虛擬PLC驅(qū)動的生產(chǎn)線調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計

張耀武,劉 宇,馬付建,尹 劍,楊大鵬

(大連交通大學機械工程學院,遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、云計算及人工智能的不斷發(fā)展,生產(chǎn)制造業(yè)正朝著數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型,特別是近幾年隨著數(shù)字孿生技術(shù)的研究,生產(chǎn)線正向著物理空間與信息空間實時交互融合的方向發(fā)展[1]。而虛擬調(diào)試技術(shù)是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)之一,是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的重要步驟。相比于實物調(diào)試,虛擬調(diào)試不需要搭建硬件設(shè)備,只靠軟件即可進行生產(chǎn)制造之前的調(diào)試工作。同時虛擬調(diào)試系統(tǒng)的搭建也為數(shù)字化車間、數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)提供了先行條件。

生產(chǎn)線在搭建之前,通過虛擬調(diào)試的方式可快速模擬出實際運行情況,在投入生產(chǎn)之前進行程序測試,方便及時更改運行邏輯或是工位工時的設(shè)置,使其符合企業(yè)需求。在生產(chǎn)線建設(shè)前期的虛擬調(diào)試方面,王剛等[2]通過Tecnomatix平臺與OPC技術(shù)、建立虛擬化仿真平臺,通過模型和電氣控制實現(xiàn)虛擬化的車身焊裝生產(chǎn)線投產(chǎn)前的調(diào)試;王佩玉等[3]提出一種跨平臺的自動化生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng),將SolidWorks繪制的生產(chǎn)線模型導入Unity3D軟件中,通過掛載C#程序的方式賦予生產(chǎn)線上工業(yè)機器人的運動,用三菱PLC程序控制軟件與Unity3D通信完成生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試;柯志勝等[4]在數(shù)字孿生生產(chǎn)線搭建的基礎(chǔ)上,基于CodeSys平臺設(shè)計出包含人機交互、集成通信等模塊的虛擬調(diào)試系統(tǒng),虛擬控制器通過OPC UA通信方式對虛擬生產(chǎn)線進行控制,實現(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試。由于NX MCD軟件功能強大,其仿真系統(tǒng)包含了機械、電氣及自動化等方面的設(shè)計,可以滿足市場大部分機電產(chǎn)品的開發(fā)需求,而且操作簡單方便,通信方式多樣。近些年,通過NX的MCD(機電概念設(shè)計)平臺進行虛擬調(diào)試逐漸成為趨勢,朱金達等[5]通過NX MCD平臺,并設(shè)計PLC程序,對鋼絲滾絲機進行虛擬調(diào)試,獲得了鋼筋加工受力、速度、位置等加工數(shù)據(jù),為滾絲機的設(shè)計提供了有力的幫助;任長清等[6]基于NX MCD平臺對木窗成型加工機床進行設(shè)計并通過PLC控制進行虛擬調(diào)試,驗證設(shè)計的可行性;趙橄培等[7]通過PLC與MCD平臺研究了翻轉(zhuǎn)機械手的虛擬調(diào)試系統(tǒng),經(jīng)過驗證,程序無錯誤,機械運動無干涉,完成了前期的調(diào)試工作。

S7-PLCSIM Advanced是西門子推出的一款虛擬PLC軟件,通過該軟件無需PLC設(shè)備即可模擬出PLC控制器,這使得調(diào)試工作可以變得更安全、高效,且成本更低。本文基于該軟件,設(shè)計了生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試系統(tǒng),首先采用NX的MCD模塊對生產(chǎn)線進行機電概念設(shè)計,其次通過TIA portal軟件對西門子PLC進行編程與組態(tài),最后借助虛擬PLC仿真實現(xiàn)“虛擬模型-程序-虛擬PLC”軟件在環(huán)的“純虛擬”調(diào)試系統(tǒng)。并將該系統(tǒng)實際應(yīng)用到生產(chǎn)線實驗中,經(jīng)驗證,實現(xiàn)了虛擬PLC信號與虛擬生產(chǎn)線的信號交互,完成了生產(chǎn)線的調(diào)試與驗證。該系統(tǒng)優(yōu)點在于不需任何物理設(shè)備,在PC端1人即可完成1條生產(chǎn)線的調(diào)試驗證工作,通過HMI人機交互界面測試人員即可實現(xiàn)對生產(chǎn)線進行調(diào)試和對數(shù)據(jù)及程序的監(jiān)視,可以通過對工時工序的不斷修改與調(diào)試,獲得符合生產(chǎn)要求的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)和程序。該方案可用于生產(chǎn)線搭建之前的調(diào)試,或是用于生產(chǎn)線操作員在虛擬環(huán)境下的培訓工作,亦或是工程師遠程對生產(chǎn)線的修改驗證或調(diào)整。

1 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試整體方案

1.1 軟件方案

生產(chǎn)線建模裝配利用Siemens的NX軟件,并使用NX的MCD模塊賦予模型運動學、物理學特征和電氣屬性,并通過設(shè)置仿真序列讓模型模擬現(xiàn)實運行。NX搭載強大物理引擎,動態(tài)仿真效果逼真[8]。MCD可以通過信號映射功能與外界信號交互,支持OPC DA、OPC UA、PLCSIM Adv、MATLAB和PROFINET等多種通信協(xié)議。PLC程序編寫及HMI人機交互界面開發(fā)使用Siemens的TIA portal軟件。作為當前自動化設(shè)計的主流平臺,TIA portal可以對SIMATIC S7-1200、S7-1500等系列的PLC進行組態(tài)、編程和仿真。最后通過PLCSIM Advanced軟件建立S7-1500的虛擬PLC,并與NX的MCD進行信號映射。PLCSIM Advanced不僅可以仿真PLC程序,還可以仿真多種通信,如S7、Socket及WEB SERVER等[9],不需要硬件即可進行通信測試。

軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試方案如圖1所示,相比于傳統(tǒng)的實物調(diào)試,NX的MCD通過虛擬模型的搭建代替了現(xiàn)實機電產(chǎn)品的功能;TIA的程序編寫與HMI界面開發(fā),代替了電氣程序設(shè)計與實際操作界面;PLCSIM的虛擬PLC仿真功能代替了實際的PLC程序載體,即PLC控制器的功能。由此完全將傳統(tǒng)的調(diào)試方案步驟全部實現(xiàn)虛擬化。

圖1 軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試方案

1.2 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試概念模型

數(shù)字孿生是一項可實現(xiàn)物理空間與信息空間交互的技術(shù),而虛擬調(diào)試作為虛擬環(huán)境的信息交互技術(shù)應(yīng)用之一,與數(shù)字孿生有很大相似之處。根據(jù)數(shù)字孿生五維概念模型[10],1個完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括:物理實體、虛擬實體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和連接5個部分。由此搭建的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試概念模型如圖2所示,該框架由生產(chǎn)線物理實體、生產(chǎn)線虛擬模型、虛擬PLC、虛擬調(diào)試系統(tǒng)及連接驅(qū)動5部分組成。

圖2 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試概念模型

虛擬調(diào)試概念模型中生產(chǎn)線物理實體是企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的載體,需要根據(jù)虛擬調(diào)試系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試優(yōu)化后的指令去進行生產(chǎn)任務(wù),同時根據(jù)生產(chǎn)線虛擬模型經(jīng)過仿真調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問題去優(yōu)化結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)活動,如生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)要素的調(diào)整;生產(chǎn)線虛擬模型是實體生產(chǎn)線的鏡像體,可以模擬實際生產(chǎn)線的動作,實現(xiàn)生產(chǎn)過程真實仿真,在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)潛在問題并反饋,使實體得到優(yōu)化;虛擬調(diào)試系統(tǒng)根據(jù)實際生產(chǎn)任務(wù)與指令進行模擬調(diào)試,根據(jù)調(diào)試結(jié)構(gòu)對實體進行決策優(yōu)化,同時控制虛擬模型的仿真過程,根據(jù)生產(chǎn)線要求執(zhí)行仿真任務(wù)。三者通過虛擬PLC互相連接,實現(xiàn)交互。該模型不僅打通了軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試系統(tǒng),也為數(shù)字孿生生產(chǎn)線的建設(shè)提供參考。

1.3 虛擬PLC驅(qū)動的調(diào)試方案

虛擬PLC驅(qū)動的調(diào)試系統(tǒng)原理如圖3所示。首先在NX的MCD環(huán)境中搭建生產(chǎn)線三維模型,該平臺是集CAD/CAE/CAM為一體的平臺,支持多種模型文件導入并進行仿真[11],該平臺需要對可運動部件設(shè)置機電屬性,根據(jù)運動方式設(shè)定仿真序列;其次在TIA中對PLC和HMI進行組態(tài),編寫生產(chǎn)線程序段,開發(fā)HMI人機交互界面;最后啟動PLCSIM虛擬PLC軟件來模擬真實PLC,將TIA寫好的程序下載到虛擬PLC中,通過HMI操作與程序監(jiān)視完成PLC仿真過程。在MCD中通過PLCSIM Adv通信與虛擬PLC進行連接,將虛擬PLC的信號與MCD仿真序列的信號進行映射,完成該生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試系統(tǒng)。通過HMI人機交互界面操作,并配合MCD動態(tài)畫面完成生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試任務(wù)。

圖3 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng)原理

2 機電概念設(shè)計

2.1 機電屬性定義

在NX MCD環(huán)境中,只有將模型賦予機電屬性,模型才能運動,這是虛擬調(diào)試的基礎(chǔ)。這些物理屬性賦予了各部件在MCD物理場中運動的能力,通過對基本機電對象的設(shè)置,定義剛體、碰撞體為零件賦予物理學特征,這些零件將受重力、摩擦力等的影響。繼而為零件添加運動副,通過鉸鏈副的設(shè)置可使零件實現(xiàn)繞設(shè)定點轉(zhuǎn)動,滑動副可使零件沿設(shè)定軸滑動。最后添加位置控制,位置控制可以為可運動部件設(shè)定運動幅度、速度和上下限等條件,通過以上步驟完成生產(chǎn)線模型的零部件機電屬性定義。在完成位置控制后,即可通過仿真序列去控制這些可運動部件的運動條件,如當設(shè)置需要用傳感器控制升降臺上升的仿真序列時,對象選擇為升降臺氣缸,運行時參數(shù)控制輸入為1表示升起,條件為“IF(傳感器)已觸發(fā)=true”,設(shè)置完成后當升降傳感器觸發(fā)時就會讓升降臺升起,否則落下。在與PLC映射信號時,需要先將仿真序列里的選擇對象選為設(shè)定的信號,生產(chǎn)線的MCD環(huán)境配置整體分4步,機電概念設(shè)計步驟如圖4所示。在機電設(shè)計與仿真設(shè)計完成后需要用MCD與PLCSIM的虛擬PLC信號完成信號連接。

圖4 生產(chǎn)線MCD環(huán)境機電概念設(shè)計步驟

2.2 MCD環(huán)境信號配置與連接

在NX的MCD環(huán)境中進行信號部署時,首先要添加信號與信號適配器,信號需要連接傳感器或之前設(shè)置的位置控制,信號添加完成后要將其置入仿真序列。信號添加完成后,同時虛擬PLC在啟動狀態(tài),此時可以通過MCD里的外部信號配置,選擇PLCSIM Adv通信通過添加可選擇虛擬PLC產(chǎn)生的外部信號,選擇所有發(fā)現(xiàn)的PLC信號,完成外部信號配置。外部信號配置完成后,在信號映射,繼續(xù)選擇PLCSIM Adv通信和虛擬PLC實例,通過執(zhí)行MCD環(huán)境的自動映射,使外部信號與MCD的信號一一對應(yīng)完成映射,此時二者的信號被連接起來。

3 虛擬PLC環(huán)境配置

3.1 設(shè)備組態(tài)與程序設(shè)計

虛擬調(diào)試之前需要對PLC環(huán)境進行配置,首先要搭建組態(tài)任務(wù)。如圖5所示為使用SIMATIC S7-1500系列的PLC和1個KTP700的HMI進行的組態(tài),設(shè)置不同以太網(wǎng)地址后進行連接,之后根據(jù)生產(chǎn)線要求,按照生產(chǎn)線運動方式與條件編寫PLC程序。

圖5 PLC與HMI組態(tài)

3.2 HMI人機交互界面設(shè)計

為了方便調(diào)試設(shè)備與PLC程序驗證,開發(fā)該生產(chǎn)線的HMI交互界面,主界面如圖6所示,除了有常規(guī)啟動急停功能之外,還設(shè)有多個界面,通過手動自動模式切換按鈕,可以跳轉(zhuǎn)對應(yīng)頁面進行模式切換。通過工位節(jié)拍設(shè)置按鈕可以跳轉(zhuǎn)節(jié)拍設(shè)置頁面,另外還有IO監(jiān)視界面可以查看當前狀態(tài)的輸入輸出信號。

圖6 HMI主界面設(shè)計

3.3 啟用虛擬PLC仿真

通過PLCSIM Advanced軟件啟動S7-1500的虛擬PLC,此虛擬PLC命名后,啟動后程序?qū)⑾螺d到設(shè)備中,如果PLC指示燈顯示綠色,表示虛擬設(shè)備已在運行中,此時PLC環(huán)境搭建完成。至此,軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試系統(tǒng)已經(jīng)完成部署,只需將虛擬PLC的信號與NX MCD的信號進行連接即可開始調(diào)試。

4 虛擬調(diào)試試驗

4.1 試驗生產(chǎn)線

本文以1條多品種小批量生產(chǎn)線為例,通過軟件在環(huán)方案為其搭建虛擬調(diào)試環(huán)境,該生產(chǎn)線工作流程如圖7所示,設(shè)有8個工位,托盤從工位1開始,搭載待組裝零件沿著箭頭方向運行,經(jīng)過8個工位人員的不同操作將零件組裝成最終產(chǎn)品。生產(chǎn)線上每個工位均裝有1個行程開關(guān)和1個阻擋器,當托盤經(jīng)過行程開關(guān)時會觸發(fā)計時,阻擋器會將托盤阻擋在該位置,使其停留在此工位,待計時達到預(yù)定工時后,阻擋器收縮托盤被放行,托盤進入下一工位,繼而重復(fù)前面流程。在工位4之后有2個升降臺,托盤到達后被升降臺傳感器1檢測到,此時2個升降臺升起并啟動升降平面上的傳送帶,托盤被送往工位5方向,待傳感器2檢測到托盤到達對面升降臺后,升降臺落下,托盤繼續(xù)沿箭頭方向運行。

圖7 生產(chǎn)線工作流程

4.2 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試流程

在搭建完生產(chǎn)線模型后,根據(jù)前文虛擬調(diào)試系統(tǒng)原理,首先進行MCD環(huán)境配置,其次,在TIA porta中進行PLC環(huán)境配置,并將程序下載到虛擬PLC中,最后將PLC信號與MCD信號進行映射,啟用虛擬PLC進行虛擬調(diào)試。本條生產(chǎn)線虛擬調(diào)試流程如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試流程

4.3 搭建MCD環(huán)境

通過對生產(chǎn)線所有部件的零件建模和裝配,得到生產(chǎn)線三維模型如圖9所示。托盤兩邊的鏈條帶動托盤行走,其中行程開關(guān)為1個小輪子,被壓倒即觸發(fā),阻擋器為1個大輪子,放行時由氣缸控制縮入平面下,示意圖如圖10所示。在建模完成后按照前述要求對該虛擬模型進行機電概念設(shè)計。

圖9 生產(chǎn)線虛擬模型

圖10 行程開關(guān)和阻擋器示意圖

4.4 虛擬調(diào)試試驗

在完成PLC環(huán)境配置和信號通信后對生產(chǎn)線進行調(diào)試,虛擬PLC連接后,啟動TIA程序仿真,同時在MCD中啟動虛擬模型,生產(chǎn)線仿真開始運行,此時調(diào)出HMI仿真界面,可以通過對HMI的操作控制生產(chǎn)線的運行,也可通過HMI的IO監(jiān)視界面查看當前輸入輸出信號情況。同時在HMI操作時,也可以通過TIA portal里的監(jiān)視操作查看當前程序運行情況。

通過圖11可以看到,此時在MCD中托盤正在升降臺上運輸,升降臺已經(jīng)升起,這時打開HMI的IO監(jiān)視界面可以看到,此時升降臺傳感器1被觸發(fā),升降臺1和升降臺2的皮帶正在運轉(zhuǎn),升降臺1的氣缸也在升起狀態(tài)(升降臺2氣缸負責監(jiān)視落下狀態(tài))。同時在調(diào)試時打開TIA portal的程序并啟用監(jiān)視,此時通過對HMI的模式切換頁面進行操作,可以看到當前狀態(tài)切換為手動,并點擊了“升降臺升”按鈕,此時左側(cè)程序圖顯示此時手動升起程序已在運行。

圖11 虛擬PLC驅(qū)動調(diào)試運行

5 結(jié)束語

本文提出一種虛擬軟件在環(huán)的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng),通過虛擬PLC仿真輸出PLC信號,驅(qū)動NX MCD環(huán)境運行虛擬調(diào)試。該系統(tǒng)不需要任何實物設(shè)備,也無需PLC設(shè)備,僅通過1臺PC就可控制程序運行和調(diào)試并驗證機械設(shè)計的合理性。以1條生產(chǎn)線為例開發(fā)了其虛擬調(diào)試系統(tǒng),驗證了方案可行性,同時驗證了PLC程序的合理性,供調(diào)試人員參考。另外本文提出一種虛擬調(diào)試概念模型,后續(xù)研究可以將虛擬調(diào)試系統(tǒng)與物理設(shè)備結(jié)合,這同時也為生產(chǎn)線的數(shù)字孿生建設(shè)提供了參考。