基于PLCSIM Advanced的MCD伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真研究

【關(guān)鍵詞】PLCSIM Advanced；伺服電機(jī)；虛擬仿真；機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，伺服電機(jī)在各種機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛。然而，傳統(tǒng)的調(diào)試方式依賴于實(shí)際硬件，這不僅消耗大量時(shí)間和資源，還顯著提高了開發(fā)成本。因此，在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用仿真技術(shù)尤為關(guān)鍵。PLCSIM Advanced是西門子公司推出的一款高級(jí)仿真工具，支持S7-1500系列PLC的仿真，并具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力。NX MCD則是西門子數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的重要組成部分，能夠創(chuàng)建設(shè)備的三維模型并進(jìn)行虛擬調(diào)試。本文將結(jié)合PLCSIM Advanced和NX MCD，探討伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真的方法。[1-2]

一、PLCSIM Advanced簡(jiǎn)介

PLCSIM Advanced是西門子為S7-1500系列PLC提供的高級(jí)仿真模擬工具，支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信和多種仿真功能，如WebServer和OPC UA。該軟件可以在無需實(shí)際硬件的情況下，對(duì)PLC程序進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，大大提高了開發(fā)效率。PLCSIM Advanced支持多個(gè)S7-1500控制器的仿真，能夠模擬復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并提供豐富的調(diào)試工具和功能，如在線監(jiān)視、變量追蹤、數(shù)據(jù)跟蹤和邏輯斷點(diǎn)等。[3]

二、NX MCD數(shù)字化仿真平臺(tái)介紹

NX MCD是西門子推出的一款多學(xué)科系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，它集成了機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣控制、運(yùn)動(dòng)仿真及虛擬調(diào)試等功能，為機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化提供了全面的解決方案。NX MCD支持基于模型的設(shè)計(jì)方法，允許工程師在虛擬環(huán)境中對(duì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的仿真和測(cè)試，從而在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。[4]

MCD機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)及仿真是一種全新的機(jī)電設(shè)備工作過程仿真解決方案，可對(duì)包含多物理場(chǎng)以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為的概念進(jìn)行3D建模和仿真。MCD支持功能設(shè)計(jì)方法，可集成上游和下游工程領(lǐng)域，包括需求管理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及軟件/自動(dòng)化工程。MCD專注于包括機(jī)械部件、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)，可加快機(jī)械、電氣和軟件設(shè)計(jì)學(xué)科產(chǎn)品的開發(fā)速度，使這些學(xué)科能夠同時(shí)工作。在進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)和產(chǎn)線研發(fā)過程中，利用MCD軟件資源以虛擬的方式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)技術(shù)，幫助機(jī)械設(shè)計(jì)人員滿足日益擴(kuò)大的需求，不斷提高機(jī)械的運(yùn)作效率、縮短設(shè)計(jì)周期、降低生產(chǎn)成本，是一種高效、環(huán)保的產(chǎn)品開發(fā)新技術(shù)。[5]

三、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真研究

（一）仿真環(huán)境配置

伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的仿真需借助三個(gè)軟件來實(shí)現(xiàn)，包括NX MCD、TIA Portal及PLCSIM Advanced。其中，NX MCD用于創(chuàng)建三維模型，并為其配置機(jī)電屬性和信號(hào)；TIA Portal負(fù)責(zé)硬件組態(tài)及程序編寫；而PLCSIM Advanced作為PLC的高級(jí)仿真工具，充當(dāng)TIA Portal與NX MCD之間的橋梁，接收來自TIA Portal的程序，并與NX MCD建立通信連接，最終使PLC程序能夠控制MCD模型的運(yùn)動(dòng)。本文使用的版本如下。

NX版本：UG NX 2206。

TIA Portal版本：V16。

PLCSIM Advanced版本：V4.0。

（二）仿真流程

整個(gè)仿真流程涵蓋三維模型創(chuàng)建、機(jī)電屬性及信號(hào)配置、PLC編程、信號(hào)映射、仿真以及調(diào)試等環(huán)節(jié)。詳細(xì)流程如下。

1.模型建立及配置

（1）3D伺服電機(jī)及附件三維模型

本文主要探討伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的虛擬調(diào)試，因此需要繪制伺服電機(jī)及其附件的三維模型。最終完成的三維模型如圖1所示，包括伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑塊、滑塊升降氣缸和夾爪等組件。這些模型可以使用UG繪圖軟件創(chuàng)建，在完成裝配后將模式從“建模”切換到“機(jī)電概念設(shè)計(jì)”。也可以利用Pro/E或SolidWorks等主流數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行繪制，并在裝配完成后將其轉(zhuǎn)換為STP格式，導(dǎo)入MCD軟件。

（2）機(jī)電屬性設(shè)置及信號(hào)的配置

機(jī)電屬性設(shè)置涵蓋剛體、碰撞體、滑動(dòng)副及位置控制的配置。在將模型導(dǎo)入NX MCD之后，需針對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑塊、滑塊升降氣缸和夾爪等組件進(jìn)行相關(guān)配置。

隨后，對(duì)伺服電機(jī)及其附屬設(shè)備進(jìn)行信號(hào)配置。滑塊升降氣缸和夾爪各自配置三個(gè)信號(hào)——?jiǎng)幼餍盘?hào)及兩個(gè)限位信號(hào)，數(shù)據(jù)類型均為布爾值。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑塊則主要配置了位置和速度信號(hào)，數(shù)據(jù)類型選擇雙精度浮點(diǎn)數(shù)。編寫公式后，信號(hào)適配器的最終配置如圖2所示。[6]

2. PLC編程

該部分工作主要是在TIA Portal軟件內(nèi)完成，包括PLC的組態(tài)、變量表編寫、虛擬伺服電機(jī)組態(tài)以及程序塊編寫等。

（1）PLC組態(tài)

此部分需注意以下三點(diǎn)。首先，在配置PLC時(shí)，由于PLCSIM Advanced當(dāng)前僅支持1500系列的仿真，新增設(shè)備必須選擇1500型號(hào)的PLC。其次，選項(xiàng)務(wù)必勾選“允許遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT/GET訪問”，具體步驟如下：點(diǎn)擊“設(shè)備配置”——點(diǎn)擊“屬性”——點(diǎn)擊“常規(guī)”——點(diǎn)擊“保護(hù)與安全”——點(diǎn)擊“連接機(jī)制”——勾選“允許遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT/GET訪問”。最后，TIA軟件須確保啟用仿真功能，具體操作為：右鍵點(diǎn)擊“項(xiàng)目”——點(diǎn)擊“屬性”——點(diǎn)擊“保護(hù)”——勾選“塊編譯時(shí)支持仿真”。[7]

（2）虛擬伺服電機(jī)組態(tài)

具體步驟為：在工藝對(duì)象中添加新對(duì)象，并將其命名為“伺服滑塊”；選擇運(yùn)動(dòng)控制中的定位軸以生成DB塊；打開組態(tài)界面，選擇虛擬軸，根據(jù)實(shí)際情況選擇線性模式，其余選項(xiàng)保持默認(rèn)設(shè)置。至此，虛擬伺服電機(jī)的組態(tài)配置已完成，如圖3所示。

（3）變量表的編寫

由于本文主要探討伺服電機(jī)的虛擬仿真，因此為簡(jiǎn)化操作流程，未包含滑塊氣缸及夾爪的變量設(shè)置；僅在變量表中定義了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊的相關(guān)信號(hào)，包括滑塊位置和滑塊速度，數(shù)據(jù)類型均為real。請(qǐng)參見圖4。此外，建議變量名稱與MCD中的信號(hào)名稱保持一致。

（4）程序編寫

實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)需要選擇Main[OB1]-工藝-運(yùn)動(dòng)控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制程序塊。本文使用了MC_POWER（啟動(dòng)/停用軸）、MC_HOME（軸回原點(diǎn)）、MC_MOVEABSOLUTE（軸絕對(duì)位移）以及MC_MOVEJOG（軸點(diǎn)動(dòng)）等幾個(gè)程序塊進(jìn)行伺服電機(jī)的調(diào)試。這些程序塊可用于后續(xù)的程序編寫中。

在程序中，最重要的一步是將伺服電機(jī)滑塊DB塊中的實(shí)際位置和實(shí)際速度傳輸至變量表中預(yù)先定義的變量，隨后通過映射傳遞給MCD模型，確保三維模型與PLC程序同步。具體程序參見圖5。伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)在DB塊中的存儲(chǔ)位置請(qǐng)參考圖6。

3.信號(hào)映射

這部分工作要求將NX MCD的信號(hào)與PLCSIM Advanced的信號(hào)建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)對(duì)仿真模型的控制。

第一步：?jiǎn)?dòng)PLCSIM Advanced軟件；選擇PLCSIM模式；填寫實(shí)例名稱；點(diǎn)擊Start，與TIA Portal中的PLC建立連接；如果檢測(cè)到PLC，信號(hào)燈亮黃燈。

第二步：將編寫完成的PLC程序下載到PLCSIM Advanced軟件中，需要注意的是，在下載時(shí)PG/PC接口選擇虛擬網(wǎng)卡Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter。下載完成后，PLCSIM Advanced軟件信號(hào)燈亮綠色指示燈，表明PLC程序已被成功下載到PLCSIM Advanced仿真軟件中，在后續(xù)操作中應(yīng)避免將PLCSIM Advanced仿真軟件退出。PLCSIM Advanced軟件界面如圖7所示。

第三步：在MCD軟件中進(jìn)行外部信號(hào)配置，建立信號(hào)映射，以實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)對(duì)虛擬模型的控制。具體操作步驟如下：首先，在MCD中打開外部信號(hào)配置界面，選擇通信類型PLCSIM Advanced，并在實(shí)例中選擇在PLCSIM Advanced軟件中已配置的相應(yīng)名稱；更新標(biāo)記后，全選并導(dǎo)入所有PLC變量；接著，打開信號(hào)映射界面，選擇相同的類型和實(shí)例名稱，如同上一步驟的操作；待所有外部信號(hào)顯示完畢后，如果PLC變量表中的名稱與MCD信號(hào)中的名稱一致，就可以選擇執(zhí)行自動(dòng)映射；如果不一致，則需要手動(dòng)執(zhí)行映射，如圖8所示。

4.仿真與調(diào)試

這部分在將PLC程序進(jìn)行在線監(jiān)控后，執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)、回原點(diǎn)及絕對(duì)位移等操作，利用NX MCD的仿真界面監(jiān)控伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試；此外，還可以將特定對(duì)象的信號(hào)添加至“運(yùn)行時(shí)察看器”，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的觀察與分析。驗(yàn)證調(diào)試如圖9所示。

（三）仿真結(jié)果分析

在仿真過程中，利用PLCSIM Advanced的在線監(jiān)控功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的位置、速度及加速度等參數(shù)，并跟蹤控制程序的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，借助NX MCD的仿真界面，能夠直觀展示伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡及其運(yùn)行狀況。仿真結(jié)果顯示，所編寫的控制程序能精確操控伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)需求。

結(jié)語

本文探討了利用PLCSIM Advanced與NX MCD進(jìn)行伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真的方法。在無實(shí)際硬件的情況下結(jié)合使用這兩款軟件，研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)控制程序進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，研究所編寫的控制程序能精確操控伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)需求。此方法可大幅縮減設(shè)備開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，并提升程序的可靠性和穩(wěn)定性。未來，我們將進(jìn)一步研究基于PLCSIM Advanced和NX MCD的復(fù)雜自動(dòng)化控制系統(tǒng)仿真方法，以推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。