面向智能制造加工的虛擬調(diào)試系統(tǒng)開發(fā)與應用

(浙江工業(yè)大學 信息工程學院，杭州 310023)

0 引言

21世紀以來，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通信、人工智能等新技術在制造業(yè)廣泛應用，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不斷發(fā)展，形成新一輪工業(yè)革命的重要驅(qū)動力。面對新一輪工業(yè)革命，世界各國都在出臺制造業(yè)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，美國提出“先進制造業(yè)伙伴計劃”、德國提出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃”，都將智能制造作為本國構建制造業(yè)競爭優(yōu)勢的關鍵舉措[1-2]。與此同時，在“制造強國”和“網(wǎng)絡強國”大戰(zhàn)略背景下，我國也先后出臺了“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等制造業(yè)國家發(fā)展實施戰(zhàn)略，其核心是促進新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，大力發(fā)展智能制造[3-4]。數(shù)字孿生(Digital Twin)[5-7]，作為實現(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的有效方法，是指通過數(shù)字技術來復制物理對象，模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，對整個工廠的生產(chǎn)過程進行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率。數(shù)字孿生正在成為智能制造新趨勢，已經(jīng)在2017、2018和2019年連續(xù)三年被世界領先的科技研究集團 Gartner評為年度十大戰(zhàn)略性技術，預測在不久的將來將有數(shù)十億臺設備擁有數(shù)字雙胞胎，并且到 2020 年，估計將有210億個連接的傳感器和端點投入使用。

虛擬調(diào)試(Virtual Commissioning)[8-10]是數(shù)字孿生最好的應用，虛擬調(diào)試技術是在虛擬環(huán)境中調(diào)試控制設備的代碼，然后通過虛擬仿真來測試和驗證系統(tǒng)方案的可行性，再將調(diào)試代碼應用到真實的場景中。該虛實融合的虛擬調(diào)試技術的優(yōu)勢在于降低了調(diào)試成本和風險、減少了現(xiàn)場調(diào)試時間、提升了工作質(zhì)量、驗證PLC的邏輯及產(chǎn)品的可行性。國內(nèi)外有很多學者對虛擬調(diào)試技術進行了研究，Koo提出了虛擬工廠模型框架，并應用于汽車裝配線中，通過建模和仿真驗證了PLC邏輯[11]。劉玉玲在Roboguide平臺對焊接機器人增材制造進行了虛擬仿真，有效縮短了機器人焊接時間，提高了機器人工作效率[12]。黃永飛開發(fā)了一種面向三維虛擬生產(chǎn)線的PLC仿真控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于PLC Editor的虛擬自動生產(chǎn)線的仿真控制[13]。楊大宇基于Autoform軟件實現(xiàn)了對汽車覆蓋件拉延模具的參數(shù)化虛擬調(diào)試，使模具在制造前就消除了成形缺陷[14]。王春曉采用Modelica進行數(shù)控機床多領域建模并虛擬調(diào)試，對機床實機調(diào)試具有指導意義[15]。

本文首先設計了面向智能制造加工的虛擬調(diào)試系統(tǒng)的總體方案，系統(tǒng)包括三部分：物理控制設備、交互控制軟件和虛擬3D模型；其次根據(jù)系統(tǒng)的功能需求開發(fā)了PC端的交互控制軟件，實現(xiàn)了物理與虛擬信號的交互融合；然后在RoboDK仿真軟件中建立了機器人、立體倉庫、數(shù)控車床加工中心等3D模型，通過PLC、機器人控制器、車床控制器及加工中心控制器進行虛擬調(diào)試，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了PLC程序設計的不合理之處并進行了改善；最后搭建了實驗平臺，通過實驗對智能制造加工系統(tǒng)的可行性進行了驗證。

1 系統(tǒng)總體方案設計

整個系統(tǒng)由物理控制設備、交互控制軟件和虛擬3D模型三大部分組成。物理控制設備以PLC為中央控制器與機器人控制器、車床控制器、加工中心控制器接入同一交換機下，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。PC端設計一款交互控制軟件，采集、監(jiān)控物理設備的數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)系統(tǒng)中物理信號與虛擬信號的交互。在RoboDK軟件中建立加工系統(tǒng)中機器人、立體倉庫、數(shù)控車床及加工中心等3D模型，用來模擬真實的加工系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

以中央控制器PLC為核心，對整個系統(tǒng)進行邏輯控制，并通過交互控制軟件，進行物理信號與虛擬信號的匹配，實現(xiàn)以下功能：1)實現(xiàn)與機器人模型運動指令、運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)的交互；2)實現(xiàn)數(shù)控車床模型安全門開關、卡盤松緊及加工工藝的執(zhí)行；3)實現(xiàn)加工中心模型安全門開關、卡盤松緊及加工工藝的執(zhí)行；4)實現(xiàn)與立體倉庫模型中工件狀態(tài)信息的交互。信號匹配完成后對加工系統(tǒng)進行虛擬調(diào)試來完成加工任務，加工任務由以下幾部分組成：1)機器人夾取立體倉庫中毛坯工件進行工件出庫；2)機器人往數(shù)控車床上料；3)數(shù)控車床加工；4)機器人夾取加工完成的半成品往加工中心上料；5)加工中心加工；6)機器人夾取成品入庫。

2 交互控制軟件設計

交互控制軟件在Visual Studio 2015平臺上進行開發(fā)，基于OSGI.NET插件框架進行軟件設計，數(shù)據(jù)層采用C#編程語言編寫，顯示層采用WinForm高效而又強大的控件集設計。OSGi.NET插件框架, 是OSGi R4.2規(guī)范移植到.NET平臺的實現(xiàn)。具有面向服務架構、動態(tài)模塊化和模塊擴展三大功能。支持控制臺、WinForm、WPF、ASP.NET和移動平臺等任意.NET應用環(huán)境，其體系結(jié)構如圖2所示。

圖2 OSGI.NET體系結(jié)構圖

交互控制軟件的總體設計框架如圖3所示。根據(jù)OSGI.NET插件框架的模塊化和插件化的功能，將每個設備驅(qū)動做成插件，每個插件被獨立開發(fā)，設計了相應的采集層、顯示層和數(shù)據(jù)層。采集層：通過相應設備的應用編程接口(API)，做成數(shù)據(jù)采集器，實時采集設備的數(shù)據(jù)；顯示層：實時顯示物理信號和虛擬信號的詳細信息；數(shù)據(jù)層：將物理信號存儲到Redis數(shù)據(jù)庫，同時讀取Redis數(shù)據(jù)庫中的虛擬信號寫入物理設備。使用Redis高性能數(shù)據(jù)庫，將物理信號和虛擬信號進行緩存，保證了信號交互的實時性。使用Python腳本程序讀取Redis數(shù)據(jù)庫中物理信號來驅(qū)動RoboDK中3D模型，同時將模型的虛擬信號存儲到Redis數(shù)據(jù)庫中，最終反饋到物理控制設備中。

圖3 交互控制軟件總體設計框架圖

交互控制軟件由系統(tǒng)插件和設備插件組成。其中系統(tǒng)插件用于管理設備插件的生命周期，負責啟動、停止及卸載設備插件，能夠挑選任意的插件組裝進行虛擬調(diào)試。機器人插件能夠?qū)崿F(xiàn)與目標機器人控制進行連接、對關節(jié)角及對輸出信號讀取。PLC插件能夠與目標PLC進行連接，對IO信號進行讀寫。數(shù)控車床插件能夠與數(shù)控車床控制器進行連接，對IO信號進行讀寫，省去了數(shù)控車床與PLC的硬件IO接線。加工中心插件能夠與加工中心控制器進行連接，對IO信號進行讀寫，省去了加工中心與PLC的硬件IO接線。具體功能如圖4所示。

圖4 交互控制軟件功能圖

軟件中每一個設備驅(qū)動都由獨立的插件所生成，擁有自己的業(yè)務邏輯及交互界面。插件具有動態(tài)性和隔離性，能夠被動態(tài)安裝、啟動、停止及卸載，同時有獨立的類型加載器和類型空間。OSGi.NET插件框架啟動時，通過BundleRuntime即插件運行時，它是插件的運行容器，會從各個插件目錄中逐一加載和啟動所有插件。

以開發(fā)PLC插件為例，基于OSGI.NET插件框架在winform下開發(fā)插件步驟如下：1)首先在Visual Studio 2015中創(chuàng)建一個winform主應用程序，作為啟動OSGI運行時環(huán)境的入口程序；2)添加核心的UIShell.OSGI引用；3)在Program.cs文件的程序入口點Main函數(shù)中創(chuàng)建啟動插件運行時BundleRuntime，從插件框架獲取PageFlowService服務，利用該服務獲取主界面，然后創(chuàng)建該界面實例，并運行；4)在主程序的輸出目錄下創(chuàng)建一個Plugins文件夾，在該文件夾下建立一個winform工程項目，這個項目即為PLC插件，BundleRuntime會自動從Plugins目錄下加載并啟動插件。插件由一個清單文件(Manifest.xml)、插件本地程序集、插件所需資源和其他文件組成。清單文件Manifest.xml可以定義插件的基本信息、插件的激活狀態(tài)信息、插件類加載的運行時信息及插件的擴展定義信息；5)PLC插件的界面設計采用兩個listView控件來進行PLC的IO信號的更新顯示，每行信號包括信號名、虛擬鍵名、輸入/輸出地址及當前值屬性，信號名為當前信號的描述，虛擬鍵名為當前信號在Redis中的鍵名，輸入/輸出地址為PLC的輸入/輸出地址，當前值為輸入/輸出地址中的信號值，該值會根據(jù)鍵名存儲到Redis中對應的鍵值中。在listView的輸入輸出列表范圍內(nèi)進行右擊，能夠選擇添加信號、修改信號、刪除信號、強制信號及取消強制等功能，信號的信息會寫入到.ini配置文件中，PLC插件操作界面如圖5所示；6)PLC插件的后臺創(chuàng)建了3個線程設計來提高軟件的執(zhí)行速度和運行效率，分別為讀PLC線程、寫PLC線程、刷新界面線程。讀PLC線程的任務是負責連接目標PLC，實時讀取PLC的輸出信號并存儲到Redis數(shù)據(jù)庫中。寫PLC線程的任務是負責連接目標PLC，從Redis數(shù)據(jù)庫中實時獲取設置中所需的信號值并寫入到PLC對應的輸入地址中。刷新界面線程的任務是從Redis數(shù)據(jù)庫中獲取設置信號值并實時顯示在界面上，便于觀察信號的變化。

圖5 PLC插件操作界面

開發(fā)完成之后運行插件， PLC插件具體的運行流程圖如圖6所示。首先設置目標PLC的IP地址，界面上會加載配置文件中已有的信號信息，還需添加信號可以在右擊菜單中進行逐行添加，信號添加完成之后運行插件，成功連接PLC之后將啟動3個線程。

圖6 PLC插件運行流程圖

基于PLC插件的開發(fā)，同樣實現(xiàn)了機器人、數(shù)控車床及加工中心插件，數(shù)控車床和加工中心插件開發(fā)過程與PLC插件類似，機器人插件開發(fā)中只對機器人關節(jié)角數(shù)據(jù)及輸出信號進行讀取，顯示在界面上的同時存儲到Redis數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)管理插件在界面上使用DataGridView控件將插件目錄中的插件列出，并且使用了3個按鈕，分別實現(xiàn)設備插件的啟動、停止和卸載。系統(tǒng)管理與其他設備插件操作界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)管理及其他插件操作界面

3 系統(tǒng)的虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試可以在項目開始的早期，利用物理控制設備和虛擬的3D模型來模擬整個加工過程，不僅減少了調(diào)試的時間和成本，而且在辦公室就能對控制設備程序進行邏輯檢查，最終驗證產(chǎn)品設計的可行性。在RoboDK軟件上建立加工系統(tǒng)的模型，然后通過交互控制軟件來調(diào)試該模型。RoboDK軟件中加工系統(tǒng)工作站如圖8所示。

圖8 加工系統(tǒng)工作站示意圖

加工系統(tǒng)工作站由以下幾部分組成：匯博20 kg型機器人、機器人夾爪、Neway數(shù)控車床、Neway加工中心、立體倉庫、控制柜、機器人軌道及圍欄。立體倉庫中每個倉位存放著工件，機器人負責搬運工件進行出庫、上料及入庫，立體庫中使用傳感器來模擬RFID，記錄工件的狀態(tài)，數(shù)控車床負責加工毛坯工件，加工中心負責加工半成品。

中央控制器PLC的控制程序用梯形圖語言編寫，機器人控制器的執(zhí)行程序由匯博機器人腳本語言編寫，在數(shù)控車床和加工中心的控制主板中使用G代碼編程。

加工系統(tǒng)的虛擬調(diào)試環(huán)境搭建完成后，通過交互控制軟件實現(xiàn)物理控制設備與工作站中模型的信號交互，與每個設備程序中相對應的輸入輸出信號如圖9所示。

圖9 設備輸入輸出信號圖

圖10 工作站運行流程圖

加工系統(tǒng)工作站運行流程圖如圖10所示。程序啟動，首先是系統(tǒng)的初始化，機器人回到初始位置，數(shù)控車床和加工中心的卡盤緊和安全門關閉。初始化完成之后PLC根據(jù)指令調(diào)度機器人去立體倉庫的相應倉位取毛坯工件，取件時候?qū)⒐ぜ臓顟B(tài)寫入倉位中的傳感器，即RFID寫入，然后PLC調(diào)度機器人夾取毛坯件往數(shù)控車床上料，完成后進行RFID寫入，更新工件狀態(tài)，PLC請求執(zhí)行相應的數(shù)控車床加工程序，數(shù)控車床開始對毛坯工件加工，加工完成之后，再進行RFID寫入，更新工件狀態(tài)，PLC調(diào)度機器人去數(shù)控車床取件，然后夾取半成品放置到加工中心，完成后進行RFID寫入，更新工件狀態(tài)，PLC請求執(zhí)行相應的加工中心加工程序，加工中心對半成品加工，加工完成之后，RFID寫入，更新工件狀態(tài)，PLC調(diào)度機器人去加工中心取件，機器人夾取成品進行入庫，RFID寫入，更新工件狀態(tài)，此時機器人處于等待狀態(tài)，如果還有工件需要加工，PLC會繼續(xù)調(diào)度機器人執(zhí)行下一個加工任務，直到所有工件加工完畢。

在虛擬調(diào)試的過程中，不可避免地會出現(xiàn)一些問題，如圖11所示，第一個問題是機器人往數(shù)控車床上料，此時數(shù)控車床的安全門處于關閉狀態(tài)，導致機器人直接撞擊在安全門上；第2個問題是機器人往加工中心放件，加工中心的卡盤處于緊閉狀態(tài)，導致工件無法正常放入；第3個問題是機器人直接繞過了數(shù)控車床，將毛坯工件送到了加工中心；第4個問題是數(shù)控車床加工完成后，機器人沒有去取件。

圖11 工作站虛擬調(diào)試問題

上述問題如果發(fā)生在工作現(xiàn)場，會損壞加工設備及或者造成加工過程無序。經(jīng)過檢查，前兩個問題出現(xiàn)的原因是PLC梯形圖程序設計存在問題，機器人往數(shù)控車床上料之前沒有給安全門開信號，往加工中心上料之前沒有給卡盤松信號。后兩個問題出現(xiàn)的原因是RoboDK中的信號初始化及地址發(fā)送錯誤，數(shù)控車床的加工完成信號初始化為已完成狀態(tài)，導致機器人提前往加工中心上料；數(shù)控車床加工完成之后，發(fā)出的加工完成信號的地址不是PLC梯形圖程序中設定的加工完成信號地址。針對問題的具體原因，進行了PLC梯形圖程序的改正及RoboDK中正確的初始化及信號的匹配，最后虛擬調(diào)試中，工作站能夠按照工序正常的運行，工作站正常運行如圖12所示。

圖12 工作站虛擬調(diào)試過程圖

4 實驗驗證

通過虛擬調(diào)試對系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性和可靠性測試，在工廠搭建了智能制造加工系統(tǒng)的實驗平臺進行實驗。實驗平臺包括PC機、控制柜、立體倉庫、匯博機器人、機器人夾爪、RFID讀寫器、KND數(shù)控車床及加工中心。其中PC機負責下載機器人和PLC程序，控制柜中包括SIMATIC S7-1200和匯博機器人控制器，RFID讀寫器負責對立體倉庫對應倉位中芯片進行讀寫，更新工件狀態(tài)。系統(tǒng)實驗平臺如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)實驗平臺

將PC機、PLC、機器人、RFID讀寫器、數(shù)控車床及加工中心接入同一交換機下的局域網(wǎng)中，并分配相應的IP地址，在機器人示教盒中載入機器人程序，操作模式調(diào)成自動并且啟動機器人， PC機通過博途軟件載入PLC梯形圖程序，啟動智能制造加工系統(tǒng)，運行流程和虛擬調(diào)試中一樣，系統(tǒng)運行實驗如圖14所示。其中數(shù)控車床和加工中心信號在虛擬調(diào)試中是通過工業(yè)以太網(wǎng)與其它設備交互的，省去了與PLC的硬件IO接線，在實驗場景中，主控PLC配置了2個16入/16出的繼電器輸出型的輸入/輸出模塊，分別用于與數(shù)控車床及加工中心進行信號交互。系統(tǒng)運行中與虛擬調(diào)試對應的機器人倉庫取件、數(shù)控車床上料、數(shù)控車床加工、加工中心上料、加工中心加工以及成品入庫任務均能夠完成，沒有發(fā)生異常，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

圖14 系統(tǒng)運行實驗

5 結(jié)束語

本文設計并實現(xiàn)了面向智能制造加工的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，以PLC為中央控制器，通過工業(yè)以太網(wǎng)與機器人控制器、數(shù)控車床及加工中心控制器進行通訊。交互控制軟件采用插件化模式進行開發(fā)，降低了設備驅(qū)動之間的耦合度，每個設備插件能夠被獨立地開發(fā)、測試和部署。Redis數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了物理信號與虛擬信號的緩存，保證了信號交互的實時性。在加工系統(tǒng)的虛擬調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)并解決了PLC編程及信號匹配的問題，避免了在現(xiàn)場調(diào)試中對設備的損害。通過現(xiàn)場的實驗驗證了加工系統(tǒng)方案的可行性。結(jié)果表明，通過虛擬調(diào)試技術降低了智能制造加工系統(tǒng)的調(diào)試成本，縮短了調(diào)試的周期，并且給系統(tǒng)加工準備提供了有效的解決方案。