工業生產線集成控制與虛擬調試分析

肖 馳

（天門職業學院，湖北 天門 431700）

工業自動化生產線在我國制造業的飛速發展下，正朝著智能化、集成化的方向發展。生產線集成控制系統集計算機技術、通訊技術和自動化技術于一體。工業以太網具有開放性、成本低且支持多種軟硬件的特點，在集成控制系統中有著廣泛應用。虛擬調試技術則是利用仿真平臺對集成系統進行有效監督與控制，有助于設計人員提高設計速度、提升設計質量，使設計流程發生革命性的轉變，以便更好地滿足不斷發展的制造業需求。

1 集成控制軟件的開發

工業以太網具有開放性，能夠支持數種軟硬件且成本造價比較低的特點，因而在集成控制軟件開發中發揮著明顯優勢。集成控制軟件由機器人應用程序、OPC 客戶端和監控程序組成，該軟件的開發主要以C語言為主，借助VS2015 平臺進行相應操作。機器人應用程序可以對所有的機器人控制器實現在線搜索，之后對目標控制器進行自動選擇并進行連接。機器人應用程序的功能是對機械單元信息的讀取，它既可以讀寫I/O 信號，又可以讀取和調用RAPID 程序。OPC 客戶端可以對OPC 服務器進行搜索和連接，以讀寫OPC數據，從而對OPC 組屬性進行設置。監控程序能夠實現截屏、錄像等操作[1]。

機器人應用程序，利用PCSDK 進行開發，其結構如圖1 所示。機器人應用程序包括的功能域有6 個，PC 訪問的應用編程接口也在其中，其主要作用是對ABB 機器人控制器進行訪問。根據實際開發需求，與功能域相關的類建立了聯系。

圖1 機器人應用程序結構

OPC 客戶端的開發。程序需要先對一些信息進行獲取，包括計算機IP、相關名稱等內容，由于OPC 服務器在計算機注冊表中，通過點擊鼠標，則會自動建立連接，如果點擊之后彈出報警彈窗，則代表著計算機中并沒有設置服務器，需要選擇相應的選項建立連接。如果計算機中設置了服務器但是沒有連接成功的話，則需要繼續嘗試直到連接成功為止。服務器連接成功之后，系統會自動建立并默認為缺省組，當然了，如果想要建立自定義組的話，可通過手動設置完成。這樣一來，便可以完整地獲取這一組中的所有數據項。在需要對相關數據進行讀取時，可借助這一程序，在已經清空的列表中將需要讀取的數據全面地顯示出來。如果需要對一些程序進行編寫的話，通過選定需要改變的變量，在寫入編輯框中添加需要編寫的數據信息。值得注意的是，不論是讀取數據，還是編寫數據，在進行過程中都不可將該程序退出來，要待這些讀寫操作全部完成之后，才能進行程序退出的操作。退出程序之后，OPC 服務器便斷開與系統的連接，隨著相關資源的釋放，代表著相應的讀寫操作就此完成。這樣一來，PC 端便可以將數字孿生模型與PLC 數據連接，進行虛擬調試[2]。在開發集成控制軟件時應用多線程技術，可以提高該軟件的執行效率，從而實現對資源的合理利用。該軟件開辟了A、B、C 3 個線程，其中A 線程的任務，主要是用來控制PC 機與機器人之間的通訊。當機器人與A 線程建立連接之后，不僅可以獲取與機器人相關的所有信息數據，同時還可以對機器人RAPID 加工程序進行遠程讀取、加載和調用；B 線程的任務主要負責連接OPC 服務器，以對OPC 組屬性進行修改和獲取。同時還可以獲取OPC 項的詳細信息，以對OPC 項中的具體信息加以修改和獲??；C 線程主要負責的任務是連接所有監控設備，不僅支持畫面截屏功能，還支持錄像功能，從而對整個工業生產線設備進行實時監控。不同的線程無法同時操作同一個對象，如果執意操作的話，容易增加程序運行過程中的風險，情況嚴重的話，甚至還會使整個程序陷入癱瘓狀態。線程同步技術可以很好地解決這個問題，通過使用互斥鎖排他的方式，避免共享對象被多個線程同時訪問[3]。機器人線程與PLC線程對集成控制系統共享數據的讀取同步的邏輯關系如圖2 所示。

圖2 機器人線程與PLC 線程同步邏輯圖

2 虛擬調試

虛擬調試的目的是為了讓相關工作人員對一些重要的數據信息進行完整的獲取，以全面了解整個系統的動態性能，同時為相關工作人員直觀了解系統運行的具體情況提供便利。除此之外，虛擬調試有助于相關人員對系統的軟硬件進行同時設計。在調試過程中，通過及時發現并解決系統運行過程中的障礙，讓系統軟硬件的設計更加完善。實現虛擬測試，自然離不開系統模型的支持，當然，構建系統模型還需要借助NX MCD 平臺，調試過程中，還需要運用集成控制軟件[4]。

2.1 機器人焊接工作站的虛擬調試

構建機器人焊接工作站的主要設施包括1 臺IRR6700-175-305 型機器人和3 臺IRB1600-6-145型機器人，并在工作站的外圍配置一些必要的設施，包括控制柜、固定柱等設施。IRR6700-175-305 型機器人的主要功能是夾持待加工工件，并將這些工件搬運至焊接區，因而需要將該機器人固定在地面底座上。IRB1600-6-145 型機器人在待加工工件焊接過程中發揮著協同控制作用，通過對工件焊接工作進行多方位協助，以提高焊接工作的效率和質量。因此，在布置這3 臺機器人的位置時，應結合實際生產需求，對這3 臺機器人的位置進行合理設置。機器人控制器的執行程序主要由RAPID 語言編寫而成。程序開始執行時，會對各個機器人的起始位置進行檢測，如果檢測到在起始位置，那么這4 臺機器人均會處于等待狀態，其中IRR6700-175-305 型機器人會將加工工件搬運到加工位置，之后進入等待狀態。當系統檢測到待加工工件到達加工位置時，3 臺IRB1600-6-145 型機器人則會從之前的等待狀態進入到工作狀態，開始對工件上表面進行加工。當這些工件的上表面加工完畢之后，這3 臺機器人會自動回到起始位置，重新進入到等待狀態。當系統檢測到3 臺IRB1600-6-145 型機器人均回到起始位置后，IRR6700-175-305 型機器人會將工件的上表面翻轉至下表面，之后進入等待狀態。這時3 臺IRB1600-6-145 型機器人則會由現在的等待狀態轉換到工作狀態，開始對工件進行下表面的加工。當這些工件的下表面全部加工完畢之后，3 臺IRB1600-6-145型機器人則會返回到最初的起始位置，之前的工作狀態在機器人返回到起始位置后重新轉換為等待狀態，準備迎接下一個加工任務的到來。這個時候，IRR6700-175-305 型機器人會向起始位置運送加工完成的工件，它的運行狀態也由之前的工作狀態轉換為等待狀態。這就是自動化工業生產線的整個加工流程。想要系統與建立完成的機器人焊接工作站建立連接，還需要借助集成控制軟件的支持，從而實現對機器人焊接工作站虛擬構建數字孿生模型，對現場進行虛擬調試。在進行虛擬調試過程中，可以及時發現不合理之處，如機器人的位置不合理、相關程序存在運行問題等，則可以結合實際需求進行合理調整，確保工件加工工作順利高效的進行。

2.2 生產線的虛擬調試

自動化工業生產線的搭建需要借助NX MCD 平臺，通過建立PLC 和OPC 服務器之間的連接，對設備進行控制。自動化工業生產線一共包括5 個單元，分別是貨物分揀單元、AGV 小車單元、貼標單元、自動化立體倉庫單元和機器人拆垛單元，不同單元承擔著不同的任務和功能。

貨物分揀單元主要由4 個部分構成，包括輸送帶、荷載生成器、鏈式移栽機、傳感器等。貨物產生過程中，貨物分揀單元中的荷載生成器可對其進行模擬。按照規范標準，通過控制鏈式移栽機，可以將不同顏色的貨物放置在輸送帶上。

小車（AGV）單元也是由4 個部分構成，包括AGV小車、導軌、車輛控制器和目標選擇控制器，為了提高工作效率，根據實際生產需求，在貨物運輸方面可以配備2 臺以上的AGV 小車。

貼標單元的任務是在貨物表面的指定位置上準確地貼上條形碼。傳感器在這一單元運行中發揮著重要作用，通過傳感器對貨物進行檢測，隨即自動完成條形碼的粘貼任務。

鋼結構構成的貨架是自動化立體倉庫單元的重要組成部分，貨架的尺寸不是隨意定制的，而是需要根據貨物的規格與大小進行標準定制，以便更好地滿足貨物存放需求。巷道堆垛起重機主要負責貨物的存取放工作，也是這一單元的重要構成部分。對自動化立體倉庫單元的管理，主要通過計算機技術結合條形碼技術實現。

對PLC 與機器人集成控制主要是通過集成控制系統軟件實現的，通過連接OPC 服務器和PLC，搭建NX MCD 平臺。自程序開啟之后，荷載生成器會隨著程序的開啟而自動生成貨物，而輸送帶也會在程序開啟之后開始運轉。這個時候，貨物會隨著輸送帶的運轉接觸到傳感器，而傳感器具有辨別顏色的功能，可以對貨物的顏色進行準確的辨別。如果貨物的顏色為藍色時，移栽機則不會做出任何的動作；如果貨物的顏色為綠色時，移栽機則會上升，輸送機電動機則會開始正轉；如果貨物的顏色為棕色時，移栽機也會上升，與之前不同的是，輸送機電動機的運轉方向是發轉。當藍色貨物在傳輸過程中觸碰到貼標傳感器時，貼標傳感器可以對貨物的顏色進行準確識別，如果識別到貨物的顏色為指定顏色時，便會在貨物指定粘貼條形碼的位置上，自動地將條形碼粘貼上去。貨物粘貼完條形碼之后，會隨著輸送帶的運轉來到傳感器的尾部，整個貨物傳送程序就此完成，而輸送帶電動機也會就此自行停止運轉，同時將相應的消息指令傳輸給AGV 小車。接收到指令之后，小車（AGV）可以對輸送帶上是否有需要等待運送的貨物進行自動檢測。如果檢測到貨物輸送帶上有貨物滯留，便會將貨物輸送帶上的貨物自行裝好，然后將這些貨物運送至倉庫中空閑的入庫平臺上。這個時候系統會對入庫平臺進行自動檢測，以查看平臺上是否有儲存的貨物，如果檢測到有貨物等待儲存的話，會將相應的指令傳送至巷道式堆垛起重機，由該設備將貨物存儲到倉庫的空貨架上。如果將出庫命令發送至自動化立體倉庫時，巷道式堆垛起重機會將需要出庫的貨物從倉庫中取出來，之后在出庫平臺上擺放出庫的貨物。這個時候，AGV 小車會對出庫平臺進行自動檢測，以查看平臺上是否有需要運送的貨物，如果檢測到有貨物正在等待運輸時，便會自動將這些貨物運送至拆垛輸送帶上，最后向拆垛機器人所在的位置運送這些貨物。當拆垛機器人檢測到需要拆垛的貨物，會自動在貨物的傳動帶上放置這些需要被拆垛的貨物，生產線的整個生產流程就此結束。

2.3 虛擬調試中存在的問題及解決方法

在虛擬調試過程中，發現分揀貨物環節存在著一些問題，主要表現為：一是不同顏色的貨物經過鏈式移栽機時，傳感器并沒有對這些貨物進行準確識別，以至于輸送帶電動機始終保持運行狀態；二是只能識別兩種顏色的貨物。之所以出現這些問題，是因為梯形圖程序的設計缺乏一定的合理性，如果這些問題出現在實際調試中，那么勢必會對設備造成不同程度的損壞。而虛擬測試則很好地解決了這些問題。通過虛擬測試，可以將這些異常情況進行有效規避，同時針對運行過程中存在的問題，可以及時制定與之相應的解決方法，保障設備始終維持良好運行狀態。

其次，AGV 小車裝卸貨目標選擇出錯。生產線的實際情況非常復雜，對AGV 小車的應用有著較高要求，這是因為AGV 小車的目標選擇非常的重要。在裝卸貨過程中，比較容易出現一些不符合操作流程的行為，如AGV 小車從倉庫的出庫平臺取貨后直接放到入庫平臺等情況。想要對這一問題進行有效解決，可以將兩個目標選擇控制器添加到小車單元（AGV）中。其中一個控制器用來監視貼標單元輸送出來的貨物，另一個控制器則是用來監視倉庫單元輸送出來的貨物，然后將這些貨物準確地傳送至拆垛單元輸送帶上。控制貼標單元的控制器有兩個控制點，其中一個用來連接貼標單元輸送帶的末端，另一個連接進庫平臺，同時將Targets 控制點連接拆垛輸送帶。啟動PLC 程序之后，PLC 內部數據可通過OPC 客戶端進行遠程讀寫，這樣一來，便可以有效控制系統模型的運行，經過虛擬調試證實，系統內的各單元模塊均處于良好運行狀態[5]。

3 結束語

綜上所述，將集成控制系統應用在工業生產線中，可對機器人和PLC 建立集成通訊。集成控制軟件的開發，可對機器人焊接工作站虛擬構建數字孿生模型，對現場進行虛擬調試。對于各模塊間的信息交互機線程分配問題，多線程編程技術對此進行了有效解決。通過虛擬調試，可以發現并解決PLC 編程與系統模型中的一些問題，從而將設備運行中的各種異常情況進行有效規避。