近年来，在党中央、***的坚强领导下，汽车行业以场景应用为牵引，以模式变革为探索方向，以质量效益提升为目标，加速形成新质生产力，推动智能制造取得长足进步，有效促进了行业高质量发展。为进一步助力汽车智能制造发展，中国汽车工程学会数字化与智能制造工作委员会联合汽车行业国家智能制造示范工厂，总结行业共性需求、技术路线和发展成效，提炼形成汽车行业智能制造典型场景指南,本期典型场景为虚拟条是及工艺验证。
场景概述
1.业务背景
传统的工艺验证与调试是指新车型或新产品在正式量产前对工艺方案和生产线的调试，用于验证工艺方案的设计合理性，验证生产线及装备的量产能力，对调试出的问题进行改善和优化，并再次调试直至满足量产条件。
2.痛点需求
当前汽车企业为抢占市场先机、力争将产品开发周期压缩至最短，作为量产前的关键环节，工艺验证与调试的传统方式却存在以下弊端：
（1）传统的工艺验证与调试至少需要三轮的实物验证与调试，而且三轮调试是串行，需要将前序的验证结果在后续的验证环节中进行修改完善，周期过长直接影响新车型或新产品投入市场的速度；
（2）每轮调试都需要全新的整车及零部件，造成了成本和时间上的浪费。
因此亟需采用虚拟调试及工艺验证场景的实施，来缩短新车型或新产品的调试时间，提高产品竞争力。
3.建设内容
虚拟调试及工艺验证场景是在物理生产线调试之前，把物理环境下的生产线调试过程转移到数字化环境中，使系统工程师或终端用户通过交互式三维可视化查看、调试、模拟仿真系统的运行情况。在没有物理设备或不具备条件的情况下，仿真生产线的运行情况并决策是否需要采取优化措施，缩短现场调试时间、降低更改工艺方案的风险。
4.实施步骤
根据生产线复杂程度，虚拟调试场景应用在零部件企业时，项目周期约为1-3个月；虚拟调试场景应用在整车企业时，项目周期约4-6个月。
虚拟调试场景实施方案包含前期准备、系统工程、跨学科同步工程、调试等四个步骤，主要步骤如图1所示。
图1 虚拟调试实施步骤
（1）前期准备阶段：制定项目策略、建立实施队伍及组织结构、确定项目实施范围和目标、制定总体项目计划、制定跨学科协同标准文档等工作。
（2）系统工程阶段：生产线设备功能、生产流程等需求分析，列出详细的需求规划文档。
（3）跨学科同步工程阶段：此阶段机械、电气、自动化等部门项目组成员在项目标准指导下协同工作。机械工程师进行生产线设计与布局、运动机构定义、基于时序和基于事件进行仿真验证等工作。电气/自动化工程师进行生产线逻辑控制编程、HMI设计、I/O信号、OPC通讯等工作。机器人仿真工程师进行机器人定义、机器人运动路径规划、机器人离线（OLP）、机器人信号设置等工作。
（4）调试阶段：在数字化环境中将真实物理设备替换为虚拟资源进行仿真验证，完成物理与虚拟映射的调试。
5.实施基础
虚拟调试技术是把物理环境下的调试过程转移到数字环境中，需要具备以下基础：
（1）软件基础：首先需要相应的工艺仿真、产线/工厂仿真工具的支持，同时需要工艺规划、工艺设计、工艺管理工具和PLM管理平台等的支撑。
（2）数据基础：需要具有设备功能需求、生产线功能需求等规划文档，生产设备、工装夹具、机器人、传送带、传感器等生产制造相关设备的三维数据，机器人程序、PLC程序、HMI控制程序等逻辑控制程序，生产工艺流程、物料流等工艺数据，OPC通讯、工业以太网现场总线等通讯数据。
（3）硬件基础：虚拟调试及工艺验证场景的核心是利用数字化的环境进行工艺仿真与验证，对硬件的需求较弱，具备基本的计算机工作站或者是分布式网络计算资源即可。
典型建设路径：武汉智装院实践案例
二二
武汉智能装备工业技术研究院有限公司是由武汉市人民政府和华中科技大学共同发起设立的高新技术企业。公司作为产学人才交流碰撞平台、技术成果转化经纪机构、创新创业技术供给基地、熟化研发能力服务载体，为高校、企业和政府提供中试熟化、转化孵化、培训实训、规划咨询等赋能服务。经营范围包括高端关键装备、半导体、电子设备、测试仪器、机器人、物料自动化系统、生产和销售等。
1.企业面临的痛点问题
（1）生产线设计方面：自动化生产线包含机器人、工装夹具、输送设备、PLC、变频器等现场硬件。传统的二维布局或三维布局，很难对生产线中设备的动态干涉、PLC控制逻辑、机器人程序、生产节拍等进行验证。
（2）生产工艺方面：传统工艺设计依赖人员经验，无法在设计阶段进行工艺方案验证，至少在试生产阶段才能发现工艺设计问题，造成返工返修成本浪费。
（3）生产线安装调试方面：自动化生产线安装调试是机械、电气、自动化多学科多专业的协同工作。没有经过虚拟调试直接进入现场安装调试需要周期长、成本高。
2.场景建设总体框架
虚拟调试环境分为软件在环（SIL）和硬件在环（HIL）两种方式。一般软件在环作为第一个阶段虚拟调试，该阶段只需一台高性能计算机，全部采用软件实现，不需PLC等相关硬件，也不受硬件的品牌和型号所限制。硬件在环作为第二个阶段拟调试，加入PLC、HMI等相关硬件，通过OPC等通讯协议组成虚拟调试系统。受加入虚拟调试系统中PLC、HMI等相关硬件的品牌和型号所限制，因此需要相关品牌PLC的编程和仿真软件配合。
图2 软件在环与硬件在环
3.软硬件解决方案
软件方面：本项目虚拟调试采取如图2所示的软件在环虚拟调试方案。具体来说，应用博图TIA创建生产线逻辑控制程序和HMI界面；应用SIMIT软件进行Simulation Unit组态和仿真耦合；应用PLCSIM Advanced创建虚拟PLC实现程序逻辑控制仿真；应用Process Simulate软件实现整个生产线的工艺仿真，虚拟调试系统如图3所示：
图3 虚拟调试架构图
硬件方面：虚拟调试及工艺验证场景实施所需硬件设备及系统包括：
（1）仿真图形工作站：用于虚拟调试3D场景运行和配置，具备较强图形处理能力，至少可支撑一套PLC工位的流畅运行，画面无延迟和顿卡。
（2）PLC编程计算机：PLC控制逻辑编写和调试，HMI画面制作。
（3）Simulation Unit 模块：用于模拟PLC硬件组态内的各硬件设备。
（4）HMI触摸屏：人机交互界面，画面需符合项目HMI画面制作要求。
4.业务流程
以汽车前舱总成焊接生产线的虚拟调试及工艺验证为例，虚拟调试及工艺验证流程如图4所示：
（1）数据输入
1）离线仿真数据：虚拟调试使用机器人离线状态数据，工位内零件显示正常、总成/分总成定义在同一车身坐标系内，工位内设备数模无缺失、设备机构和POSE定义按照企业规范完成，工位内无冗余数据。
2）电气数据：在虚拟调试开始前电气及设计人员需要提供工位IO符号列表（包含该PLC内所有夹具、机器人和中转台等设备）、EPLAN图纸、工位模拟组态、工艺设计数据（包括工艺流程，夹具气路图和传感器分布）等数据。
图4 虚拟调试流程
（2）数据环境搭建
1）机器人配置：在仿真软件PS环境中，编辑机器人信号、添加机器人离线编程指令等，完成机器人与其他设备之间的交互信号配置。机器人逻辑块（Logic Block，LB）及主程序建立，根据机器人品牌从企业标准库中调用相应的逻辑块。
2）传感器创建：根据工装或设备的结构及控制原理，在仿真模型的相应位置创建三维实体（传感器），并赋予传感器检测对象、检测范围等相应参数。
3）创建逻辑块(LB)：在仿真软件PS中添加输入、输出和运算公式等，创建逻辑块，给虚拟模型赋予逻辑，在仿真时，逻辑块会根据PLC的输出信号，依据运算公式进行参数计算，执行相应的仿真动作，并给PLC反馈信号。夹具机构定义的参数中写入正确的极限位置，夹具的姿态要根据虚拟调试标准规范进行定义，同时在内部变量参数（Parameters）和驱动功能(Actions)内也要相应的添加内部逻辑处理。
4）物料流创建：物料流表示生产过程中物料的流向，根据工艺和仿真需要，在操作之间添加物料流向。虚拟调试过程中零件激活并进入工位后，会按照物料流的走向在工位内运行，只有当物料流完成后零件才会流出工位。
（3）联调测试
1）虚拟调试工位内的安全信号需要进行测试，由PLC监控安全信号状态，PS内强制关闭或打开安全信号，观察地址是否正确。
2）虚拟调试平台内的传感器状态必须正确，地址与EPLAN一致。
3）PLC通过HMI或PLC程序手动控制工位各设备，观察其动作是否正确，设备的反馈信号变化是否正常。转台，BUFFER，滚床等特殊设备需要进行速度和方向切换功能测试。
4）虚拟调试平台切换至自动模式后，完全由PLC进行控制，完成整个工位的自动生产、空运行等。
5）工位内服务程序，电极帽更换程序，焊枪修磨程序在自动环境下可以被PLC正确调用。
6）虚拟调试人员应按照企业要求的虚拟调试检查清单内容对工位进行检查。
（4）输出物
虚拟调试完成后需提交完整的输出物，包括调试完毕的仿真数据和SPSS文件、包含了正确参数以及逻辑信号的机器人离线程序、经过测试后的 PLC 离线程序（其逻辑控制部分已达到完成状态）、工艺时序文件/Eplan/图纸、针对虚拟调试工位的工艺介绍及工位内各项功能的操作说明、经检查/验收后的会签清单等数据和文档。
5.实施成效
通过虚拟调试技术的应用，在汽车前舱总成焊接生产线物理对象（如设备、生产线）之前就在虚拟环境中进行设计、验证、优化、仿真、测试、维护与预测等应用，相对传统的工艺调试与验证环节，获得如下收益：
（1）通过项目前期的虚拟调试，发现该项目在前期工艺流程规划设计中潜在的一些问题，进而推进工艺流程优化与改进，减少50%以上的现场调试时间。
（2）将复杂的现场安装与调试集成于数字化模拟系统中，将项目周期缩短了20%-30%，最终实现高效的柔性生产，提高企业核心竞争力。
