、交付和知识，提供协作和重用的平台；
③研究特定行业、领域当中、或涉及特定设备的产线设计技术。
自动化产线调试虚拟仿真实训中心能支持和改善如下的实训内容
①通过产品和工艺驱动设计：基于集成协同的数据环境下，研究和管理产品的制造工艺，关联并驱动产线设计；
②产线设计：基于模型库，能够快速部署设备等三维模型，三维环境下设计的产线能够为后续所用（调试、仿真优化、验证），而不是仅仅为了展示；
③自动化设计：自动化设计能够生成可执行代码，并在后续的调试及运行中使用；
④虚拟调试：能提供集成环境实现机电一体化联合设计调试，能够连接PLC和HMI做联调，缩短产线调试周期。
2）建设目标
①建设规模
计划购置数字化生产线虚拟调试与仿真软件60套，工作站虚拟调试仿真软件60套，共60个工位；构建智能工厂双胞胎虚拟调试仿真实训室。
计划购置智能制造虚拟调试与生产管控实训系统10套，共60个工位；构建虚拟调试与生产管控实训室。
②面向专业及课程
自动化产线调试虚拟仿真实训中心面向智能制造专业群。面向机械制造技术》、《电气控制系统设计、安装与调试》、《液压与气动技术》、《自动控制原理》、《机械原理》、《编程调试》、《工业机器人应用》、《自动化生产线安装与调试》、《智能控制系统与工程》等课程。
③实现理实一体化的教学模式，充分运用现代化教学手段，构建理论、实践相融合的教学课堂，使学生既动手又动脑，实现理论与实践的融会贯通，知识与技能的同步养成。
④提升专业的社会服务能力，不仅可以为校内学生提供基本技能实训场所，而且能承担培训、技能鉴定与技术服务等功能，扩大了学校的对外交流窗口，提升了社会服务能力。
3）功能介绍
①数字化生产线虚拟调试与仿真软件
数字化生产线虚拟调试与仿真软件是全面的数字化制造解决方案组合，可进行数字化生产线的设计与仿真，能够帮助用户对制造，以及将创新构思和原材料转化为实际产品的流程进行数字化改造。借助数字化生产线虚拟调试与仿真软件，用户能够在产品工程、制造工程、生产与服务运营之间实现同步，从而最大限度地提高总体生产效率，并实现创新。
数字化生产线虚拟调试与仿真软件产品组合都建立在开放式体系架构基础之上，从而使制造的解决方案可以与任何产品数据管理(PDM)系统集成。这种灵活性不但可以转化成更加经济高效的部署，而且可以为与其他关键企业系统的集成提供灵活性。
图20 数字化生产线虚拟调试与仿真示例
软件具有零件规划与验证、装配规划与验证、机器人与自动化规划、工厂设计与优化、质量管理、生产管理、制造流程管理、制造知识管理等功能。
②工作站虚拟调试仿真软件
工作站虚拟调试仿真软件适用于机电一体化产品的概念设计。借助该软件，可对包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行3D建模、仿真、虚拟调试等。虚拟调试模块支持功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。可加快涉及机械、电气和软件设计学科的产品的开发速度，使这些学科能够同时工作。可实现创新性的设计技术，帮助机械设计人员满足日益提高的要求，不断提高机械的生产效率、缩短设计周期和降低成本。
图21 工作站虚拟调试仿真软件的应用
工作站虚拟调试仿真软件提供易于使用的建模和仿真，具备机电气液控制系统模型的设计功能。可在开发周期的最初阶段迅速创建并验证备选概念，帮助检测并纠正错误。虚拟调试模块中的仿真技术可以基于数字化模型将实际物理行为引入虚拟环境，借助优化的现实环境建模，只需几步即可迅速定义机械概念和所需的机械行为，对一系列行为进行仿真，包括运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
软件提供液压系统、气动系统、凸轮传动、常用机电控制模型、马达驱动，等各类控制系统库，具备开放的建库能力及高级元件二次开发功能，能够根据客户的实际需求，由工程师自己定制开发所需要的专业元件库。
图22工作站虚拟调试仿真软件建模仿真示例
通过软件的虚拟调试模块可实现虚拟调试，能与PLC和伺服器硬件实时仿真联动，虚实结合，软硬结合，推动教育数字化转型，引领教育新理念，创造教育新环境，实现沉浸式教学体验，丰富教学场景，提高教学效率，减少教具损耗，增强教育安全性。
图23 虚拟调试示例
工作站虚拟调试仿真软件能与三维设计软件、机电一体化设计软件、机构运动学和动力学分析软件、有限元结构分析软件等集成，与其设计的对象模型进行实时仿真联动；可与ABB RobotStudio、KEBA KeStudio、西门子PLCSIM Advanced等仿真软件配合应用，实现设备的虚拟调试与仿真，提升学生对工业机器人、PLC、数控等控制器的编程及实操能力。
图25 工作站虚拟调试仿真软件与ABB RobotStudio离线编程仿真软件配合应用示例
图26 工作站虚拟调试仿真软件与KEBA KeStudio离线编程仿真软件配合应用示例
工作站虚拟调试仿真软件可以提供完整的机电一体化解决方案，对于降低工程成本、减少实物样机数量效果明显，在虚拟环境中快速评估机械概念，增强了机械、电子和自动化设计师的协作，并结合物理环境实现虚拟仿真与调试，有效缩减开发时间，从而提高企业竞争力。
③智能制造虚拟调试与生产管控实训系统
智能制造虚拟调试与生产管控实训系统由四个独立的平台模块构成，基本包含了工业上常用的PLC控制、工业机器人控制，数控机床控制和MES生产管理等。其四个模块依次为：
PLC虚拟调试平台
机器人虚拟调试平台
数控系统虚拟调试平台
智能制造系统生产管控平台
图27 智能制造虚拟调试与生产管控实训系统示例
智能制造虚拟调试与生产管控实训系统是集数字化设计、机电概念设计和虚拟调试等先进技术于一体的多功能教学、实训和考核设备。该系统主要由PLC电气控制系统、工业机器人系统、数控系统和虚拟仿真系统组成。系统基于可视化技术开发，能够实现智能制造场景的虚拟化，具备智能制造虚拟场景、机器人、数控系统、MES系统和PLC的真实数据交互功能。智能制造虚拟调试与生产管控实训系统具有多种形式，采用TCP/IP协议采集工业机器人数据、OPC UA协议采集PLC数据，通过数据驱动新模型，实现工业机器人、PLC、HMI的虚拟调试，以及智能制造系统综合应用的虚拟调试。
4）预期成效
在学校和院系领导的支持下，我们将本着以学生为本，以能力为先，科学细致地安排实验教学内容，高效地进行实验室建设、运行和管理，力争将该中心建设成国内领先的虚拟仿真实训中心。建设期满后，预期成效如下：
①一套完善的实践教学计划。该计划含”一个基础、四个能力”的实践教学子计划及其课程体系和项目库，要求能够全面覆盖青岛工程职业学院机电工程学院学生能力培养中的实践教学环节的要求。
②力争形成一套科学有效的实践能力评估和质量保障机制。该机制包括能力指标体系、显式化指标评估和考察方法以及持续的过程跟踪监督。
③先进、完备的教学实验平台。该平台将由基础实验部分、综合实验部分、专门课程实验部分、工业项目实验部分、综合能力提高及自由开发部分构成，能从实验实验项目、实验器材、环境等方面全面支持实验教学计划的实施。
④一支优秀的实验教学团队。该教学团队具有合理的年龄结构、学历结构和学缘结构，任务分工明确，教学研究和实验水平高，年均发表一定数量和质量的教学论文，申请若干知识产权保护。
⑤开放的虚拟仿真中心教学管理体制。在实验中心先进的云管理平台上，实现实验项目的个性化安排，实验过程的全时段弹性实施；实现实验内容和实验成果的网络化、视频化共享，实现实验室日常管理的信息化、网络化。
⑥高质量的教学水平和示范/辐射作用。在校内学科融合以及校外扩大影响等多个环节产生重要示范和辐射作用：稳步提高全校虚拟仿真课程的建设和教学质量；适时扩大和校内其它学科的深度融合；加大和兄弟院校虚拟仿真中心的交流并形成影响力；持续扩大和国内外知名企业的合作，产生积极社会影响。
5）虚实结合
产线虚拟调试的程序导出，传输至机器人的控制系中，进行自动化控制。
图28 自动化产线控制虚实结合
