基于S7-PLCSIM Adv的工業機器人集成系統仿真技術的創新應用

全鴻偉，胡華麗，陳韶光，劉奇波

（1.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.南寧精能發電設備有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

虛擬仿真也叫虛擬現實技術或數字模擬技術，它通過虛擬軟件系統來模仿搭建真實的運行系統[1]。在智能制造技術應用中，基于計算機技術、軟件技術、網絡技術的虛擬仿真軟件正在引領制造方式變革，虛擬仿真軟件與生產設備結合起來，采用軟硬件相結合的方式，協調相關硬件設備，形成虛擬仿真系統，并利用網絡技術，實現虛擬仿真系統的網絡化、遠程化及自動化，形成運行在個人計算機上、實現自行設計與開發，以及遠程控制與協作的測試方式。借助虛擬仿真技術，可以將調試數據與學校實驗室、企業生產一線等多方資源相結合，共建共享。

由于生產中用于現代電氣控制設備（PLC）的編程軟件，以及用于工業機器人的編程軟件都是獨立運行的軟件，在設備生產調試時這兩種軟件無法滿足在工控機中PCL與工業機器人相互連通，不能實現相對應的設備在虛擬仿真環境中運行調試，增加生產線的調試時間和強度，甚至出現在疫情期間，由于技術工程師無法及時到工廠生產現場調試設備而導致企業生產線停工的現象。對此，筆者創新開發了能使兩類不同編程軟件實時進行數據交互的仿真通訊技術，實現了PLC在虛擬環境中控制工業機器人集成系統的運行，同時也可以通過遠程通信方式，對現場的設備運行情況進行遠程監控。

1 設計思路

總體設計思路：虛擬仿真測試是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及與其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，采用“面向對象”創建能夠實時操作的、非實在的測試空間。筆者通過西門子TIA Portal軟件用于PLC的編程與仿真調試，RobotStudio軟件用于ABB工業機器人的離線編程與仿真調試，通過計算機語言自行開發的通訊組件，實現虛擬環境中各種預定的測試項目。首先，在RobotStudio軟件的三維立體空間視角下，將企業使用的ABB工業機器人、上位機、控制器、生產流水線等設備按照工廠車間中的位置導入，完成虛擬環境的布局，并對工業機器人進行通信配置；其次，在TIA Portal軟件中，按照電氣原理圖設置變量及企業生產工藝流程要求，在梯形圖中使用編程語言指令，完成順序控制、延時、計件等功能的編程；然后，在S7-PLCSIM Adv中創建一臺虛擬的PLC設備，并在RobotStudio軟件中導入用計算機編程語言自行開發的組件，實現虛擬的PLC相關信號與RobotStudio軟件中機器人相關信號的實時通信；最后，完成虛擬環境下工業機器人集成系統的調試與仿真運行。其總體設計方案如圖1所示。

圖1 總體設計方案示意圖

1.1 RobotStudio軟件中工業機器人通信配置

RobotStudio軟件能自動生成工業機器人運行路徑，能節省大量調試時間。通過使用待加工零件的CAD模型，在數分鐘之內便可自動生成跟蹤加工曲線所需要的機器人路徑，而這項任務以往在企業實際生產調試中，常常需要數小時甚至數天中的反復測量調試。工業機器人的DeviceNet是面向時間關鍵型應用的網絡，用CAN（控制器局域網）作為骨干技術，定義應用層，以涵蓋一系列設備配置文件。提供預定義的主從連接設置服務，包括：顯式消息傳送、輪詢響應服務和狀態/循環更改服務。當通過UCMM端口或者Group2非連接顯式請求端口建立一個顯式報文連接后，這個連接可用于從一個節點向其他節點傳送信息，或建立I/O信息連接，其功能主要是接收/發送信號，是工業機器人集成系統中機器人通信模塊中重要的組成部分，RobotStudio軟件中包含了DeviceNet通信功能，具體實施如圖2所示。

圖2 DeviceNet參數參數設置

在配置DeviceNet參數，短接片的8號和10號被切斷了，其他位完好。當該短接片插接到X5端子的6號～12號接線柱時，由于6號為邏輯地（即0V），因此7號、9號、11號和12號接線柱的輸入均為0V（即邏輯0）；而8號和10號由于被切斷，因此其輸入視為高電壓（即邏輯1）；由于8號接線柱對應2的1次方（結果為2），10號接線柱對應2的3次方（結果為8），因此該節點的地址2+8=10，所以將“Address”設置為“10”。

在對具體的I/O變量設定時，為了能讓信號在虛擬仿真環境中被讀取或寫入，需要將Access Level更改為“ALL”，這一步很重要也很容易被忽略成默認值“Default”。其具體設置如圖3所示。

圖3 I/O變量設定

當仿真平臺完成路徑軌跡調試后，通過設置DeviceNet參數，使其能接收外部信號，這是虛擬仿真應用的重要步驟，一旦建立了I/O信息連接，就可以在整個集成系統設備網絡之間傳送I/O數據。用戶通過在虛擬仿真環境中離線開發或維護工業機器人程序，縮短編程時間，改進程序結構。

1.2 TIA Portal軟件中虛擬PLC通信配置

TIA Portal軟件是全集成自動化編程軟件，讓工程師能對觸摸屏、PLC、驅動進行編程調試和仿真操作。軟件支持的S7-PLCSIM Adv是一個在Windows環境下運行的高功能仿真應用程序，其不僅可以仿真PLC程序，還能仿真MODBUS TCP通信、S7通信、Socket通信、WEB SERVER等，不需要硬件也可以做通信測試。企業工程師可以通過遠程通訊方式，實現對生產線的監控，并借助其仿真功能開發新的工藝流程等。OPC技術成為了PLC控制器與不同廠家的機電設備產品之間進行通信的一種常用手段，它提供了過程控制中現場設備的一種共同的標準接口[2]。如圖4所示，在S7-PLCSIM Adv在計算機上生成一個虛擬網卡，筆者通過將軟件中的IP地址設置成和實際產線中PLC的IP地址為同一網段，并輸入虛擬PLC實例名稱thinger1和IP地址192.168.1.20、子網掩碼255.255.255.0，點擊按鈕“Start”即創建新的虛擬PLC實例。

圖4 S7-PLCSIM Adv參數設置

將新開發的PLC工藝流程程序導入S7-PLCSIM Adv進行仿真測試，可以得到和連接實物一樣的運行數據。采用虛擬模型的安全測試方案，避免了對工廠實際生產線的損壞，同時還可以縮短工廠由于需要設備調試而暫停生產的時間。

1.3 通信組件開發與應用

OPC UA是一個由30多家制造企業聯合開發的開放跨平臺架構，具有較高的安全性和可靠性，為自動化生產系統提供了新的信息模型和抽象體系結構，將復雜的數據類型嵌入到服務器地址空間中，支持大量的通用服務，已成為工業互聯網協同制造的通信標準[3]。

在通信組件開發過程中，利用Socket確認網絡連接、本地IP、遠地IP、遠程、遠地進程協議這五種必備的信息。如圖5所示，為Socket接口通信結構圖，根據圖6所示的Socket函數算法。

圖5 Socket接口通信結構圖

圖6 Socket函數算法

以下為開發通信組件部分程序：

通過電腦編程語言，實現在TCP/IP通信協議下，支持IRC5 OPC UA Server的工業機器人編程軟件通過RSConnectDIOToSnap7組件，將相關數據信號傳遞到在同一個操作系統中的支持OPC UA框架協議的TIA Portal軟件中。同時，TIA Portal軟件中的數據信號也能傳遞到工業機器人的編程軟件中。當兩個獨立的軟件能互相讀取到對方的數據時，便可以啟動兩個軟件的仿真程序，進行在虛擬環境中的測試操作。

2 系統功能的實現

由于仿真系統的一些局限性，無法對輸入存儲區I進行仿真操作，因此采用中間寄存器M來模擬[4]。在PLC中添加了模擬外界開關信號M1O.O和M1O.1，模擬手爪傳感器的磁性開關反饋信號M1O.2、M10.3，還有控制氣動手抓的夾緊與松開的輸出信號Q2.0，控制機器人末端執行結果安裝快換裝置的輸出信號Q2.1，安全工作指示信號燈Q3.0、Q3.1等。如圖7所示。

圖7 Smart組件邏輯關系示意圖

將這些PLC變量信號通過RobotStudio的Smart組件功能，按照相關邏輯關系進行連接，并將信號綁定到DeviceNet的I/O信號端子，通過TIA Portal軟件中WinCC的組態功能，實現PLC的流程控制與工業機器人的示教控制融通。在電腦三維仿真視角下，電腦屏幕的仿真動作與現場設備實際執行指令的動作相一致，達到“數字卵生”的智能制造效果。如圖8所示。

圖8 “數字卵生”的智能制造效果

運用工業機器人運動控制仿真平臺與PLC之間的通信系統，采用了符合與TCP/IP協議的Socket通信接口，完成了在虛擬仿真系統中工業機器人發送/接收相關指令信息給PLC，再利用PLC的工藝流程控制工業機器人對數控機床上下料的集成應用，實現了通過PLC控制工業機器人集成系統仿真應用的技術創新。將實體工業中的各個模塊轉化成數據整合到一個虛擬的體系中去，在這個體系中模擬實現工業作業中的每一項工作和流程，并與之實現各種交互，加強設備之間數據采集、分析、處理能力，提高生產有效性的同時，預防或減少由誤操作造成的故障，保護系統和數據完整性，防止故障、生產錯誤和生產停工現象的出現，同時有效保護相關設備的機密數據、信息。PLC的程序通過S7-PLCSIM Adv仿真軟件將指令信號發送到了機器人的仿真軟件RobotStudio中，觀察到機器人能接收到信號，并啟動第七軸將機器人平移至數控機床，進行上下料的動作。

之前兩個相互獨立的軟件，互不兼容，無法在同一臺工控機交替使用，只能實現單類設備的仿真調試，如果需要兩種不同類型設備集成調試，必須借助實體設備來檢驗調試結果，通過基于S7-PLCSIM Adv的工業機器人集成系統仿真技術的創新應用，兩個獨立的軟件可以識別對方的數據信號，從而在沒有實體設備的情況下，也能進行程序的調試和仿真運行。

3 結語

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基[5]。而現代職業教育依托虛擬現實、人機交互、數據庫、網絡通訊、人工智能等新一代信息技術，將最新的技術和企業的崗位技能要求深度融合，以實帶虛、以虛助實、虛實結合，在滿足企業技術升級的同時，也增強了職業院校教師的技術創新水平和社會服務意識。運用仿真軟件搭建與真實產線完全一致的虛擬環境，進行控制程序調試與仿真運行，可以幫助設計人員快速發現諸如碰撞、工件掉落等安全問題，保障人身和設備安全。本研究雖然實現了兩個獨立軟件的相互通信，但是還有許多其他類似的設備沒有測試，還需要優化程序架構，導入更多的模型，增加最新的通信協議，適應更多產線的調試應用需求。