動力產品線PDPS虛擬調試的應用

陳 浩，張 賀，王體金，劉 毅，石 剛，2

（1. 寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2. 浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

1 引言

近年來，制造業的數字化水平快速發展，企業的自動化程度越來越高。虛擬調試技術在國外自動化領域已經普及，而目前國內汽車行業動力生產線使用該技術仍是較少。對于工藝復雜的動力生產線，為提升產品競爭力，生產線的柔性化程度也越來越高。同時企業為降本增效，自主改造的任務也越來越繁重，如果采用傳統設備調試方式，不能將工藝設計和設備調試進行協同，較長的現場調試周期[1]，從而加大了企業開發新產品的周期，對于未提前發現工藝設計存在的潛在問題，也會給現場設備和企業造成巨大損失。虛擬調試技術的應用，從而解決了目前傳統調試方式的技術問題[2]，運用PDPS（Process Designer & Process Simulate ）仿真軟件，在虛擬環境中搭建生產工位和生產線仿真模型，通過OPC通信接口，將虛擬仿真模型和PLC、HMI進行信號交互[3]，通過虛擬仿真實現設備的自動化，提前驗證PLC的控制邏輯。對于提前發現的設計問題，設計工程師進行提前規避，對于PLC控制邏輯問題，電氣工程師進行重新編寫和優化，最終將虛擬調試完的PLC程序下載給現場設備，從而實現工藝設計和設備調試的協同，縮短現場調試周期。

本虛擬調試對象為發動機生產線某工位，此工位包含輸送輥道、電機、機器人、擰緊槍等設備。通過虛擬調試技術，用于PLC邏輯的驗證，虛擬HMI能夠手動和自動模式，能夠控制虛擬設備的運行，實現PLC信號和PS 內創建的I/O 信號交互。虛擬調試是復雜的系統技術，需要工藝、電氣、機器人和仿真等領域的技術人員相互配合[4]，其虛擬調試需求團隊如圖1所示。

圖1 虛擬調試團隊

2 虛擬環境搭建及仿真

將設備和產品模型進行輕量化處理，并按功能進行劃分，導入PD的資源庫和產品庫中，搭建有效協同的虛擬環境，為后續虛擬調試提供調試環境。

根據工藝工程師提供的Layout布局圖，將導入資源庫和產品庫中的模型進行布局和落位，建立仿真模擬場景，如圖2所示。

圖2 工位模型

將PS加載的3D模型進行設備動作的Pose編輯，對于輸送輥道、機器人夾具、轉臺和擰緊槍等進行機構定義，對于運動的機構設定合理的范圍，主要包含夾具的打開與關閉、轉臺旋轉、舉升機構的上升與下降及機器人的運行軌跡等，根據機構的具體動作定義機構姿態。

3 虛擬調試介紹

3.1 術語和定義

1）虛擬調試（Virtual Commissioning，VC）：在機器人離線編程完成的基礎上，通過對工位內設備進行邏輯化處理，實現與PLC的信號交互，進行程序聯調的過程。

2）邏輯塊（Logic Block，LB）：在PS內創建，將自動工位內的信號進行邏輯處理，輸出正確的信號點狀態的模塊，編輯完成后會生成新的Cojt文件至數據庫。

3）智能元件（Smart Component，SC）：建立在仿真數模基礎上，編輯內容保存在原數模Cojt文件內。智能元件通過制定引腳，關聯正確的信號點，然后進行邏輯處理，使PS內數模能夠接受PLC信號并進行相應動作和反饋。

4）物料流（Material Flow）：虛擬調試過程中，工位內產品流向通過物料流進行控制，產品的生成與最終工位出口處的處理均有物料流決定。

3.2 虛擬調試流程

虛擬調試開始于機器人離線編程結束后，在PS仿真數據內進行平臺搭建，搭建完成后與PLC程序進行聯調測試。在真實產線調試之前實現設備程序控制邏輯的驗證和評估，虛擬調試完整流程如圖3所示。

圖3 虛擬調試流程

3.3 硬件需求

本項目虛擬調試沒有借助虛擬機（Virtual Machine，VM），而是在兩臺PC端進行調試，一臺為PS仿真端，另一臺為PLCSIM端，硬件PLC為西門子S7-300，其軟硬件需求見下表。

表 軟硬件需求

3.4 建立OPC通信

Tecnomatix平臺支持多種通信接口，本項目采用OPC和NetToPLCsim軟件建立了PS與PLC之間的通信[5]。運用PLCSIM進行程序邏輯控制仿真，OPC及NetToPLCsim進行聯合工藝仿真與程序邏輯控制方案的可行性，包含工藝方案、PLC邏輯控制和HMI程序控制等[6]，確保在現場虛擬調試之前能夠驗證所有的機構動作及工藝驗證，綜合虛擬調試狀況來判斷是否滿足現場需求，對于虛擬調試中PLC邏輯問題點進行評估和優化，減少現場電氣工程師調試工作量，其通信原理如圖4所示。

圖4 通信原理

本項目使用PLCSIM與HMISIM建立互聯，實現互聯需要建立三個連接：①PLCSIM與OPC Server 連接；②PS仿真與OPC Server連接；③HMISIM與PLCSIM連接。三個連接的簡單介紹如下：

1）PLCSIM與OPC服務器連接。①當SIMATIC NET軟件安裝完成后，點擊“Station Configurator”快捷鍵，選擇1號插槽添加IE Genaral，選擇要使用的網卡；②重復上述操作在3號插槽中添加OPC Server 配置完成；③針對所選擇的有線網卡配置IP地址。

2）PLCSIM與OPC服務器連接。①在Portal V15.1版本中，創建項目并添加IE和OPC服務器，并配置其IP地址；②將完成組態的PC站，點擊下載按鈕，將組態下載到PC站中；③下載完成后，打開“Station Configuration Editor”窗口檢查組件狀態，OPC Server出現連接圖標，則說明連接激活，否則進行重新配置。

3）數據通信測試。①打開PLCSIM，選擇通信方式為TCP/IP；②管理員運行“NetToPLCsim”并添加IP地址，并啟動連接服務；③運行OPC Scout工具，當完成PC Station組態下載后，可用此工具進行OPC Server和PLC的數據通信測試。在連接S7 connection_1下新建輸入Q變量，并拖入DA View窗口，運行監視，若顯示質量為“good”，則說明通信成功。至此OPC Server同PLCSIM間的通信連接建立完畢。

4）PS在線仿真與OPC Server連接。①在PS中創建新項目，在Options的PLC選項中選擇External Connection添加OPC連接；②配置OPC連接，選擇OPC DA Server文件下創建的Q信號通道，根據信號數據類型選擇Server address或Server name，至此PS中信號變量通道設置完成。

4 虛擬調試應用

4.1 PS在線仿真與OPC Server連接

根據電氣工程師編寫的PLC程序梳理I/O信號，將PS中的I/O信號點和PLC對應信號進行匹配，對于機器人的信號配置，其通信信號全部創建在“Robot Signal”中，每臺機器人的“Robot Signal Name”保持一致；虛擬調試過程中，機器人品牌需要調用指定的LB，機器人端信號的創建和命名需要依據不同的信號模板，設定機器人的啟動信號和到達位置點等待信號等，設置完的信號如圖5所示。

圖5 機器人信號

1）傳感器信號。傳感器信號用于檢測工位內產品和機構位置的準備，其檢測范圍常用接近傳感器和長距離傳感器兩種；傳感器需要進行定義數據類型，其創建產生的傳感器Cojt文件存放于數據后臺文件夾中，其創建傳感器信號需要關聯在邏輯塊中，才能夠起作用，如圖6所示。

圖6 傳感器邏輯塊

2）擰緊機構信號。本虛擬調試工位中，擰緊槍機構的控制較為復雜，涉及到擰緊槍旋轉、速度及擰緊槍的位移等參數，需要創建單獨邏輯塊，實現PLC對于擰緊槍的邏輯控制，同時在擰緊邏輯塊輸出需要寫控制邏輯，對于不同的機構其控制邏輯存在差異，對于機構的邏輯控制需要進行靈活運用，期間存在的邏輯問題需要進行多次嘗試和修改，其擰緊槍的邏輯塊如圖7所示。

圖7 擰緊槍邏輯塊

4.2 虛擬聯調及運行

本項目采用PLCSIM信號控制板和HMI進行信號的控制，同時對于PLC程序的運行進行監控，PS內強制關閉和打開信號觀察地址是否正確。HMI端信號報警后，手動復位按鈕，PLC能夠執行復位功能。根據設備動作運行邏輯逐步驗證PLC程序控制邏輯、控制信號交互、設備狀運行等方面進行評估是否滿足設計要求。

1）設備手動測試。PLC通過HMI或PLC程序手動控制工位各設備，觀察動作是否正確，設備傳感器的反饋信號是否正常。

2）設備自動測試。PLC通過HMI手動點擊自動循環，完全由PLC進行控制，完成整個工位的自動生產流程，對于運行期間設備出現報警HMI能夠提示，實時反饋運行狀態。PLC程序監控如圖8所示。

圖8 PLC程序監控

5 結束語

本文系統完成了發動機某工位的虛擬調試，通過OPC DA通信接口實現了西門子PS與PLC的信號交互，在虛擬環境中搭建設備模型，能夠真實反應現場設備狀態。實現了工藝設計和設備調試的協同。與傳統調試方式相比，能夠在設備現場調試前完成電氣PLC邏輯的驗證，從而節省了現場調試時間，有助于縮短新設備和設備改造周期，從而提升產品競爭力。

隨著智能制造的加快，虛擬調試技術已應用各行業，各領域工程師相互協作，從而實現了工藝設計與現場調試的協同，降低將設計轉化為產品的風險，從而拓寬了制造行業轉型的方向。