全鴻偉，胡華麗，陳韶光，劉奇波

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.南寧精能發(fā)電設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

虛擬仿真也叫虛擬現(xiàn)實技術(shù)或數(shù)字模擬技術(shù)，它通過虛擬軟件系統(tǒng)來模仿搭建真實的運行系統(tǒng)[1]。在智能制造技術(shù)應(yīng)用中，基于計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬仿真軟件正在引領(lǐng)制造方式變革，虛擬仿真軟件與生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合起來，采用軟硬件相結(jié)合的方式，協(xié)調(diào)相關(guān)硬件設(shè)備，形成虛擬仿真系統(tǒng)，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化及自動化，形成運行在個人計算機上、實現(xiàn)自行設(shè)計與開發(fā)，以及遠程控制與協(xié)作的測試方式。借助虛擬仿真技術(shù)，可以將調(diào)試數(shù)據(jù)與學(xué)校實驗室、企業(yè)生產(chǎn)一線等多方資源相結(jié)合，共建共享。

由于生產(chǎn)中用于現(xiàn)代電氣控制設(shè)備（PLC）的編程軟件，以及用于工業(yè)機器人的編程軟件都是獨立運行的軟件，在設(shè)備生產(chǎn)調(diào)試時這兩種軟件無法滿足在工控機中PCL與工業(yè)機器人相互連通，不能實現(xiàn)相對應(yīng)的設(shè)備在虛擬仿真環(huán)境中運行調(diào)試，增加生產(chǎn)線的調(diào)試時間和強度，甚至出現(xiàn)在疫情期間，由于技術(shù)工程師無法及時到工廠生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試設(shè)備而導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)線停工的現(xiàn)象。對此，筆者創(chuàng)新開發(fā)了能使兩類不同編程軟件實時進行數(shù)據(jù)交互的仿真通訊技術(shù)，實現(xiàn)了PLC在虛擬環(huán)境中控制工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的運行，同時也可以通過遠程通信方式，對現(xiàn)場的設(shè)備運行情況進行遠程監(jiān)控。

1 設(shè)計思路

總體設(shè)計思路：虛擬仿真測試是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及與其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，采用“面向?qū)ο蟆眲?chuàng)建能夠?qū)崟r操作的、非實在的測試空間。筆者通過西門子TIA Portal軟件用于PLC的編程與仿真調(diào)試，RobotStudio軟件用于ABB工業(yè)機器人的離線編程與仿真調(diào)試，通過計算機語言自行開發(fā)的通訊組件，實現(xiàn)虛擬環(huán)境中各種預(yù)定的測試項目。首先，在RobotStudio軟件的三維立體空間視角下，將企業(yè)使用的ABB工業(yè)機器人、上位機、控制器、生產(chǎn)流水線等設(shè)備按照工廠車間中的位置導(dǎo)入，完成虛擬環(huán)境的布局，并對工業(yè)機器人進行通信配置；其次，在TIA Portal軟件中，按照電氣原理圖設(shè)置變量及企業(yè)生產(chǎn)工藝流程要求，在梯形圖中使用編程語言指令，完成順序控制、延時、計件等功能的編程；然后，在S7-PLCSIM Adv中創(chuàng)建一臺虛擬的PLC設(shè)備，并在RobotStudio軟件中導(dǎo)入用計算機編程語言自行開發(fā)的組件，實現(xiàn)虛擬的PLC相關(guān)信號與RobotStudio軟件中機器人相關(guān)信號的實時通信；最后，完成虛擬環(huán)境下工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的調(diào)試與仿真運行。其總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案示意圖

1.1 RobotStudio軟件中工業(yè)機器人通信配置

RobotStudio軟件能自動生成工業(yè)機器人運行路徑，能節(jié)省大量調(diào)試時間。通過使用待加工零件的CAD模型，在數(shù)分鐘之內(nèi)便可自動生成跟蹤加工曲線所需要的機器人路徑，而這項任務(wù)以往在企業(yè)實際生產(chǎn)調(diào)試中，常常需要數(shù)小時甚至數(shù)天中的反復(fù)測量調(diào)試。工業(yè)機器人的DeviceNet是面向時間關(guān)鍵型應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，用CAN（控制器局域網(wǎng)）作為骨干技術(shù)，定義應(yīng)用層，以涵蓋一系列設(shè)備配置文件。提供預(yù)定義的主從連接設(shè)置服務(wù)，包括：顯式消息傳送、輪詢響應(yīng)服務(wù)和狀態(tài)/循環(huán)更改服務(wù)。當通過UCMM端口或者Group2非連接顯式請求端口建立一個顯式報文連接后，這個連接可用于從一個節(jié)點向其他節(jié)點傳送信息，或建立I/O信息連接，其功能主要是接收/發(fā)送信號，是工業(yè)機器人集成系統(tǒng)中機器人通信模塊中重要的組成部分，RobotStudio軟件中包含了DeviceNet通信功能，具體實施如圖2所示。

圖2 DeviceNet參數(shù)參數(shù)設(shè)置

在配置DeviceNet參數(shù)，短接片的8號和10號被切斷了，其他位完好。當該短接片插接到X5端子的6號～12號接線柱時，由于6號為邏輯地（即0V），因此7號、9號、11號和12號接線柱的輸入均為0V（即邏輯0）；而8號和10號由于被切斷，因此其輸入視為高電壓（即邏輯1）；由于8號接線柱對應(yīng)2的1次方（結(jié)果為2），10號接線柱對應(yīng)2的3次方（結(jié)果為8），因此該節(jié)點的地址2+8=10，所以將“Address”設(shè)置為“10”。

在對具體的I/O變量設(shè)定時，為了能讓信號在虛擬仿真環(huán)境中被讀取或?qū)懭?，需要將Access Level更改為“ALL”，這一步很重要也很容易被忽略成默認值“Default”。其具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 I/O變量設(shè)定

當仿真平臺完成路徑軌跡調(diào)試后，通過設(shè)置DeviceNet參數(shù)，使其能接收外部信號，這是虛擬仿真應(yīng)用的重要步驟，一旦建立了I/O信息連接，就可以在整個集成系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)之間傳送I/O數(shù)據(jù)。用戶通過在虛擬仿真環(huán)境中離線開發(fā)或維護工業(yè)機器人程序，縮短編程時間，改進程序結(jié)構(gòu)。

1.2 TIA Portal軟件中虛擬PLC通信配置

TIA Portal軟件是全集成自動化編程軟件，讓工程師能對觸摸屏、PLC、驅(qū)動進行編程調(diào)試和仿真操作。軟件支持的S7-PLCSIM Adv是一個在Windows環(huán)境下運行的高功能仿真應(yīng)用程序，其不僅可以仿真PLC程序，還能仿真MODBUS TCP通信、S7通信、Socket通信、WEB SERVER等，不需要硬件也可以做通信測試。企業(yè)工程師可以通過遠程通訊方式，實現(xiàn)對生產(chǎn)線的監(jiān)控，并借助其仿真功能開發(fā)新的工藝流程等。OPC技術(shù)成為了PLC控制器與不同廠家的機電設(shè)備產(chǎn)品之間進行通信的一種常用手段，它提供了過程控制中現(xiàn)場設(shè)備的一種共同的標準接口[2]。如圖4所示，在S7-PLCSIM Adv在計算機上生成一個虛擬網(wǎng)卡，筆者通過將軟件中的IP地址設(shè)置成和實際產(chǎn)線中PLC的IP地址為同一網(wǎng)段，并輸入虛擬PLC實例名稱thinger1和IP地址192.168.1.20、子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，點擊按鈕“Start”即創(chuàng)建新的虛擬PLC實例。

圖4 S7-PLCSIM Adv參數(shù)設(shè)置

將新開發(fā)的PLC工藝流程程序?qū)隨7-PLCSIM Adv進行仿真測試，可以得到和連接實物一樣的運行數(shù)據(jù)。采用虛擬模型的安全測試方案，避免了對工廠實際生產(chǎn)線的損壞，同時還可以縮短工廠由于需要設(shè)備調(diào)試而暫停生產(chǎn)的時間。

1.3 通信組件開發(fā)與應(yīng)用

OPC UA是一個由30多家制造企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的開放跨平臺架構(gòu)，具有較高的安全性和可靠性，為自動化生產(chǎn)系統(tǒng)提供了新的信息模型和抽象體系結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型嵌入到服務(wù)器地址空間中，支持大量的通用服務(wù)，已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同制造的通信標準[3]。

在通信組件開發(fā)過程中，利用Socket確認網(wǎng)絡(luò)連接、本地IP、遠地IP、遠程、遠地進程協(xié)議這五種必備的信息。如圖5所示，為Socket接口通信結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)圖6所示的Socket函數(shù)算法。

圖5 Socket接口通信結(jié)構(gòu)圖

圖6 Socket函數(shù)算法

以下為開發(fā)通信組件部分程序：

通過電腦編程語言，實現(xiàn)在TCP/IP通信協(xié)議下，支持IRC5 OPC UA Server的工業(yè)機器人編程軟件通過RSConnectDIOToSnap7組件，將相關(guān)數(shù)據(jù)信號傳遞到在同一個操作系統(tǒng)中的支持OPC UA框架協(xié)議的TIA Portal軟件中。同時，TIA Portal軟件中的數(shù)據(jù)信號也能傳遞到工業(yè)機器人的編程軟件中。當兩個獨立的軟件能互相讀取到對方的數(shù)據(jù)時，便可以啟動兩個軟件的仿真程序，進行在虛擬環(huán)境中的測試操作。

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

由于仿真系統(tǒng)的一些局限性，無法對輸入存儲區(qū)I進行仿真操作，因此采用中間寄存器M來模擬[4]。在PLC中添加了模擬外界開關(guān)信號M1O.O和M1O.1，模擬手爪傳感器的磁性開關(guān)反饋信號M1O.2、M10.3，還有控制氣動手抓的夾緊與松開的輸出信號Q2.0，控制機器人末端執(zhí)行結(jié)果安裝快換裝置的輸出信號Q2.1，安全工作指示信號燈Q3.0、Q3.1等。如圖7所示。

圖7 Smart組件邏輯關(guān)系示意圖

將這些PLC變量信號通過RobotStudio的Smart組件功能，按照相關(guān)邏輯關(guān)系進行連接，并將信號綁定到DeviceNet的I/O信號端子，通過TIA Portal軟件中WinCC的組態(tài)功能，實現(xiàn)PLC的流程控制與工業(yè)機器人的示教控制融通。在電腦三維仿真視角下，電腦屏幕的仿真動作與現(xiàn)場設(shè)備實際執(zhí)行指令的動作相一致，達到“數(shù)字卵生”的智能制造效果。如圖8所示。

圖8 “數(shù)字卵生”的智能制造效果

運用工業(yè)機器人運動控制仿真平臺與PLC之間的通信系統(tǒng)，采用了符合與TCP/IP協(xié)議的Socket通信接口，完成了在虛擬仿真系統(tǒng)中工業(yè)機器人發(fā)送/接收相關(guān)指令信息給PLC，再利用PLC的工藝流程控制工業(yè)機器人對數(shù)控機床上下料的集成應(yīng)用，實現(xiàn)了通過PLC控制工業(yè)機器人集成系統(tǒng)仿真應(yīng)用的技術(shù)創(chuàng)新。將實體工業(yè)中的各個模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)整合到一個虛擬的體系中去，在這個體系中模擬實現(xiàn)工業(yè)作業(yè)中的每一項工作和流程，并與之實現(xiàn)各種交互，加強設(shè)備之間數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，提高生產(chǎn)有效性的同時，預(yù)防或減少由誤操作造成的故障，保護系統(tǒng)和數(shù)據(jù)完整性，防止故障、生產(chǎn)錯誤和生產(chǎn)停工現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時有效保護相關(guān)設(shè)備的機密數(shù)據(jù)、信息。PLC的程序通過S7-PLCSIM Adv仿真軟件將指令信號發(fā)送到了機器人的仿真軟件RobotStudio中，觀察到機器人能接收到信號，并啟動第七軸將機器人平移至數(shù)控機床，進行上下料的動作。

之前兩個相互獨立的軟件，互不兼容，無法在同一臺工控機交替使用，只能實現(xiàn)單類設(shè)備的仿真調(diào)試，如果需要兩種不同類型設(shè)備集成調(diào)試，必須借助實體設(shè)備來檢驗調(diào)試結(jié)果，通過基于S7-PLCSIM Adv的工業(yè)機器人集成系統(tǒng)仿真技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，兩個獨立的軟件可以識別對方的數(shù)據(jù)信號，從而在沒有實體設(shè)備的情況下，也能進行程序的調(diào)試和仿真運行。

3 結(jié)語

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基[5]。而現(xiàn)代職業(yè)教育依托虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊、人工智能等新一代信息技術(shù)，將最新的技術(shù)和企業(yè)的崗位技能要求深度融合，以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合，在滿足企業(yè)技術(shù)升級的同時，也增強了職業(yè)院校教師的技術(shù)創(chuàng)新水平和社會服務(wù)意識。運用仿真軟件搭建與真實產(chǎn)線完全一致的虛擬環(huán)境，進行控制程序調(diào)試與仿真運行，可以幫助設(shè)計人員快速發(fā)現(xiàn)諸如碰撞、工件掉落等安全問題，保障人身和設(shè)備安全。本研究雖然實現(xiàn)了兩個獨立軟件的相互通信，但是還有許多其他類似的設(shè)備沒有測試，還需要優(yōu)化程序架構(gòu)，導(dǎo)入更多的模型，增加最新的通信協(xié)議，適應(yīng)更多產(chǎn)線的調(diào)試應(yīng)用需求。