虛擬PLC驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張耀武,劉 宇,馬付建,尹 劍,楊大鵬

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、云計(jì)算及人工智能的不斷發(fā)展,生產(chǎn)制造業(yè)正朝著數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型,特別是近幾年隨著數(shù)字孿生技術(shù)的研究,生產(chǎn)線正向著物理空間與信息空間實(shí)時(shí)交互融合的方向發(fā)展[1]。而虛擬調(diào)試技術(shù)是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)之一,是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要步驟。相比于實(shí)物調(diào)試,虛擬調(diào)試不需要搭建硬件設(shè)備,只靠軟件即可進(jìn)行生產(chǎn)制造之前的調(diào)試工作。同時(shí)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的搭建也為數(shù)字化車間、數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)提供了先行條件。

生產(chǎn)線在搭建之前,通過虛擬調(diào)試的方式可快速模擬出實(shí)際運(yùn)行情況,在投入生產(chǎn)之前進(jìn)行程序測(cè)試,方便及時(shí)更改運(yùn)行邏輯或是工位工時(shí)的設(shè)置,使其符合企業(yè)需求。在生產(chǎn)線建設(shè)前期的虛擬調(diào)試方面,王剛等[2]通過Tecnomatix平臺(tái)與OPC技術(shù)、建立虛擬化仿真平臺(tái),通過模型和電氣控制實(shí)現(xiàn)虛擬化的車身焊裝生產(chǎn)線投產(chǎn)前的調(diào)試;王佩玉等[3]提出一種跨平臺(tái)的自動(dòng)化生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng),將SolidWorks繪制的生產(chǎn)線模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中,通過掛載C#程序的方式賦予生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),用三菱PLC程序控制軟件與Unity3D通信完成生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試;柯志勝等[4]在數(shù)字孿生生產(chǎn)線搭建的基礎(chǔ)上,基于CodeSys平臺(tái)設(shè)計(jì)出包含人機(jī)交互、集成通信等模塊的虛擬調(diào)試系統(tǒng),虛擬控制器通過OPC UA通信方式對(duì)虛擬生產(chǎn)線進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試。由于NX MCD軟件功能強(qiáng)大,其仿真系統(tǒng)包含了機(jī)械、電氣及自動(dòng)化等方面的設(shè)計(jì),可以滿足市場(chǎng)大部分機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)需求,而且操作簡(jiǎn)單方便,通信方式多樣。近些年,通過NX的MCD(機(jī)電概念設(shè)計(jì))平臺(tái)進(jìn)行虛擬調(diào)試逐漸成為趨勢(shì),朱金達(dá)等[5]通過NX MCD平臺(tái),并設(shè)計(jì)PLC程序,對(duì)鋼絲滾絲機(jī)進(jìn)行虛擬調(diào)試,獲得了鋼筋加工受力、速度、位置等加工數(shù)據(jù),為滾絲機(jī)的設(shè)計(jì)提供了有力的幫助;任長(zhǎng)清等[6]基于NX MCD平臺(tái)對(duì)木窗成型加工機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)并通過PLC控制進(jìn)行虛擬調(diào)試,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性;趙橄培等[7]通過PLC與MCD平臺(tái)研究了翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的虛擬調(diào)試系統(tǒng),經(jīng)過驗(yàn)證,程序無(wú)錯(cuò)誤,機(jī)械運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉,完成了前期的調(diào)試工作。

S7-PLCSIM Advanced是西門子推出的一款虛擬PLC軟件,通過該軟件無(wú)需PLC設(shè)備即可模擬出PLC控制器,這使得調(diào)試工作可以變得更安全、高效,且成本更低。本文基于該軟件,設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試系統(tǒng),首先采用NX的MCD模塊對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行機(jī)電概念設(shè)計(jì),其次通過TIA portal軟件對(duì)西門子PLC進(jìn)行編程與組態(tài),最后借助虛擬PLC仿真實(shí)現(xiàn)“虛擬模型-程序-虛擬PLC”軟件在環(huán)的“純虛擬”調(diào)試系統(tǒng)。并將該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用到生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了虛擬PLC信號(hào)與虛擬生產(chǎn)線的信號(hào)交互,完成了生產(chǎn)線的調(diào)試與驗(yàn)證。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于不需任何物理設(shè)備,在PC端1人即可完成1條生產(chǎn)線的調(diào)試驗(yàn)證工作,通過HMI人機(jī)交互界面測(cè)試人員即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)試和對(duì)數(shù)據(jù)及程序的監(jiān)視,可以通過對(duì)工時(shí)工序的不斷修改與調(diào)試,獲得符合生產(chǎn)要求的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)和程序。該方案可用于生產(chǎn)線搭建之前的調(diào)試,或是用于生產(chǎn)線操作員在虛擬環(huán)境下的培訓(xùn)工作,亦或是工程師遠(yuǎn)程對(duì)生產(chǎn)線的修改驗(yàn)證或調(diào)整。

1 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試整體方案

1.1 軟件方案

生產(chǎn)線建模裝配利用Siemens的NX軟件,并使用NX的MCD模塊賦予模型運(yùn)動(dòng)學(xué)、物理學(xué)特征和電氣屬性,并通過設(shè)置仿真序列讓模型模擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行。NX搭載強(qiáng)大物理引擎,動(dòng)態(tài)仿真效果逼真[8]。MCD可以通過信號(hào)映射功能與外界信號(hào)交互,支持OPC DA、OPC UA、PLCSIM Adv、MATLAB和PROFINET等多種通信協(xié)議。PLC程序編寫及HMI人機(jī)交互界面開發(fā)使用Siemens的TIA portal軟件。作為當(dāng)前自動(dòng)化設(shè)計(jì)的主流平臺(tái),TIA portal可以對(duì)SIMATIC S7-1200、S7-1500等系列的PLC進(jìn)行組態(tài)、編程和仿真。最后通過PLCSIM Advanced軟件建立S7-1500的虛擬PLC,并與NX的MCD進(jìn)行信號(hào)映射。PLCSIM Advanced不僅可以仿真PLC程序,還可以仿真多種通信,如S7、Socket及WEB SERVER等[9],不需要硬件即可進(jìn)行通信測(cè)試。

軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試方案如圖1所示,相比于傳統(tǒng)的實(shí)物調(diào)試,NX的MCD通過虛擬模型的搭建代替了現(xiàn)實(shí)機(jī)電產(chǎn)品的功能;TIA的程序編寫與HMI界面開發(fā),代替了電氣程序設(shè)計(jì)與實(shí)際操作界面;PLCSIM的虛擬PLC仿真功能代替了實(shí)際的PLC程序載體,即PLC控制器的功能。由此完全將傳統(tǒng)的調(diào)試方案步驟全部實(shí)現(xiàn)虛擬化。

圖1 軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試方案

1.2 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試概念模型

數(shù)字孿生是一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間交互的技術(shù),而虛擬調(diào)試作為虛擬環(huán)境的信息交互技術(shù)應(yīng)用之一,與數(shù)字孿生有很大相似之處。根據(jù)數(shù)字孿生五維概念模型[10],1個(gè)完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括:物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和連接5個(gè)部分。由此搭建的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試概念模型如圖2所示,該框架由生產(chǎn)線物理實(shí)體、生產(chǎn)線虛擬模型、虛擬PLC、虛擬調(diào)試系統(tǒng)及連接驅(qū)動(dòng)5部分組成。

圖2 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試概念模型

虛擬調(diào)試概念模型中生產(chǎn)線物理實(shí)體是企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的載體,需要根據(jù)虛擬調(diào)試系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試優(yōu)化后的指令去進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù),同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)線虛擬模型經(jīng)過仿真調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問題去優(yōu)化結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)活動(dòng),如生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)要素的調(diào)整;生產(chǎn)線虛擬模型是實(shí)體生產(chǎn)線的鏡像體,可以模擬實(shí)際生產(chǎn)線的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程真實(shí)仿真,在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)潛在問題并反饋,使實(shí)體得到優(yōu)化;虛擬調(diào)試系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)與指令進(jìn)行模擬調(diào)試,根據(jù)調(diào)試結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)體進(jìn)行決策優(yōu)化,同時(shí)控制虛擬模型的仿真過程,根據(jù)生產(chǎn)線要求執(zhí)行仿真任務(wù)。三者通過虛擬PLC互相連接,實(shí)現(xiàn)交互。該模型不僅打通了軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試系統(tǒng),也為數(shù)字孿生生產(chǎn)線的建設(shè)提供參考。

1.3 虛擬PLC驅(qū)動(dòng)的調(diào)試方案

虛擬PLC驅(qū)動(dòng)的調(diào)試系統(tǒng)原理如圖3所示。首先在NX的MCD環(huán)境中搭建生產(chǎn)線三維模型,該平臺(tái)是集CAD/CAE/CAM為一體的平臺(tái),支持多種模型文件導(dǎo)入并進(jìn)行仿真[11],該平臺(tái)需要對(duì)可運(yùn)動(dòng)部件設(shè)置機(jī)電屬性,根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式設(shè)定仿真序列;其次在TIA中對(duì)PLC和HMI進(jìn)行組態(tài),編寫生產(chǎn)線程序段,開發(fā)HMI人機(jī)交互界面;最后啟動(dòng)PLCSIM虛擬PLC軟件來(lái)模擬真實(shí)PLC,將TIA寫好的程序下載到虛擬PLC中,通過HMI操作與程序監(jiān)視完成PLC仿真過程。在MCD中通過PLCSIM Adv通信與虛擬PLC進(jìn)行連接,將虛擬PLC的信號(hào)與MCD仿真序列的信號(hào)進(jìn)行映射,完成該生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試系統(tǒng)。通過HMI人機(jī)交互界面操作,并配合MCD動(dòng)態(tài)畫面完成生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試任務(wù)。

圖3 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng)原理

2 機(jī)電概念設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)電屬性定義

在NX MCD環(huán)境中,只有將模型賦予機(jī)電屬性,模型才能運(yùn)動(dòng),這是虛擬調(diào)試的基礎(chǔ)。這些物理屬性賦予了各部件在MCD物理場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的能力,通過對(duì)基本機(jī)電對(duì)象的設(shè)置,定義剛體、碰撞體為零件賦予物理學(xué)特征,這些零件將受重力、摩擦力等的影響。繼而為零件添加運(yùn)動(dòng)副,通過鉸鏈副的設(shè)置可使零件實(shí)現(xiàn)繞設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),滑動(dòng)副可使零件沿設(shè)定軸滑動(dòng)。最后添加位置控制,位置控制可以為可運(yùn)動(dòng)部件設(shè)定運(yùn)動(dòng)幅度、速度和上下限等條件,通過以上步驟完成生產(chǎn)線模型的零部件機(jī)電屬性定義。在完成位置控制后,即可通過仿真序列去控制這些可運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)條件,如當(dāng)設(shè)置需要用傳感器控制升降臺(tái)上升的仿真序列時(shí),對(duì)象選擇為升降臺(tái)氣缸,運(yùn)行時(shí)參數(shù)控制輸入為1表示升起,條件為“IF(傳感器)已觸發(fā)=true”,設(shè)置完成后當(dāng)升降傳感器觸發(fā)時(shí)就會(huì)讓升降臺(tái)升起,否則落下。在與PLC映射信號(hào)時(shí),需要先將仿真序列里的選擇對(duì)象選為設(shè)定的信號(hào),生產(chǎn)線的MCD環(huán)境配置整體分4步,機(jī)電概念設(shè)計(jì)步驟如圖4所示。在機(jī)電設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)完成后需要用MCD與PLCSIM的虛擬PLC信號(hào)完成信號(hào)連接。

圖4 生產(chǎn)線MCD環(huán)境機(jī)電概念設(shè)計(jì)步驟

2.2 MCD環(huán)境信號(hào)配置與連接

在NX的MCD環(huán)境中進(jìn)行信號(hào)部署時(shí),首先要添加信號(hào)與信號(hào)適配器,信號(hào)需要連接傳感器或之前設(shè)置的位置控制,信號(hào)添加完成后要將其置入仿真序列。信號(hào)添加完成后,同時(shí)虛擬PLC在啟動(dòng)狀態(tài),此時(shí)可以通過MCD里的外部信號(hào)配置,選擇PLCSIM Adv通信通過添加可選擇虛擬PLC產(chǎn)生的外部信號(hào),選擇所有發(fā)現(xiàn)的PLC信號(hào),完成外部信號(hào)配置。外部信號(hào)配置完成后,在信號(hào)映射,繼續(xù)選擇PLCSIM Adv通信和虛擬PLC實(shí)例,通過執(zhí)行MCD環(huán)境的自動(dòng)映射,使外部信號(hào)與MCD的信號(hào)一一對(duì)應(yīng)完成映射,此時(shí)二者的信號(hào)被連接起來(lái)。

3 虛擬PLC環(huán)境配置

3.1 設(shè)備組態(tài)與程序設(shè)計(jì)

虛擬調(diào)試之前需要對(duì)PLC環(huán)境進(jìn)行配置,首先要搭建組態(tài)任務(wù)。如圖5所示為使用SIMATIC S7-1500系列的PLC和1個(gè)KTP700的HMI進(jìn)行的組態(tài),設(shè)置不同以太網(wǎng)地址后進(jìn)行連接,之后根據(jù)生產(chǎn)線要求,按照生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)方式與條件編寫PLC程序。

圖5 PLC與HMI組態(tài)

3.2 HMI人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了方便調(diào)試設(shè)備與PLC程序驗(yàn)證,開發(fā)該生產(chǎn)線的HMI交互界面,主界面如圖6所示,除了有常規(guī)啟動(dòng)急停功能之外,還設(shè)有多個(gè)界面,通過手動(dòng)自動(dòng)模式切換按鈕,可以跳轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)頁(yè)面進(jìn)行模式切換。通過工位節(jié)拍設(shè)置按鈕可以跳轉(zhuǎn)節(jié)拍設(shè)置頁(yè)面,另外還有IO監(jiān)視界面可以查看當(dāng)前狀態(tài)的輸入輸出信號(hào)。

圖6 HMI主界面設(shè)計(jì)

3.3 啟用虛擬PLC仿真

通過PLCSIM Advanced軟件啟動(dòng)S7-1500的虛擬PLC,此虛擬PLC命名后,啟動(dòng)后程序?qū)⑾螺d到設(shè)備中,如果PLC指示燈顯示綠色,表示虛擬設(shè)備已在運(yùn)行中,此時(shí)PLC環(huán)境搭建完成。至此,軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試系統(tǒng)已經(jīng)完成部署,只需將虛擬PLC的信號(hào)與NX MCD的信號(hào)進(jìn)行連接即可開始調(diào)試。

4 虛擬調(diào)試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)生產(chǎn)線

本文以1條多品種小批量生產(chǎn)線為例,通過軟件在環(huán)方案為其搭建虛擬調(diào)試環(huán)境,該生產(chǎn)線工作流程如圖7所示,設(shè)有8個(gè)工位,托盤從工位1開始,搭載待組裝零件沿著箭頭方向運(yùn)行,經(jīng)過8個(gè)工位人員的不同操作將零件組裝成最終產(chǎn)品。生產(chǎn)線上每個(gè)工位均裝有1個(gè)行程開關(guān)和1個(gè)阻擋器,當(dāng)托盤經(jīng)過行程開關(guān)時(shí)會(huì)觸發(fā)計(jì)時(shí),阻擋器會(huì)將托盤阻擋在該位置,使其停留在此工位,待計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)定工時(shí)后,阻擋器收縮托盤被放行,托盤進(jìn)入下一工位,繼而重復(fù)前面流程。在工位4之后有2個(gè)升降臺(tái),托盤到達(dá)后被升降臺(tái)傳感器1檢測(cè)到,此時(shí)2個(gè)升降臺(tái)升起并啟動(dòng)升降平面上的傳送帶,托盤被送往工位5方向,待傳感器2檢測(cè)到托盤到達(dá)對(duì)面升降臺(tái)后,升降臺(tái)落下,托盤繼續(xù)沿箭頭方向運(yùn)行。

圖7 生產(chǎn)線工作流程

4.2 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試流程

在搭建完生產(chǎn)線模型后,根據(jù)前文虛擬調(diào)試系統(tǒng)原理,首先進(jìn)行MCD環(huán)境配置,其次,在TIA porta中進(jìn)行PLC環(huán)境配置,并將程序下載到虛擬PLC中,最后將PLC信號(hào)與MCD信號(hào)進(jìn)行映射,啟用虛擬PLC進(jìn)行虛擬調(diào)試。本條生產(chǎn)線虛擬調(diào)試流程如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試流程

4.3 搭建MCD環(huán)境

通過對(duì)生產(chǎn)線所有部件的零件建模和裝配,得到生產(chǎn)線三維模型如圖9所示。托盤兩邊的鏈條帶動(dòng)托盤行走,其中行程開關(guān)為1個(gè)小輪子,被壓倒即觸發(fā),阻擋器為1個(gè)大輪子,放行時(shí)由氣缸控制縮入平面下,示意圖如圖10所示。在建模完成后按照前述要求對(duì)該虛擬模型進(jìn)行機(jī)電概念設(shè)計(jì)。

圖9 生產(chǎn)線虛擬模型

圖10 行程開關(guān)和阻擋器示意圖

4.4 虛擬調(diào)試試驗(yàn)

在完成PLC環(huán)境配置和信號(hào)通信后對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)試,虛擬PLC連接后,啟動(dòng)TIA程序仿真,同時(shí)在MCD中啟動(dòng)虛擬模型,生產(chǎn)線仿真開始運(yùn)行,此時(shí)調(diào)出HMI仿真界面,可以通過對(duì)HMI的操作控制生產(chǎn)線的運(yùn)行,也可通過HMI的IO監(jiān)視界面查看當(dāng)前輸入輸出信號(hào)情況。同時(shí)在HMI操作時(shí),也可以通過TIA portal里的監(jiān)視操作查看當(dāng)前程序運(yùn)行情況。

通過圖11可以看到,此時(shí)在MCD中托盤正在升降臺(tái)上運(yùn)輸,升降臺(tái)已經(jīng)升起,這時(shí)打開HMI的IO監(jiān)視界面可以看到,此時(shí)升降臺(tái)傳感器1被觸發(fā),升降臺(tái)1和升降臺(tái)2的皮帶正在運(yùn)轉(zhuǎn),升降臺(tái)1的氣缸也在升起狀態(tài)(升降臺(tái)2氣缸負(fù)責(zé)監(jiān)視落下狀態(tài))。同時(shí)在調(diào)試時(shí)打開TIA portal的程序并啟用監(jiān)視,此時(shí)通過對(duì)HMI的模式切換頁(yè)面進(jìn)行操作,可以看到當(dāng)前狀態(tài)切換為手動(dòng),并點(diǎn)擊了“升降臺(tái)升”按鈕,此時(shí)左側(cè)程序圖顯示此時(shí)手動(dòng)升起程序已在運(yùn)行。

圖11 虛擬PLC驅(qū)動(dòng)調(diào)試運(yùn)行

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種虛擬軟件在環(huán)的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng),通過虛擬PLC仿真輸出PLC信號(hào),驅(qū)動(dòng)NX MCD環(huán)境運(yùn)行虛擬調(diào)試。該系統(tǒng)不需要任何實(shí)物設(shè)備,也無(wú)需PLC設(shè)備,僅通過1臺(tái)PC就可控制程序運(yùn)行和調(diào)試并驗(yàn)證機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性。以1條生產(chǎn)線為例開發(fā)了其虛擬調(diào)試系統(tǒng),驗(yàn)證了方案可行性,同時(shí)驗(yàn)證了PLC程序的合理性,供調(diào)試人員參考。另外本文提出一種虛擬調(diào)試概念模型,后續(xù)研究可以將虛擬調(diào)試系統(tǒng)與物理設(shè)備結(jié)合,這同時(shí)也為生產(chǎn)線的數(shù)字孿生建設(shè)提供了參考。