生產線機電設計中的虛機實電檢驗方法

卓 攀，吳恩啟，杜寶江，徐 沙，李曉甜

ZHUO Pan，WU En-qi，DU Bao-jiang，XU Sha，LI Xiao-tian

（上海理工大學 虛擬制造技術研究院，上海 200093）

0 引言

自動生產線的設計是制造型企業生產規劃的重要環節，其合理性將直接影響到投產后產品質量、生產效率和經濟效益。常用的生產線設計主要依靠經驗和類比性設計圖紙來實施，經常出現建成后反復修改調整的問題。主要涉及到：1)自動線上的機械設備、輔助裝置、物流和工具等的運行匹配不合理；2)自動化控制系統程序設計與生產工藝節拍等匹配性不合理[1]。而這些問題在設計圖紙上難以反映出來，需要等到機械設備安裝后上線測試或投產時才能發現全部的問題。通常控制系統構建快，容易調整，而機械設備部分安裝調試周期長，后期難以更改。

因此本文提出了應用虛機實電的生產線設計方法，即在設計階段，將機械部分用三維虛擬方式表達，而控制部分使用實物電氣設備，實現實際工藝流程測試，及時發現機械設備、工藝流程和控制程序的不合理問題[2]，反復修改測試，最終完成設計并投產，使設計周期、效能大為改善。本文將針對虛機實電方法在自動化生產線中的應用進行介紹。

圖1 虛機實電生產線構建和運行結構圖

1 虛機實電生產線設計總述

虛機實電生產線的設計思想是建立虛擬機械設備和實物電氣設備兩個部分并使其模擬真實生產線進行控制和反饋連接，整體構建圖如圖1所示。

圖中構建內容主要有三個部分：1)三維虛擬機械：以生產線初步方案構建可以模擬運行的虛擬生產線，包括加工設備、工裝工具、工藝流程、物流作業和傳感器在內的虛擬模型；2)實物及控制程序：以PLC為核心的控制和操控面板等硬件和總體控制程序；3)接口和模擬運行和檢驗軟件：建立虛實模塊的接口、模型驅動、信號輸入輸出、PLC以外的控制裝置仿真、面板、傳感器信號處理等程序模塊，連接虛實兩個部件。且運行部分主要涉及到操作指令執行、虛擬設備動作和信息反饋、錯誤報警等。

2 虛擬生產線模型構建方法

虛擬生產線是在已有參考生產線的基礎上根據生產線產品、產能等數據設計完成的生產線設備、布局、工藝順序、作業空間、物流及工裝等內容而建立出來的，如圖2所示。

圖2 虛擬生產線構建流程圖

2.1 參考原型和資料準備

在建立新生產線之前，參考原型和資料的準備是非常重要的基礎工作，需要找到與目標生產系統類似的生產系統，并收集相關信息資料。

2.2 設備和工藝的選型決策

參考成熟合理的工藝方法，并由此分析在用設備和市場上可供選擇的新型設備的性能參數，初步決定工藝設備的選型。并為虛擬生產設計準備相關的資料，如結構、工藝流程、動作節拍、運動精度精度、生產力平衡、操作步驟和操作空間干涉、上下料或輸入輸出匹配等，以及設備供應價格、周期、維護性能、壽命-質量曲線。

2.3 三維建模

在前面兩步準備工作之后，則可使用三維建模軟件Solidworks以及虛擬現實軟件進行建模工作，并結合工藝、物流、空間要求進行裝配[5]。其中包括：

1）靜態設備建模。

2）運動鏈建模。

3）虛擬傳感器設置。

2.4 生產線機械運動節拍和作業空間干涉檢查

基于設備布局調整的工件搬運最短距離計算。首先加工設備按照工序和車間地面尺寸進行初步定位，給出位置和方向坐標。按照工件尺寸和允許的方向確定搬運路線。以此作為初始條件分析計算水平面內的最短搬運路徑，用VRML空間碰撞干涉校驗原理作為路徑計算約束條件，計算得出設備布局的新位置，根據計算結果，調整原有設備或布局新設備，再以此為初始條件，循環計算和檢驗，直至找出較合理的布局方案。如果計算過程中，約束條件未考慮充分，可以在每一個循環計算結束點上，人工干預[1,7]。

在車間里，大型工件從一個加工設備處卸載到另一個相鄰的加工設備處裝載，其搬運方式通常是采用行車吊裝或沿搬運車專用車道運輸，那么搬運路線就沿著水平面內兩個相互垂直的方向行進。搬運最短距離計算的目標是使相鄰設備之間的垂直線移動距離的總和最小。下面給出在原有設備中加入一臺新設備的計算中有關水平面內計算的方法：

在虛擬環境下，坐標系定義如下：

1）Z軸：車間的長度方向，也就是行車主軌道方向。

2）X軸：車間的寬度方向，也就是行車吊艙的軌道方向。

3）Y軸：車間的高度方向。

假設工件在設備之間的移動只能按垂直路徑移動，即只能是X方向路徑和Z方向路徑的組合，兩個點之間不能走對角線。

將以上算法設計成程序模塊，可以實現已有設備布局調整，或新加設備的合理位置。且以上計算加權系數 的設定是經驗計算數據，需要考慮不同批次工件的搬運包圍盒尺寸。

3 實物電氣控制設備搭建方法

生產線的電氣控制設備通常使用PLC控制柜或DCS/PLC相結合的復雜控制系統來搭建。可分為操控輸入板、處理器、信號采集器、控制板等模塊。

其中處理器分為PLC和DCS處理器，現階段主要以陣列式PLC為主[3]。處理器通常使用RS232/485/RJ45/現場總線與虛擬模型通訊[4]，可以使用與虛擬模型運行計算機相兼容的通訊方式連接。

操控面板有實物面板、觸摸屏等，通常與PLC輸入端子連接。操控輸入信號輸入到PLC后，其控制信號輸出到計算機的虛擬生產線。

如果在虛擬生產線中設定虛擬操作面板來代替實物操作器件，可以添加一個小型的反饋PLC，其輸出端通過電纜線與控制PLC輸入端連接，接線端子與原實物操作器件的連接相同。虛擬操作信號從虛擬生產線經過RS232輸出到反饋PLC，經反饋PLC程序變換后送到控制PLC的輸入端，達到與實物控制面板同樣的效果，如圖1所示。且虛擬生產線在運行時的虛擬傳感器的觸發信號的處理，與虛擬控制面板的信號處理相同，均要通過如圖1中所示的ACT通訊接口程序模塊。

4 運行控制系統的實現

經過上述步驟的系統搭建之后，該系統在運行過程中，需要實現實物PLC信號的輸入、寄存器狀態掃描、虛擬設備的運動變換、虛擬傳感器信號輸出等過程的功能，以及信號和運動的實時性處理。

4.1 PLC運行過程中的信號輸入

運行虛擬生產線的計算機接入運行的PLC時，使用PLC的API庫中的連接函數進行硬件連接，如使用三菱PLC的MX component組件的 ActiveX庫，在程序中引用，并根據PLC配置參數和通訊連接方式進行通訊處理，達到實物PLC信號的輸入，且MX component中的DLL函數庫及其應用如表1所示。

表1 MX component 的DLL函數庫及其應用

4.2 PLC與虛擬樣機的通訊

通信接口程序，實際上是一個駐留式服務程序，是一個連接PLC和虛擬樣機的橋模塊，不斷地掃描PLC的信號狀態和虛擬樣機的信號狀態，實現傳遞[4,6]。

作為一個通用性的程序模塊，需要使用數據庫方式，記錄兩邊的變量對應，然后自動讀寫。假設PLC有兩個輸出Y001和Y002，則PLC信號和虛擬樣機變量對應如表2所示。

表2 PLC信號和虛擬樣機變量對應表

有了上表，使用下列處理語句進行循環處理，就可完成僑聯通訊。

1）對于PLC使用

fxcpu.ReadDeviceBlock("＜PLC信號名稱＞",1,＜存放變量名＞)

fxcpu.WriteDeviceBlock("＜PLC信號名稱＞",1,＜數值＞)

2）對于虛擬樣機使用（其中AxContact3D1是虛擬生產線的程序控件名稱）

AxContact3D1.setNodeEventIn("＜虛擬節點名＞","＜參數名＞","＜數值＞")

＜存放變量＞=AxContact3D1.getNodeEventOut("＜虛擬節點名＞","＜參數名＞")

4.3 虛擬傳感器數據的反饋處理

虛擬生產線中的傳感器構建成唯一性映射的虛擬傳感器，當運動鏈中的虛擬部件觸發虛擬傳感器時，其事件和數值會自動輸出，通過事件函數getNodeEventOut(＜傳感器名＞,＜值名＞,＜數值＞)，將信號傳遞到接口程序模塊，然后通過映射表發送給PLC的寄存器或通過反饋PLC輸送到控制PLC輸入端，從而模擬了實物生產線的反饋處理。

4.4 信號的實時性和故障診斷處理方法

利用虛機實電設計方法來設計生產線的目的是要找出實物控制系統和生產線設計中存在的問題，因此，必須達到實物系統的信號傳遞實時性要求，并給出方便的故障診斷輔助工具。除了使用信號改變的事件觸發機制和虛擬生產線的局部刷新等常規技術外，對于信號持續時間非常短暫的處理是重點。如生產線運行過程中，某段輥道中的棍子損壞時，其驅動電機將會發出堵轉電壓或電流信號，由于自動保護裝置立即關閉了電機電源，使得信號成為短暫的脈沖形式，這在數據采樣時可能會丟失而無法察覺。為此需要針對性處理，如圖3所示。

圖3 脈沖信號處理和局部邏輯驅動的虛擬部件故障診斷流程

1）當測得持續性較長的可能故障信號后，首先確定其所在部件ID，高亮顯示出該部件的虛擬模型；

2）根據控制邏輯圖的拓撲關系，搜尋與之相關的信息點，如傳感器、線圈編號；

3）對這些信息點使用ReadDeviceBlock()和getNodeEventIn()發出批量信號查詢指令，讀取PLC單元和虛擬運動鏈相關傳感器的序列值，并儲存到指定的緩沖內存中，生成離線數據；

4）關閉其它控制信號的自動推送功能；

5）讀取PLC的控制邏輯程序，以故障信號點為中心，按照控制邏輯和運動鏈的拓撲關系，生成局部控制邏輯與局部虛擬部件之間的驅動關系圖，并在虛擬部件上的故障位置顯示該關系圖、時序圖和傳感器的實時狀態信息。由此，可以很方便的判斷故障的原因和解決方案。

5 應用

通過本文的方法，對一條發動機缸體生產線進行了虛機實電校驗工作，三維虛擬生產線如下圖4所示，從圖中我們可以看出，經過三維空間上的布局設計，能直觀地發現布局的不足之處，并能及時的調整修改，避免了2D圖紙設計中的一些問題，如：只有平面俯視圖，不能對設備的作業空間進行合理性判斷。

圖4 發動機缸體生產線局部

在其他應用領域，如針對鋸片的淬火生產線、垃圾發電場、鋼管噴印生產線等工程項目中的機械設備和電氣控制系統設計進行了多次過程模擬，檢查出機械和控制邏輯中的問題，得到了及時的修正，為生產線的機電設計提供了有力的協助，減少了實際生產運行時的錯誤概率，縮短了設計時間。

6 結論

本文通過構建仿真生產線的三維運動模型和傳感器，使用PLC運行狀態的信號讀取和反饋，以及實物和虛擬操控裝置的操作，在設計階段模擬了生產線的運行，并提出了信號的實時性和輔助故障診斷的方法，使虛擬生產線的機械電氣設計問題得到及時的發現和更正。并在實際項目實施中證明了該方法的有效性，本課題研究成果也將為后續的機電設計過程提供參考依據。

[1] 杜寶江.虛擬制造[M].上海:上海科學技術出版社,2012.

[2] 張德豐,周靈.VRML虛擬現實應用技術[M].電子工業出版社,2010.

[3] 田裕康.PLC編程語言解釋方法研究與系統實現[D].武漢理工大學,2004.

[4] 王文磊,徐汀榮,PLC和PC基于工業以太網通信研究與實現[J],微計算機信息.2006,22(5):43-45,135.

[5] 李瑞濤,方湄,張文明,等.虛擬樣機技術的概念及應用[J].金屬礦山,2000,289(7):38-40.

[6] 高潮,羅強,郭永彩,等.用Visual C實現PC與PLC之間的串行通訊[J].重慶大學學報(自然科學版),2006,29(6):19-22.

[7] Antonino,Zachmann G.Virtual Reality as a Tool for Verification of Assembly and Maintenance Processes.Com puters&Graphics,1999,23(3):389-403.