摘要：引文格式：遆海龙,李玮,王建超,等.基于数字孪生的普洱茶智能产线上料设备的虚拟调试系统设计[J].安徽农业科学,2025,53(17):206-213.

单位：西南林业大学机械与交通学院

简介：遆海龙，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：机电一体化。*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事机电一体化、智能制造研究。

基金项目：云南省重大科技专项计划项目（202402AE090027）;国家自然科学基金项目（524650231006957）。

来源：《安徽农业科学》2025年17期

引文格式：遆海龙,李玮,王建超,等.基于数字孪生的普洱茶智能产线上料设备的虚拟调试系统设计[J].安徽农业科学,2025,53(17):206-213.

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OSID开放科学计划

普洱茶源于山茶科山茶属，在中国云南经济发展中占据重要地位。普洱茶作为中国茶文化的重要组成部分，其产业在自动化控制和生产方面的需求日益增长。在普洱茶产业发展受到全球关注的背景下，其生产过程中的自动化和智能化升级显得尤为重要。普洱茶产线设备在实际调试过程中，会出现环境复杂、耗时、成本高昂等问题，且由于设备运动时惯性较大，若发生碰撞等情况，容易引发危险事故。这种调试方法不仅效率低、成本高，还会严重干扰生产节拍，进而影响整个普洱茶智能产线的加工效率。

随着工业4.0持续深入推进，智能制造技术迎来了快速发展，数字化在制造业中正发挥着日益关键且多维度的作用。其中数字孪生技术的出现为加工生产线迈向智能化开辟了崭新路径。数字孪生技术是融合物理与信息世界的有效方式，在工业产线中，通过虚实之间的双向连接传输，使得虚拟模型模拟实体的运动状态，从而让加工生产线更加智能化。在数字孪生技术的应用进程中，虚拟调试已然成为产品开发阶段的核心关键技术。通过虚拟调试，可以在物理设备实际安装之前，在虚拟环境中模拟设备的运行，从而更早地发现编程错误和逻辑问题等潜在风险，此外，整体调试环节所需的时间可以显著缩短。目前在工业的产线虚拟调试方面主要使用NX MCD、Process Simulate、PQFactory等软件来实现，通过这些软件进行产品开发与调试，关键在于实现各平台之间数据的通信与集成。基于以上平台进行虚拟仿真调试的应用非常广泛。

数字孪生技术在数字工业、农业中得到了大量应用。笔者提出了基于普洱茶智能产线上料设备为研究平台，将数字孪生技术应用到该产线中，进行虚拟设备的调试，通过TIA Portal和RobotStudio的逻辑控制与通信，在NX MCD中模拟设备的真实动作，实现设备在虚拟环境中的调试和优化，从而实现真实设备的高效调试和性能优化。

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虚拟调试整体设计

1.1 工作原理

该普洱茶智能生产线上料设备是一个集成计算机、电气系统、工控网络的自动化设备。普洱茶智能产线上料设备的结构组成图，包括提升机送料机构、振动送料机构、振动盘茶叶余量检测、茶叶容积定量检测、料筒托盘转换机构、机器臂送料工位，如图1所示。提升机送料机构、振动送料机构、振动盘茶叶余量检测、茶叶容积定量检测、料筒托盘转换机构由PLC集中控制，工业机器人、夹爪由机械臂控制器控制，通过PLC与机械臂控制器的协同控制，完成整个上料设备的工作流程。该上料设备工作流程为：首先将茶叶放入提升机送料机构并提升至出料口进入振动送料机构，当振动盘茶叶余量检测传感器检测到振动盘中的茶叶量等于或大于设定值时，提升机送料停止工作；再由振动送料机构将茶叶振散进入料筒中，当料筒茶叶达到茶叶容积定量检测设定值时，由料筒托盘转换机构转换至取料位，当压制设备的料斗需要上料时，最后由机器人夹取料筒进行送料，送完料后放回料筒，退至等待位，等待下一次夹取上料。具体的普洱茶上料设备的工作流程如图2所示。

图1 普洱茶智能产线上料设备结构组成

图2 普洱茶上料设备工作流程

该上料设备工作流程涉及多工位、多学科协同运作，任一环节出错都可能影响生产效率与产品质量。由于该设备结构与流程复杂，在实际物理设备上进行调试，成本高、周期长，且可能因操作失误造成设备损坏。因此，为提高调试效率、降低成本与风险，实现基于数字孪生技术的虚拟调试就显得尤为必要，它能在虚拟环境模拟设备运行，提前发现并解决潜在问题，提高在真实设备调试的效率。

该研究基于NX MCD模型，结合软件在环虚拟调试技术，实现普洱茶产线上料设备的虚拟调试整体方案。该方案基于NX MCD、TIA Protal、RobotStudio、S7-PLICSIM平台和数据传输组件（NetToPlcsim、KEPServerEX等）实现。具体为：在NX建立上料机构的三维模型。模型建立完成后，进入NX机电概念设计，设置各机电对象所需的仿真参数（运动副约束设置、位置控制、信号配置等）。在TIA Protal中编写PLC控制程序，由S7-PLICSIM对S7-1200系列的PLC模拟仿真。利用OPC DA通信协议进行PLC与MCD的输入、输出信号的交互。在RobotStudio中建立工作站，编写机械臂程序，设置夹爪机构、信号配置，通过Snap7通信协议实现和TIA Protal的通信。在程序任务中编写TCP Socket通信脚本代码，通过TCP协议连接NX MCD的中机械臂的模型，将RobotStudio中机械臂的运动数据实时传输MCD，实现机械臂运动的同步仿真。通过HMI人机界面仿真后，发送指令，最终在NX MCD中实现整体虚拟调试运动效果。上述方案即为该普洱茶智能产线上料设备的整体虚拟调试方案，整体流程如图 3所示。

图3 虚拟调试方案整体流程

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数字孪生模型构建

2.1 数字化模型构建

普洱茶智能产线上料设备涉及机、电、气多学科融合的自动化设备，其内部结构依据功能的不同被划分成多个独立的工位，各个工位相互协作，共同完成高效上料。为提高虚拟模型与真实设备的同步性与准确性，该设备在NX MCD中构建数字化模型来模拟真实产线的设备模型，对模型设置信号通过采集监控运动数据来优化各上料模块，提高上料效率，为真实设备的搭建与调试提供数据分析。

数字化模型的构建是虚拟调试能否顺利完成的重要基础。该研究中的普洱茶智能产线上料设备的数字化模型是在NX MCD中构建的。NX MCD是Siemens NX软件中的一个重要模块，通过NX MCD可以实现虚拟工艺调试，缩短设备开发周期，减少设备打样成本，满足柔性生产需求。

首先，要完成对普洱茶智能产线上料设备的物理几何模型的构建，包括上料设备各工位的尺寸、各工位之间的配合关系、设备的定位位置与其他加工设备的联系等，如图1所示。在几何模型的基础上，定义各工位模型的机电对象，将所需机电对象设置刚体、碰撞体、运动副、碰撞传感器、传输面、速度控制、位置控制等物理属性，如图4所示，设置机械臂和其夹爪的各部件物理属性。将机械臂6个轴设置为刚体，根据机械臂6个轴运动参数设置运动副（Base为固定副，Link1~6为铰链副）并定义其上下限，对铰链副设置位置控制，使机械臂可以设定的速度完成指定轨迹。对其夹爪设置刚体和碰撞体，对爪子设置固定副将其固定在机械臂轴6上，设置滑动副和位置控制来控制夹爪的开合，由此完成对机械臂及其夹爪数字化模型的构建，其余工位同理设置。完成对设备数字化模型的构建后，将数字化模型中的各模块的运动副位置控制配置信号，如表1所示。通过信号映射后，接收控制程序中的控制信号，实现程序控制物理模型模拟完整上料动作。至此，在NX MCD中完成对普洱茶智能产线上料设备的数字化模型的构建。

图4 机械臂及其夹爪数字化模型的构建流程

2.2 多维度数字孪生模型的构建

该上料设备的孪生体模型是要在虚拟数字空间中反映出物理设备的几何形状、物理属性、运动行为等特征，因此，为了将虚拟模型全面、真实地映射出现实物理设备的实际情况，该上料设备需要从多维度来构建数字孪生模型。

该上料设备的数字孪生模型分别从几何、物理、行为、规则4个维度来刻画物理对象的几何特征、物理特性、行为耦合关系、演化规则。数字孪生体模型多维度的构建流程如图5所示。

图5 数字孪生模型多维度的构建流程

通过构建四维数字孪生体模型（物理模型、几何模型、行为模型、规则模型），可以全面解决普洱茶上料设备设计、运行和优化中的关键问题：几何模型提供精确的外观和结构设计基础，确保机构尺寸和空间布局合理;物理模型通过动力学、材料特性和环境约束的描述，支持性能预测、力学分析和故障预警;行为模型通过模拟任务执行和对运行数据的监测，实现动作控制、路径优化和实时控制;规则模型通过实时预测、环境交互和运动约束，确保系统运行的安全性和稳定性。这4个模型协同作用，可用于提升设计效率、优化运行性能、降低能耗和故障率，并为设备升级和远程诊断提供数据支持，实现普洱茶上料过程的智能化、精准化和高效化。

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虚拟调试通信技术实现

在普洱茶智能生产线中，设备来自不同厂家，所配置的设备也具有不同的控制系统，不同控制系统间的数据采集、处理、交互会直接影响产线设备的联系和效率。因此，构建不同控制系统间的通信，实现逻辑化数据整合交互处理尤为重要。为解决上述问题，该研究通过采用3个软件（NX MCD、RobotStudio、TIA Protal)之间相互通信方式，来构建普洱茶智能产线上料设备的总体通信框架。如图6所示，TIA Protal中编写的PLC程序和NX MCD中的物理模型（部分模块）的信号传递是通过OPC DA通信来完成；RobotStudio中的机械臂模块和NX MCD机械臂模块的数据通信是基于TCP Socket协议实现；通过配置Snap7协议中的RSConnectDIOToSnap7组件完成TIA Protal中的PLC信号和RobotStudio中的机械臂信号的通信。该研究上料设备中的虚拟调试通信技术是通过OPC DA、TCP Socket和RSConnectDIOToSnap7这3种通信协议的构建来实现的。

图6 总体通信框架

3.1 OPC DA通信的构建

OPC DA（OLE for Process Control-Data Access）是在工业自动化领域广泛使用的通信标准协议，用于在自动化和控制系统中实现不同软件应用程序和硬件设备之间的数据交换，主要提供实时数据的读写访问，使不同供应商的系统能够高效通信，方便数据共享和集成。在该上料设备的虚拟仿真调试中，OPC DA是实现NX MCD与PLC程序（如西门子S7-1200）之间的数据交互。通过OPC DA技术可以实现PLC程序精准控制NX MCD中模型的动作，实现部分模块的虚拟仿真。具体流程如图7所示，在TIA Protal中设置以太网IP地址，在KEPServerEX（数据传输软件）中创建项目和所需输入/输出的数据，并将地址设置为与PLC的IP地址相同网段，设置NX MCD内部信号和信号适配器，将NX MCD与PLC信号映射完成后。使用S7-PLCSIM进行PLC程序的虚拟仿真，在Net To PLCSIM中设置一个PLC与KEPServerEX连接的双向通道，即完成了OPC DA通道的建立。

图7 OPC DA通道的构建流程

OPC DA创建完成后，在HMI人机交互界面发送指令改变TIA Protal中PLC信号的状态值，通过建立的Net To PLCSIM连接通道传输到KEPServerEX中建立的PLC信号上，经NX MCD中的信号映射到NX MCD中建立的信号上，NX MCD的输出信号则是由相反的方式传输到PLC中，实现数据双向传输。

3.2 TCP Socket协议的构建

TCP Socket（传输控制协议套接字）是一种基于TCP（Transmission Control Protocol）协议的网络编程接口，它提供了一种在不同主机之间进行可靠的、面向连接的通信方式。简单来说，Socket就像是一个通信端点，在网络通信中扮演着重要的角色，而TCP Socket是使用TCP协议来进行通信的这种端点。在普洱茶智能产线上料设备的虚拟调试中，该研究将NX MCD作为TCP的客户端，RobotStudio充当TCP服务器，通过TCP Socket协议进行与NX MCD的连接。在服务器端构建的TCP Socket协议主要工作为在RobotStudio创建程序块并写入Socket通信代码，Socket通信代码的通信流程如图8所示。

图8 Socket代码通信流程

服务器端构建完成后，还需构建客户端中的通信协议来实现RobotStudio与NX MCD的通信。在NX MCD中构建信号适配器和外部信号配置后进行信号映射，将RobotStudio中机械臂轴1~轴6的数据和输入/输出的信号通过TCP连接发送至NX MCD中，如图9所示。以上完成RobotStudio和NX MCD之间TCP Socket协议的构建。

图9 MCD机械臂信号配置及映射

在RobotStudio中改变机械臂的位置，通过TCP Socket协议，实现RobotStudio的机械臂实时向NX MCD的机械臂传输1~6轴位置数据。将NX MCD中机械臂信号适配器添加到查看器中可以看出能与RobotStudio的机械臂实现同步运动，如图10所示。

图10 机械臂数据实时传输

3.3 RSConnectDIOToSnap7的配置

在RobotStudio中，Smart组件对创建机器人及其他模型工作运行的运动仿真效果起到关键作用，该设备所使用的是Smart组件中的数字量通信组件RSConnectDIOToSnap7。RSConnectDIOToSnap7是一种基于Snap7协议的通信方式，这种通信方式主要用于在RobotStudio软件环境下，将机器人的数字量输入输出（DIO）信号与西门子PLC进行连接通信。具体来说Snap7协议允许上位机（这里的RobotStudio可以看作上位机软件的一种应用场景）通过以太网接口与西门子PLC进行高效的数据交换，包括读取和写入PLC的输入输出寄存器、数据块等操作。而RSConnectDIOToSnap7则是在这个基础上，专门用于DIO信号间的通信配置，实现机器人和PLC之间诸如传感器信号（数字量输入）和控制信号（数字量输出）的交互。如图11所示，该研究在RobotStudio中构建机器人中的DIO信号，通过配置RSConnectDIOToSnap7组件，写入需要连接的PLC地址，将PLC中所需交互的信号编辑在内并进行工作站逻辑的设计，将需要交互的信号进行连接映射，点击Connect后即可完成PLC信号与RobotStudio信号间通信的构建。通过PLC和RobotStudio通信，即可实现PLC控制的模块和机械臂控制模块的先后逻辑控制，从而严格控制上料的节拍。

图11 RSConnectDIOToSnap7的配置和工作站逻辑设计

上述3种通信技术构建完成后，就完成了整个通信框架的搭建，可以对整个控制程序和虚拟仿真调试进行测试和验证。

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虚拟调试的测试和验证

根据该研究虚拟调试整体设计，将虚拟调试为程序部分的调试结合孪生体模型的调试验证。通过程序开发和仿真，能验证整个上料动作的执行逻辑是否正确，结合孪生体模型的调试则能有效验证上料设备整体设计的合理性，能否契合压制设备的生产节拍。

4.1 程序开发及仿真

基于普洱茶智能产线加工设备的上料需求及上述上料设备工作原理的上料逻辑，该上料设备的逻辑控制程序为在TIA Protal中编写PLC的逻辑控制程序，在RobotStudio中编写Rapid程序。该上料设备中的PLC控制程序包含提升送料模块、振动送料模块、茶叶定量模块、料筒转换模块、机械臂取、放料启动模块的控制，通过各模块之间的逻辑运动关系和对传感器信号判断来控制程序中各运动模块的状态。在RobotStudio中编写的机械臂程序主要是由PLC发出的取、放料启动信号输出到机械臂后，机械臂会按照Rapid程序中的放料路径和顺序执行取、放料的动作，夹爪程序则来控制夹取和松开料筒。如图12所示，以机械臂的取、放料控制为例，机械臂等待PLC发出启动信号后，PLC会进行对上料条件判断，满足上料条件则将信号传输到机械臂程序中，机械臂送料程序启动上料。反之。不满足上料条件，则会在准备点等待。

图12 机械臂取、放料程序

如图13所示，通过对取、送料程序的开发和仿真模拟验证，实现了机械臂取、放料的流程，能有效契合压制设备的生产节拍。

图13 机械臂送料工位取、放料流程

4.2 虚实调试验证

将上述的模型构建、数据通信、信号映射、程序控制等一系列准备工作完成后，为验证该研究的虚拟模型与程序控制的可行性与准确性，对该研究的虚拟模型与实物模型进行调试验证。虚拟调试流程：首先将TIA Protal中的PLC程序通过S7-PLCSIM仿真运行，其次运行KEPServerEX和Net To PLCSIM中设置的连接通道，通过OPC DA与NX MCD通信，接着运行RobotStudio中的TCP Socket通信代码与NX MCD通信，最后使用组件RSConnectDIOToSnap7完成与PLC通信。点击启动按钮，PLC程序将启动信号发送到RobotStudio中，机械臂启动到达准备点（图14a），并向PLC发送到位信号，当满足上料条件时，机械臂运动到夹桶点（图14b）进行夹取上料，将料筒中的茶叶送至压制设备的料斗后，放回料筒退至准备点，等待下一次上料。通过以上步骤即完成整个普洱茶智能产线上料设备的虚拟调试过程。实际设备调试则将PLC程序下载至真实PLC中，将机械臂程序导入机械臂控制箱，连接机器人控制箱端口和PLC端口，将程序转至在线，进行初始化过后，将机械臂控制箱和PLC程序模式切到自动，点击启动即可开始工作。

图14 虚实调试效果对比

通过对比虚拟调试与实际设备的调试（图14），可以得出在NX MCD中的机械臂与RobotStudio和实物设备上机械臂的动作能实现精准的同步运动，且稳定性较高。

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结语

该研究以普洱茶智能产线上料设备为研究对象，提出一种基于数字孪生的虚拟调试方案。通过在NX MCD中构建数字孪生模型，在TIA Protal和RobotStudio中编写控制程序并利用OPC DA通信协议完成PLC和NX MCD的数据交互，构建TCP Socket协议，使RobotStudio和NX MCD能实时高效地传输数据，配置RSConnectDIOToSnap7组件，完成RobotStudio和PLC的信号交互，最终在NX MCD中实现整个方案的软件在环虚拟仿真调试。相较于传统产线设备的仿真调试，该方案减少了调试成本、危险系数低、在虚拟调试中发现问题并优化，能有效提高真实设备的调试效率。通过对比真实设备调试效果，得出该方案的可行性，可为多平台联合虚拟调试提供参考价值。

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来源：安徽农业科学