采用PLC數(shù)據(jù)匹配的NCD風(fēng)力發(fā)電機虛擬仿真監(jiān)控

邢學(xué)快，王直杰，沈亮亮，顧志心，楊 超（.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海060；.西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司，上海0004；.上海交通大學(xué)機械學(xué)院，上海0000）

智能工業(yè)與信息安全

采用PLC數(shù)據(jù)匹配的NCD風(fēng)力發(fā)電機虛擬仿真監(jiān)控

邢學(xué)快1，王直杰1，沈亮亮2，顧志心2，楊 超3
（1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2.西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司，上海200042；3.上海交通大學(xué)機械學(xué)院，上海200030）

機電一體化概念設(shè)計（Mechatronics ConcePt Designer，MCD）是西門子工業(yè)軟件有限公司研發(fā)的全新仿真平臺，比傳統(tǒng)W inCC仿真效果更加清晰直觀、便捷。MCD尚處于研發(fā)階段，與PLC進(jìn)行通信的過程尚不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整交互。該文研究如何實現(xiàn)MCD仿真平臺與PLC數(shù)據(jù)交換進(jìn)而實現(xiàn)虛擬仿真監(jiān)控，包括對MCD平臺建立的運動仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，通過XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)，利用OPC Server作為MCD與PLC通信的橋梁，從而實現(xiàn)MCD與PLC的數(shù)據(jù)交換，完成虛擬仿真監(jiān)控。

MCD；虛擬仿真；PLC；監(jiān)控

O 引言

MCD是西門子開發(fā)的在下一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)（UnigraPhics Next Generation，UG NX）環(huán)境下建立3D模型與實現(xiàn)運動仿真的虛擬平臺［1］。這種全新的仿真平臺從功能出發(fā)，在研發(fā)的需求階段建立需求模型，在仿真平臺上根據(jù)實際運動場景，對3D模型進(jìn)行運動物體的定義以及傳感器等系統(tǒng)定義，通過與硬件PLC進(jìn)行實時通信，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線在MCD平臺上的協(xié)同監(jiān)控［2］，這種設(shè)計理念比傳統(tǒng)視窗控制仿真監(jiān)控效果更加清晰直觀、便捷。

MCD在運動仿真模型建立的過程中，考慮到以運動副作為設(shè)計對象的仿真序列不能通過STEP7編譯，無法與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而大大增加了運動模型創(chuàng)建的難度，本文拋棄傳統(tǒng)的基于時間的仿真序列而采用全新的基于事件的仿真序列，創(chuàng)建的仿真模型可以將每個運動屬性設(shè)置成行為序列，為PLC數(shù)據(jù)匹配提供了可能［3］。在MCD仿真模型創(chuàng)建完成之后，需要尋找一種能夠通過STEP7編譯的文件，本文利用MCD仿真模型創(chuàng)建的特點，將仿真序列壓縮成XML文件，其中的變量在模型創(chuàng)建的過程中，保留了事件屬性以及地址變量，從而可以匹配硬件PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)變量。PLC是通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械運動，目前兩者不具備直接通信的可能［4］，本文總結(jié)MCD仿真模型創(chuàng)建的特點以及PLC通信原理，通過運用一種利用微軟的接口技術(shù)來達(dá)成自動化控制協(xié)定（OLE for Process Contro1，OPC）Server，協(xié)助完成數(shù)據(jù)的傳輸，同時利用MCD模型分配的地址數(shù)據(jù)匹配PLC輸入輸出數(shù)據(jù)的地址，實現(xiàn)MCD與PLC信息交互，從而實現(xiàn)MCD監(jiān)控真實機械物體運動的狀態(tài)［5］。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文選擇風(fēng)力發(fā)電機來實現(xiàn)MCD與PLC之間相互通信，完成對真實風(fēng)力發(fā)電機虛擬監(jiān)控。在MCD平臺下，通過對風(fēng)力發(fā)電機3D模型的建立、物理屬性的定義、運動屬性的定義、運動仿真序列的創(chuàng)建從而實現(xiàn)在MCD平臺中虛擬仿真運動，通過PLCOen XML在PLC端實現(xiàn)鏈接，進(jìn)而在西門子開發(fā)的一款PLC編程平臺S7 GraPh中修改監(jiān)控數(shù)據(jù)。MCD中的輸出參數(shù)是PLC中的輸入控制條件指令，PLC中輸出指令作為控制MCD運動狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)，合理匹配兩者通信地址的數(shù)據(jù)，再利用OPC Server作為MCD與PLC中間橋梁協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳遞，最終完成MCD監(jiān)控真實風(fēng)力發(fā)電機的運動狀態(tài)。本文在虛擬仿真階段采用PLCSIM作為調(diào)試工具，模擬監(jiān)控MCD風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)，同時在西門子工業(yè)軟件有限公司自動化智能實驗室提供硬件PLC的條件下完成了真實風(fēng)力發(fā)電機模型的現(xiàn)場演示，證明了MCD 與PLC在工業(yè)生產(chǎn)中可以實現(xiàn)虛擬仿真監(jiān)控數(shù)據(jù)實時交互［6］。圖1是MCD與PLC通信結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MCD與PLC通信結(jié)構(gòu)圖

2 模型建立與仿真優(yōu)化

2.1 模型建立

整個風(fēng)力發(fā)電機模型主要包括3個模塊：風(fēng)扇、齒輪以及軸承支架。在MCD環(huán)境中以軸承支架為基準(zhǔn)逐一建立模型。整個建模中，進(jìn)入草圖環(huán)境，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機尺寸大小、風(fēng)扇角度、齒輪數(shù)量畫出草圖，通過運用UG NX提供的3D模型繪制平臺，完成風(fēng)力發(fā)電機模型的創(chuàng)建。MCD提供了一個可以模擬真實場景的仿真平臺，能夠定義剛體、碰撞體、體積、質(zhì)量、摩擦因子、阻力、密度等物理屬性，方便用戶進(jìn)行真實運動的實驗，也能定義機械運動的所有運動副、傳感器、平臺接口以及運動序列。在整個風(fēng)力發(fā)電機模型設(shè)計中，需要定義各部分何時開始執(zhí)行運動，何時運動停止以及如何運動。

2.2 仿真優(yōu)化

仿真序列是MCD中的控制元素，可以通過仿真序列控制MCD中的任何對象。在MCD定義的對象中，每個對象都有一個或多個參數(shù)，可以通過創(chuàng)建仿真序列修改預(yù)設(shè)值。基于時間的仿真序列是通過時間追蹤風(fēng)力發(fā)電機每個時刻的運動狀態(tài)，這種仿真參數(shù)的設(shè)置對于機械運動有很好的跟蹤效果，但是無法獲得每個模塊的具體地址數(shù)據(jù)。本文采用優(yōu)化事件的仿真序列，比如風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)扇的運動控制，物理對象選擇相應(yīng)的位置控制器，在參數(shù)列表中選擇需要賦值的參數(shù)并設(shè)置輸入值，當(dāng)位置和速度被賦予預(yù)設(shè)值時，MCD仿真模型會根據(jù)其運動狀態(tài)自動計算其時間，并不需要設(shè)置時間參數(shù)，同時在仿真序列中創(chuàng)建條件語句來確定何時觸發(fā)以改變參數(shù)。這樣的優(yōu)化設(shè)計大大提高了MCD與PLC通信的可能。

3 數(shù)據(jù)匹配與通信驗證

3.1 XNL與PLC數(shù)據(jù)匹配

MCD運動的邏輯存儲在運動序列編輯導(dǎo)航器中，而在STEP7中則是用S7 GraPh來呈現(xiàn)一個設(shè)計的運動邏輯。在STEP7中支持用PLC語言編寫邏輯程序。為了能夠?qū)CD地址與STEP7地址對應(yīng)匹配，本文運用MCD模型建立的特點，在仿真序列編輯器中以XML文件格式導(dǎo)出仿真數(shù)據(jù)，由于建立模型與運動仿真具有相似的輸入輸出地址，可以在PLC中分配相同的地址。在MCD平臺下，風(fēng)力發(fā)電機運動屬性在仿真序列中呈現(xiàn)與硬件PLC通信數(shù)據(jù)相似的特點，本文運用這一特點進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。以下是風(fēng)力發(fā)電機MCD仿真模型導(dǎo)出的XML文件部分?jǐn)?shù)據(jù)：

由于MCD中部分文件與PLC數(shù)據(jù)地址不能直接匹配，本文在總結(jié)模型建立特點與仿真運動序列邏輯變化的基礎(chǔ)上，提出了新的修改方案：

（1）將風(fēng)力發(fā)電機MCD模型通過仿真序列導(dǎo)航器導(dǎo)出PLC oPen XML，并檢查XML文件輸入輸出數(shù)據(jù)是否完整。建立的模型并不一定能夠完整呈現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)，通過對PLC特點的分析，修改XML文件，將地址為MD20、MD40的變量與PLC輸出變量進(jìn)行匹配，控制風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)與軸承支架的轉(zhuǎn)動［7］。

（2）通過SIMATIC Manager提供的編程平臺，建立工程、選擇PLC型號（本文選擇插入SIMATIC 300 Station），在SIMATIC中進(jìn)行硬件的組態(tài)。利用SIMATIC Manager中資源項Source導(dǎo)入XML文件而不是采用S7 GraPh平臺繪制順序控制圖。

（3）PLC數(shù)據(jù)的配置。在SIMATIC Manager中編譯MCD_DataB1ock、添加MCD_Seq、編輯Seq圖、初始化變量MCD Data、添加主程序OB1、設(shè)置PG/PC Interface。DataB1ock DB1是PLC數(shù)據(jù)塊，將DB1.DBX0.0與DB1.DBB1作為控制風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)與軸承支架轉(zhuǎn)動的硬件PLC地址數(shù)據(jù)。以下給出了本次設(shè)計部分配置地址數(shù)據(jù)：

3.2.OPC與PLC數(shù)據(jù)匹配

MCD中信號不能直接與PLC進(jìn)行通信，MCD提供的外部訪問接口有很多，OPC是最典型常用的，它是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。將PLC地址中的信號數(shù)據(jù)與MCD仿真序列中的信號數(shù)據(jù)在OPC Server中相匹配，PLC中控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)與軸承轉(zhuǎn)動的是OPC Server的輸入數(shù)據(jù)，而OPC Server輸出的數(shù)據(jù)作為PLC控制觸發(fā)條件，這樣在外部的鏈接工作就完成了。圖2為OPC與PLC通信匹配圖。

3.3 NCD與PLC通信驗證

MCD數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)的交互是通過信號傳遞來完成的。硬件PLC中自帶了OPC Server，通過數(shù)據(jù)線就可以實現(xiàn)信號的傳輸。

圖2 OPC與PLC通信匹配圖

本次設(shè)計中采用PLCSIM仿真。在PLC中，OPC Server中的信號是不限的，只要MCD中設(shè)置的信號在PLC中都能夠被接收，通過在PLC上按啟動開關(guān)按鈕、位置控制按鈕實現(xiàn)對MCD運動模型的驅(qū)動。這些運動信號通過網(wǎng)線傳輸?shù)組CD中，MCD再將接收信號轉(zhuǎn)換成具體的仿真運動，從而實現(xiàn)MCD與PLC的連接、虛擬調(diào)試以及自動化控制。回到MCD平臺中，抑制所有的仿真序列，點擊播放，MCD中的模型仍然能夠按照設(shè)計仿真運動，此時MCD中運動邏輯在STEP7中通過PLCSIM仿真控制，實現(xiàn)了MCD模型虛擬監(jiān)控真實發(fā)電機運動狀態(tài)，解決了MCD開發(fā)初期不能作為PLC虛擬監(jiān)控的問題。圖3為MCD與PLC實現(xiàn)通信監(jiān)控狀態(tài)圖。

圖3 MCD與PLC通信監(jiān)控狀態(tài)圖

4 結(jié)論

本文通過對MCD平臺建立的仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，采用XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)的新思路，利用OPC Server作為MCD與PLC的通信橋梁，最終實現(xiàn)了MCD風(fēng)力發(fā)電機虛擬仿真監(jiān)控。MCD在與PLC通信的過程中表現(xiàn)出了清晰直觀、方便監(jiān)控的優(yōu)勢，MCD的優(yōu)勢不僅僅局限于產(chǎn)品運動設(shè)計的過程能夠調(diào)試仿真，它還支持與軟件和硬件的數(shù)據(jù)交互，利用軟件的虛擬調(diào)試來替代原本傳統(tǒng)設(shè)計方案的物理調(diào)試。西門子提供一系列的硬件、軟件可以與MCD進(jìn)行融合，避免了多種品牌硬件、軟件相互發(fā)生沖突的可能。

MCD在現(xiàn)代設(shè)計制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。三維設(shè)計軟件的誕生更加讓人們認(rèn)識到利用計算機輔助平臺，可以幫助設(shè)計者跨越時間、空間制造出客戶所需求的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計很難實現(xiàn)虛擬仿真和虛擬調(diào)試，MCD概念設(shè)計是一種真正實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實、信息交互、協(xié)同控制、虛擬調(diào)試的仿真平臺，定將在“工業(yè)4.0”時代中成為佼佼者。

［1］仇海東.全自動高速紙箱包裝機的設(shè)計及電氣控制［J］.包裝與食品機械，2007，25（6）：44-46.

［2］MAYER M P，ODENTHAL B，WAGELS C，et a1.Cognitive engineering of automated assemb1y Processes［C］.Human Factors &Ergonomics in Manufacturing，2014：313-321.

［3］HAN S H，AL-HUSSEIN M，AL-JIBOURI S，et a1.Automated Post-simu1ation visua1ization ofmodu1ar bui1ding Production assemb1y 1ine［J］.Automation in Construction，2012（21）：229-236.

［4］鐘偉，張建國，李金山，等.基于PLC控制的全自動硬幣包裝線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動化，2011，33（11）：148-152.

［5］何強，楊朱杰，郭晨，等.基于麥克風(fēng)陣列的高信噪比定向采音系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2013，32（1）：14-16，19.

［6］田海，崔杜梅.基于西門子PLC的控制網(wǎng)絡(luò)選擇策略與工程實踐［C］.2009年全國第十四屆自動化應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會暨中國計量學(xué)會冶金分會，2009：458-461.

［7］馬峰，徐和根，趙曼，等.基于FPGA的智能卡控制器的實現(xiàn)

［J］.微型機與應(yīng)用，2013，32（1）：20-22.

王直杰（1967 -），通信作者，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用、數(shù)字信號處理、工業(yè)控制軟件。E-mai1：wangzj@dhu.edu.cn。

沈亮亮（1988 -），男，學(xué)士，MCD高級工程師，主要研究方向：PLM理念的設(shè)計、MCD開發(fā)、UG NX立體模型開發(fā)。

Virtua1simu1ation monitoring of MCD wind Power generator using PLC data matching

Xing Xuekuai1，Wang Zhijie1，Shen Liang1iang2，Gu Zhixin2，Yang Chao3
（1.Co11ege of Information Science&Techno1ogy，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.SIEMENS PLM Software（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai200042，China；3.Co11ege of Mechanica1Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200030，China）

Mechatronics ConcePt Designer（MCD）is a new simu1ation P1atform deve1oPed by SIEMENS Industria1Software Co.Ltd，which is more c1ear and intuitive and convenient than the traditiona1W inCC simu1ation.MCD is sti11 in the research and deve1oPment stage，and in the Process of communication with PLC，it can not achieve the comP1ete data interaction.This PaPer studies how to rea1ize the MCD simu1ation P1atform and the PLC data exchange and rea1ize the virtua1simu1ation monitoring，inc1uding oPtimization of MCD P1atform for the estab1ishment of the motion simu1ation mode1，through the XML variab1ematching of PLC inPut/outPut（I/O）data，using the OPC Server as MCD and PLC communication bridge，so as to rea1ize the data exchange of MCD and PLC，comP1ete simu1ation and monitor.

MCD；virtua1 simu1ation；PLC；monitoring

TP23

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.001

邢學(xué)快，王直杰，沈亮亮，等.采用PLC數(shù)據(jù)匹配的MCD風(fēng)力發(fā)電機虛擬仿真監(jiān)控［J］.微型機與應(yīng)用，2016，35（9）：3-5.

2016-01-15）

邢學(xué)快（1988 -），男，碩士研究生，主要研究方向：工業(yè)自動化控制、Java Web手機APP設(shè)計、繼電保護(hù)。