基于PRODAVE通訊的柔性制造仿真系統設計

王 琳 尹 鵬 武建新 高志發 付志忠

(內蒙古工業大學機械學院，內蒙古呼和浩特010051)

柔性制造系統(FMS)是在計算機系統的作用下，由多個控制系統組合起來構成的一種適用于多品種、中小批量生產的先進制造系統[1]。自20世紀80年代以來，其作為邁向工廠自動化的第一步，已獲得了廣泛的應用。伴隨著工業4.0的到來，高度自動化的柔性制造系統迎來一個高速發展的契機[2]。控制系統程序不斷更新、復雜度日益增加等現狀，已經成為企業發展的掣肘。

同時傳統的控制程序開發是完全基于理論的。項目設計完成后，下載到硬件PLC中，通過LED顯示燈觀察輸入輸出量的變化。程序應用到現場系統中會出現很多問題，后期調試非常困難。這種系統開發方式過度依賴現場設備，從而導致系統開發周期長，研發效率低，難以適應當下柔性制造系統快速更新的節奏。

針對某企業程序研發調試困難等問題，本文采用組態仿真開發平臺創建虛擬系統的方法，為工程人員提供一種經濟可靠的研發途徑。企業僅需提供實物PLC與一臺計算機，研發人員可以使用PRODAVE通訊技術連接計算機虛擬工程與硬件PLC中的控制程序。通過直觀的系統運行畫面，對比理想控制效果，實時更改程序，達到最優控制系統，從而有效地縮短柔性制造系統控制程序研發周期。

1 系統整體構架

為解決某企業研發需求，本文將仿真技術充分融入到生產線，設計了基于PRODAVE通訊的柔性制造仿真系統，系統總體構架如圖1所示。圖中控制系統設計采用西門子全集成自動化編程軟件TIA Portal V15，分析系統控制方案，根據任務需求，完成虛擬硬件組態、創建通訊方式、I/O信號分配以及控制程序設計。然后使用西門子SIMIT仿真開發平臺搭建底層虛擬工程，繪制虛擬設備界面，設計運動參數和圖形信號，創建圖形運動控制程序與邏輯函數算法。最后將TIA Portal編輯完成的控制項目下載到硬件PLC中，使用PC-Adaptor USB通訊電纜連接計算機，虛擬工程根據接受到的控制數據運行仿真程序與邏輯算法，得出位置、速度、加速度等各種參數，輸出與指定傳感器一致的電信號，送往控制系統，實現對被控對象的實時控制。

2 系統實現關鍵技術

2.1 組態軟件仿真技術構架

組態軟件創建仿真控制系統實質上包括3個基本要素:系統、系統模型和計算機，基本規則包括:控制部分、仿真模型和通訊部分[3]。如圖2所示為組態軟件仿真技術構架圖。

模型界面包括被控對象部分和控制面板部分，應用組態軟件由自身集成的圖元工具制作，也可以由第三方模型導入。創建的模型，必須遵循圖形美觀、詳盡原則，清晰表達控制環境和被控對象運動。模型創建時，需要配置任務需求的運動特性參數，插入運動控制腳本，確保圖形連接信號后生成虛擬控制畫面。

控制部分包括I/O信號分配，虛擬傳感器布置，圖形運動控制程序和仿真邏輯算法設計等。程序設計可以基于圖形化語言，也可以基于高級語言。圖形化語言為軟件中集成的組件模塊，通過邏輯算法將各個模塊進行連接，輸出參數信號。高級語言程序設計，通常基于C或C++，在軟件腳本中輸入控制語言，編譯運行程序，使其輸出控制畫面需求信號。

通訊部分包括仿真系統內部通訊和外部通訊。內部通訊指前臺模型與后臺邏輯通過Connector連接器連接。外部通訊指仿真過程與控制程序通過PRODAVE通訊方式進行數據傳輸。

2.2 PRODAVE 通訊技術

生產廠家對于PLC通訊協議保密，把PC各種編程功能、數據處理功能與PLC控制功能聯系起來，實現上位機與下位機之間的數據通訊，成為柔性制造系統設計人員面臨的一個問題[4]。

PRODAVE——過 程 數 據 交 換 (process data traffic)可以在高級語言開發環境中[5]，與合并到用戶程序中的功能進行組合，調用PRODAVE自身動態鏈接庫中包含的大量Windows操作系統DLL函數[6]。本文所使用的是PRODAVE V6.2版本通訊工具包。

PRODAVE MPI/IE V6.2運行時，通過 MPI、Profibus-DP通訊模塊或以太網接口模塊等硬件設備，在高級開發語言環境中應用“Cycle_Read”、“DB_Read/Write”、“Filed_Read/Write”等方式建立 PLC 與PC的數據通訊[7]。

數據通訊原理，實質是計算機通過PRODAVE網關，強制訪問控制器的CPU過程映像區，如圖3所示。由圖中可知，PC讀寫PLC中數據，有兩種方式:方式一，不通過I/O端口，直接在過程映像區的輸入中寫入0或1，再由過程映像區的輸出反饋數據到PC；方式二，在過程映像區中寫入信號，由過程映像區刷新數據到PLC的I/O模塊，再由I/O模塊的輸出端口反饋數據到PC。

使用這兩種方式時，STEP 7和SIMIT程序中的輸入輸出地址是關鍵。以S7-300系列PLC為例，SIMIT程序的I/O信號時間片段小于等于10(500ms)時，STEP 7和SIMIT程序中的I/O信號地址一定要大于實際PLC中的I/O模塊地址。過程映像區刷新數據的時間要大于SIMIT I/O信號傳輸時間，即當SIMIT程序的I/O信號時間片段不夠長時，過程映像區不足以將數據傳給I/O模塊。對于計算機仿真控制系統，不需要實際I/O模塊做出反應，控制程序輸入輸出地址范圍不做要求，這是上述方式一通訊原理。使用方式二通訊時，SIMIT程序的I/O信號時間片段大于過程映像區刷新數據的時間，控制程序中的I/O信號地址就可以設置為I/O模塊的地址范圍。

2.3 數據通訊結構設計

實物控制器半虛擬仿真系統可以有2種PRODAVE連接通訊結構，如圖4所示:一種是使用一臺計算機完成讀寫PLC數據的工作，但是由于MPI適配器為RS485兩線制半雙工通訊，當STEP 7將程序下載到PLC中，關閉STEP 7軟件，否則SIMIT讀不到數據；另一種是兩臺計算機分別完成PLC數據的讀寫，因為要同時傳輸數據，所以要同時使用PLC中的MPI和Profibus數據串口。

3 應用實例

本文所參考的柔性制造系統是基于某有限公司為研發團隊所設計的柔性生產線系統模型。該系統硬件設備包括1臺并聯型加工機器人，1臺碼垛機器人，立體倉庫，運料傳輸帶，如圖5所示為制造系統立體圖[8]。

如圖6所示，為實際模型系統運行現場，分析該系統控制特點可知，數字加工系統動作單一，控制較為簡單，物料儲運系統中傳感器數量多、控制信號復雜。柔性制造系統中所有動作信號都是由物料儲運系統中的傳感器進行檢測并發出的，控制難度較大，設計虛擬系統時著重體現物料儲運系統控制。

本文所設計的虛擬仿真系統運行界面及控制現場如圖7、圖8所示。與物理系統被控對象運行狀態對比，運動規律、控制效果相同。仿真系統運行完成時間短，可以隨時暫停仿真，實時更改調試程序。物理系統啟動較復雜，運行周期較長，干擾因素較多。

4 結語

本文從柔性制造系統角度出發，針對某企業程序研發調試困難問題，提出了創建虛擬控制系統進行仿真的方案。主要研究并設計了該控制系統的虛擬仿真系統以及系統實現的PRODAVE通訊技術，創新點是基于實物控制器控制虛擬柔性生產線進行程序研發，實現了柔性制造系統研發過程中實時、快捷的調試程序，符合當代工業自動化不斷更新優化的理念。對比PLC程序應用到實物系統的控制效果，虛擬系統運行仿真過程中，運行穩定、實時快捷等特點，均達到了預期目標，證實了該設計方案的可行性。

.知識窗.

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自動焊工作臺(manipulator)其操作平臺可以升降，自動焊小車可在平臺軌道上移動與調整，工作臺及其主柱可在軌道上移動，以適應自動焊縱縫和環縫的焊接。與焊接操作機類同。

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