虛擬調試技術在汽車工程項目中的應用

常楠楠 王剛

摘 要：虛擬調試其實就是在虛擬環境（計算機）下完成和現實環境中一模一樣的事件操作。虛擬調試技術在工業領域的應用在近些年在歐洲發達國家已經普及，而國內目前使用此技術的主要集中在汽車制造行業，基于傳統的可編程邏輯控制器的自動化技術由于較長的現場調試時間帶來了生產的損失，也給推遲了新品的上市時間，虛擬調試技術的的出現恰好解決了這一技術難通過虛擬技術創建出物理制造環境的數字復制品，以用于測試和驗證產品設計的合理性。例如，在計算機上模擬整個生產過程，包括機器人和自動化設備、PLC、傳感器、相機等單元。

關鍵詞：工藝仿真;虛擬調試;VR技術;PDPS;OLP程序;LB邏輯塊

隨著社會發展，人們生活水平的不斷提高，人們對汽車的需求，由傳統的性能、舒適化向個性化、時尚轉變。不同汽車廠商之間的競爭愈來愈激烈，為了迅速搶占市場，汽車廠商不得不大幅度壓縮產品的生產周期，以達到迅速搶占市場的目的。

在生產線準備過程中，隨著工程成本日益增加，汽車生產工藝和產品復雜性逐漸增加。減少生產線的安裝調試時間，保質保量生產出合格的產品，正在成為汽車生產廠商首先要考慮的問題。在此背景下，虛擬調試技術應運而生。

1 虛擬調試介紹

1.1 虛擬調試概念

虛擬調試技術是在真實工廠調試之前，在PS軟件環境中模擬機器人、夾具、變頻器、輸送設備等現場硬件的性能，驗證PLC控制邏輯及機器人離線程序。對生產節拍進行驗證、可在虛擬環境中培訓操作者，并且在現場調試前即可進行安全程序測試 在虛擬環境中驗證干涉區，現場碰撞事故的概率降到最低，實現虛擬世界到現實世界的無縫轉化與連接。

1.2 虛擬調試工作內容

虛擬調試技術是通過Process Simulate仿真環境與物理的PLC、HMI等自動化設備的結合，完成對PLC程序和機器人程序的聯合調試。虛擬調試技術流程，主要分為以下步驟：

數據交接 → CEE階段 → 搭建虛擬調試環境 → 對點調試 → 單臺設備調試 → 單工位調試 → 工位聯調

（1）數據交接。首先是完成仿真數據的接收和整理，包括導入項目仿真數據，檢查數據的完整性;檢查數據是否符合要求，如數據格式、機構定義;導入LB標準庫并添加控制信號;其次是電氣數據接收和整理，包括檢查電氣程序版本是否符合要求;導入電氣程序，檢查程序結構是否符合要求;整理信號表：將虛擬調試需要驗證的信號整理成信號表，信號需要按設備類型分類，并輸出Excel文件。

（2）CEE階段。需要完成的工作：1）建立傳感器，根據設計建立各種類型的傳感器，傳感器的命名需要符合規范，傳感器的類型和位置需要與電氣圖紙保持一致;2）建立設備LB，為設備添加邏輯塊，并將邏輯塊的各輸入、輸出關聯到對應的信號;3）建立機器人LB，并在機器人路徑中添加干涉區等命令：為各機器人添加邏輯塊，劃分機器人干涉區，在機器人路徑中添加相關命令;4）根據虛擬調試的需要，建立物料流;

（3）搭建虛擬調試環境。搭建虛擬調試環境，使PS能夠實現和PLC信號的互通;分為四步：新建PLCSIM鏈接，下載組態，PS添加外部連接，最后是測試信號。

（4）對點調試。根據IO信號表，對點測試各信號是否正確，并記錄在IO信號表中。

（5）單臺設備調試。需要完成以下工作：1）測試各傳感器信號點，記錄調試過程并輸出調試報告;2）測試轉臺、夾具等設備的信號點和邏輯塊，記錄調試過程并輸出調試報告;3）PLC與機器人交互信號及機器人邏輯塊的調試嚴治，記錄調試過程并輸出調試報告;

（6）單工位調試。針對單工位對各設備進行聯動調試，將調試過程記錄到“虛擬調試問題匯總”表中;

（7）工位聯調。對多工位進行聯動調試，并測試物料流是否正確，將調試過程記錄到“虛擬調試問題匯總”表中。

2 虛擬調試關鍵技術

CEE作為虛擬調試的關鍵技術，主要包括創建LB，物料流，傳感器，機器人相關設置等。CEE（Cyclic Event Evaluator ）模式：是基于事件的仿真模式的一種，在這個模式下，軟件循環判斷仿真環境的狀態，根據狀態驅動對應的事件。它與工藝仿真最大的區別在于，工藝仿真是基于時間的仿真，所有動作的開始或結束是由所設定的時間來控制的;而CEE是基于事件的仿真，所有的事件是外部PLC的邏輯控制信號驅動的，所有動作的執行與否取決于是否收到相應的控制信號。下面主要從幾個關鍵技術來闡述。

2.1 物料流

物料流（Material flow），即工件在工位間的流向。要創建物料流，首先要確認上件工位的數量和分布，以及上件步驟及工藝流程。在確認上述幾點之后，就可以開始考慮工件在什么位置消失和重新顯示對我們的虛擬調試工作最便捷。如圖1所示，操作AssFlower物料流向操作DownPartToFinish，供DownPartToFinish使用。

2.2 傳感器

光電和接近傳感器使我們能夠檢測接近或進入傳感器檢測范圍的3D可視化部件和資源（即碰撞檢測或接近未碰撞檢測）。光電傳感器。該選項使您能夠創建3D傳感器元件并配置其鏡頭（自動創建的 幾何對象）和光束（檢測到碰撞/接近未命中的投影檢測范圍）特征。 當一個或 多個測量對象進入其光束范圍內時，激活傳感器。 （圖2為光電傳感器示例模型） 接近傳感器。該選項可以在項目中特定的位置配置3D傳感器（檢查現有組件 的碰撞/接近未命中）。 當一個或多個檢測對象進入其設置的檢測范圍（接近未命中）時，激活傳感器。（圖3為接近傳感器示例模型）

2.3 邏輯塊（LB）

Logic Block：邏輯塊（簡稱LB）。創建LB，通過添加輸入、輸出、運算公式等，給LB賦予邏輯。在仿真時，邏輯塊會根據輸入信號、公式的參數值計算出結果，并將結果輸出;圖4為夾具邏輯塊邏輯，

其中：OPEN/CLOSE為Entry端的兩個接口，分別對應關聯PLC 控制氣缸打開/關閉 的信號，信號類型為Q點（有地址）;OPENED/CLOSED為Exit端的兩個接口，分別向PLC反饋 氣缸打開到位/關閉到位 的信號，信號類型為I點（有地址）;

2.4 創立Conveyor邏輯塊

Conveyor邏輯塊用于滾床動作，用于模擬滾床的行走，停止，并可對滾床進行位置控制和速度控制。圖5為Conveyor邏輯塊邏輯。

其中，START/STOP/ChangeDirection/ChangeSpeed為Entry端的四個接口，分別對應關聯PLC 控制變頻器的啟動、停止、方向、速度控制信號，信號類型為Q點（有地址）;

2.5 機器人相關設置

通過對機器人程序的導入，機器人信號導入，非機器人信號導入、機器人控制器設置、macro宏程序的編譯與修改、干涉區信號的控制與修改、OLP命令添加、根據生產邏輯編寫機器人主程序等，完成機器人程序的編寫，實現機器人離線程序在線循環運行。

3 虛擬調試完成交付物

3.1 PS的調試交付數據

1）調試完成的PS仿真數據，以.pgz格式打包交付;

2）導出調試完成的各機器人離線程序;

3）PLC自動運行下，仿真錄像

4）工具安裝圖

5）干涉區圖表

6）驗證后的氣路圖

7）驗證后的電控圖

8）驗證后的PLC離線程序

3.2 PLC調試數據

PLC調試交付數據為調試完成的電氣程序打包文件;

3.3 調試過程記錄數據。

1）記錄調試過程的IO信號表;

2）記錄調試過程的虛擬調試問題匯總表;

4 虛擬調試價值

1）節省時間。現場調試周期縮短，減少停產時間，在早期即可提供調試環境;

2） 降低成本。在辦公室即可完成，現場工程師的技能和要求可適當降低，工程師在現場的工作負荷減少，對測試人員及測試材料無限制，安全的測試環境。

3） 工作質量。更好的PLC程序和機器人軌跡質量，通過設備聯調，可以對節拍進行驗證，可在虛擬環境中培訓操作者，可重復的測試條件，并且在現場調試前即可進行安全程序測試，在虛擬環境中驗證干涉區，將現場碰撞事故的概率降到最低。

5 總結

隨著市場競爭愈來愈激烈，汽車生產線的交付周期不斷被壓縮，工程項目的成本日益增加，工藝和產品復雜性逐漸增加，數字化技術日益成熟，虛擬調試技術將廣泛應用在汽車工程項目中。

參考文獻：

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