基于虛擬仿真工廠(Factory IO)的工程實踐研究

劉振昌

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)系 天津 300350)

0 引 言

在工控領(lǐng)域主流的控制器依然為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，而隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，PLC已不再是簡單數(shù)字量、模擬量的應(yīng)用，而是具備網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字化交互、先進控制器部署的工業(yè)化綜合應(yīng)用器件。PLC編程與應(yīng)用是自動化領(lǐng)域必學(xué)的技能之一，是一門實操性很強的技能，對于想從事編程工作的人群來說，需要經(jīng)過大量的實操練習(xí)。在實驗過程中需要自行編寫程序并下載到PLC設(shè)備中進行調(diào)試，但因常規(guī)被控對象多使用小型實訓(xùn)控制臺和指示燈指示信號狀態(tài)而缺乏直觀性[1]。在實際應(yīng)用中，PLC廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域，被控對象多為大型設(shè)備，一些代表性的場景如自動化生產(chǎn)線、輸送傳送帶、溫度液位控制等，由于建設(shè)復(fù)雜、維護困難，很難離線仿真模擬。而借用數(shù)字孿生思想半實物仿真的形式，一方面可以解決大型設(shè)備的安全性問題，降低成本，提升調(diào)試效率；另一方面也可以自己搭建仿真環(huán)境進行編程調(diào)試完成學(xué)習(xí)。因此，只需要一臺電腦即可完成編程與可視化調(diào)試工作，脫離了對硬件的依賴，使學(xué)習(xí)者在任何地點任何時間都可以學(xué)習(xí)[2-3]。

1 半實物場景搭建與應(yīng)用

本文主要利用虛擬仿真工廠(Factory IO)搭建的仿真模型，與TIA Portal V16利用PLCSIM Advanced實現(xiàn)S7通信協(xié)議連接，通過TIA編寫PLC程序，對虛擬場景被控對象進行控制，實現(xiàn)磨具蓋和磨具底座的搬運及組裝等功能[4]。

1.1 場景總體功能

Factory IO 虛擬仿真模型主要由對射傳感器、光電傳感器、滾輪傳送帶、皮帶傳送帶、轉(zhuǎn)盤、兩軸機械臂、三軸機械臂等組成，包含物料搬運、物料裝配和轉(zhuǎn)盤裝置3個模塊，功能示意如圖1所示，箭頭為物料傳送方向。此模型主要是對磨具裝配搬運進行場景仿真[5]。

圖1 功能示意圖 Fig.1 Functional diagram

1.2 子模塊設(shè)計

1.2.1 物料搬運模塊

物料搬運模塊如圖2所示。物料搬運由實木托盤供料站、磨具底座供貨站、實木托盤傳送帶-1、磨具底座傳送帶、實木托盤傳送帶傳感器-1、磨具底座傳送帶傳感器、三軸機械臂、控制柜等組成。

圖2 物料搬運模塊示意圖 Fig.2 Schematic diagram of material handling module

物料搬運模塊負責(zé)將磨具底座搬運至木托盤的正上方，其中包含2個物料站，一個負責(zé)產(chǎn)生木托盤轉(zhuǎn)運，另一個負責(zé)產(chǎn)生磨具底座轉(zhuǎn)運，均由傳送帶傳送到指定位置，三軸機械臂進行抓取放置于木托盤正上方?？刂乒裆嫌袉?、停止、復(fù)位按鈕，當(dāng)按下啟動按鈕后，運行指示燈亮起，2處物料站分別產(chǎn)生木托盤和模具底座，木托盤由實木托盤傳送帶-1運送到實木托盤傳送帶傳感器處，磨具底座由磨具底座傳送帶運送到磨具底座傳送帶傳感器處，最后三軸機械臂吸盤運動至磨具底座傳送帶傳感器進行下降抓取，抓取完成后上升，向?qū)嵞就斜P傳送帶傳感器處木托盤上方移動，將模具底座放置到托盤上方。

1.2.2 物料裝配模塊

物料裝配模塊如圖3所示。物料裝配模塊由兩軸機械臂、定位氣缸、模具蓋傳送帶傳感器、模具蓋傳送帶、磨具蓋供貨站、一號傳送帶傳感器、一號傳送帶等組成。

物料裝配模塊負責(zé)將磨具蓋抓取放至木托盤上的磨具底座之上，其中包含2個部分，一個是負責(zé)產(chǎn)生磨具蓋的供貨，另一個是負責(zé)抓取裝配的兩軸機械臂，由磨具蓋傳送帶將磨具蓋傳送至定位氣缸處，最后經(jīng)由兩軸機械臂抓取放置裝配到一號傳送帶傳感器處的磨具底座上。

經(jīng)由前一個工藝流程磨具搬運后，木托會在一號傳送帶的傳送下到達一號傳送帶傳感器位置處停止，磨具蓋供貨站會產(chǎn)生一個蓋子，由磨具蓋傳送帶傳送到定位氣缸處，當(dāng)蓋子經(jīng)過磨具蓋傳送帶傳感后定位氣缸會開始動作，夾緊蓋子松開，矯正蓋子的位置，兩軸機械臂開始下降抓取蓋子，抓取完成后上升，到位后旋轉(zhuǎn)至一號傳送帶磨具底座的上方，此時機械臂開始下降進行裝配，完成后回到初始位置。一號傳送帶繼續(xù)運行，把裝配好的磨具送入下一個工藝流程。

1.2.3 轉(zhuǎn)盤裝置模塊

轉(zhuǎn)盤裝置模塊如圖4所示。轉(zhuǎn)盤裝置模塊由轉(zhuǎn)盤、二號傳送帶傳感器-1、二號傳送帶、二號傳送帶傳感器-2、儲存?zhèn)}庫等組成。

圖4 物料裝配模塊 Fig.4 Material assembly module

當(dāng)磨具到達轉(zhuǎn)盤中間位置后，轉(zhuǎn)盤會向左旋轉(zhuǎn)，到達位置后會被傳送到二號傳送帶處，當(dāng)木托遮擋二號傳送帶傳感器-1后傳送帶開始轉(zhuǎn)動，將物料傳送至儲存?zhèn)}庫中，由二號傳送帶傳感器-2狀態(tài)控制計數(shù)器記錄入庫磨具數(shù)量。

上述3個子模塊整體搭建出半實物仿真模型如圖5所示。

圖5 磨具裝配與搬運半實物仿真場景 Fig.5 Semi-physical simulation scene of grinding tool assembly and handling

2 Factory IO與TIAV16聯(lián)合仿真

通過Factory IO提供的工業(yè)部件完成模型搭建后，與自動化編程軟件(TIA V16)聯(lián)合仿真需要通過如下步驟實現(xiàn)[5]。

①調(diào)用Factory IO庫中的模型，如傳感器、傳送帶等部件，組裝成模型，注意部件不能懸空，調(diào)整傳感器位置、感應(yīng)距離等，確保其能正確按照設(shè)計進行動作；其次配置輸入輸出IO數(shù)目，根據(jù)實際需求進行配置布爾型、雙字型IO的數(shù)目。

②為確保Factory IO與PLC能正常通信，需要進行屬性配置。首先設(shè)置Factory IO連接的方式，F(xiàn)actory IO 提供了多種連接選項，可通過PLCSIM Advanced連接或IP尋址連接S7-1200/S7-1500 PLC。如果直接連接S7-1200/S7-1500 PLC，需要選擇正確的網(wǎng)卡和IP地址，進行網(wǎng)卡和IP的配置；如果通過PLCSIM Advanced建立虛擬PLC，需要建立S7-1500虛擬PLC。目前PLCSIM Advanced僅支持S7-1500 PLC進行編程控制，使用該仿真軟件僅需進行簡單的網(wǎng)卡選擇和IP設(shè)置，即可實現(xiàn)通信連接。

③配置IO接口變量地址，場景搭建完成后會生成相對應(yīng)的變量名，也可自行對變量名進行新的命名。以拖拽Factory IO配置選項中的變量名到相應(yīng)地址中，此處的變量地址與 TIA V16中相應(yīng)變量地址是一致的，TIA V16的變量也可由Factory IO選項中導(dǎo)出，然后導(dǎo)入TIA V16的變量表中，正確完成設(shè)置后，F(xiàn)actory IO可與PLC正常通信，實現(xiàn)聯(lián)合仿真。該仿真場景變量分配如圖6所示。

圖6 仿真場景變量分配示意圖 Fig.6 Schematic diagram of variable allocation in simulation scenes

3 半實物仿真場景系統(tǒng)程序設(shè)計

該磨具裝配與搬運半實物仿真場景中有3個物料站，可配置物料的不同類型、物料產(chǎn)生的間隔時間參數(shù)等。執(zhí)行搬運裝配時，物料站都配置為木托盤、磨具底座、磨具蓋3種物料類型。

場景中機械臂有2種：一種是兩軸柱形機械臂，這個部件可以用來將蓋子組裝到基座上或從一個位置抓取物品到另一個位置，為了保障彼此裝配的準確性，基座和蓋子應(yīng)該通過定位桿準確定位；另一種是X、Y、Z三軸機械臂，帶有三軸門架的抓取放置裝置，由伺服電機驅(qū)動，通常用來搬運在其他傳送機或托盤上的輕負載貨物，或者用于碼垛機。抓取放置有4個自由度，其中3個應(yīng)用于線性移動，1個用于角抓取旋轉(zhuǎn)，抓取裝置(夾持器)是通過吸盤及1個接近傳感器組成。抓取放置能夠通過數(shù)字量和模擬量控制，如果采用不連續(xù)配置抓取放置，則軸向運動為一步一步移動，每個上升沿則向所期望的軸向移動一步；當(dāng)選擇模擬量配置時，每個坐標(biāo)軸均能夠被設(shè)定具體的目標(biāo)位置。根據(jù)實際模型對兩種機械手臂都進行了試運行。

場景中傳送帶屬性有3種：單向數(shù)字型、雙向數(shù)字型和模擬型。雙向型數(shù)字可實現(xiàn)前進、后退動作，此處配置的為單向數(shù)字型。每個傳送帶用一個PLC變量控制其啟動和停止，為“0”時停止，為“1”時啟動。儲存?zhèn)}庫屬性值設(shè)為1，物料進儲存?zhèn)}庫后自動消失[6]。

依據(jù)上述場景中各主要部件功能描述，該半實物仿真模型可實現(xiàn)2個功能：第1個功能為對磨具基座的搬運操作，工藝流程圖如圖7所示；第2個功能為對磨具裝配操作，工藝流程圖如圖8所示。主控單元PLC控制程序如圖9所示。

圖7 物料搬運模塊工藝流程圖 Fig.7 Process flow chart of material handling module

圖8 物料裝配模塊工藝流程圖 Fig.8 Process flow chart of material assembly module

圖9 主控單元PLC控制程序 Fig.9 PLC control program of main control unit

4 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與運行

先點擊場景中的“復(fù)位按鈕”，設(shè)備進行初始化，此時黃色塔燈點亮；再點擊場景中的“啟動按鈕”，設(shè)備開始運行，綠色塔燈點亮。運行過程如下。

①實木托盤傳送帶-1和磨具底座傳送帶同時運行，當(dāng)木托盤到位后實木托盤傳送帶-1停止運行，磨具底座到位后磨具底座傳送帶停止運行，如圖10(a)所示。

②三軸坐標(biāo)機械手裝置移動到磨具底座上方，Z軸下降吸取底座；Z軸上升，機械手移動到木托盤正上方，Z軸下降，進行底座擺放，如圖10(b)所示。

③釋放物品，Z軸上升，機械手裝置回到初始位置，如圖10(c)所示。

④磨具底座傳送帶繼續(xù)運行，磨具底座到位后停止運行。當(dāng)擺放完成后，實木托盤傳送帶-1、2同時運行，到達實木托盤傳送帶傳感器-2后一號傳送帶運行；下一個木托到達實木托盤傳送帶傳感器-1后實木托盤傳送帶-1停止運行，進行下一個磨具底座搬運擺放；一號傳送帶繼續(xù)輸送已擺放完成的托盤，直至木托盤到位一號傳送帶傳感器后，一號傳送帶停止運行，如圖10(d)所示。

⑤磨具蓋供貨站產(chǎn)生一個磨具蓋子，由磨具蓋傳送帶傳送，當(dāng)經(jīng)過磨具蓋傳送帶傳感器后，磨具蓋傳送帶停止，到達定位氣缸，如圖10(e)所示。

⑥定位氣缸收縮，矯正磨具蓋位置，氣缸收縮到定位氣缸傳感器位置后停止收縮，并回到初始位置；兩軸機械臂Z軸下降，兩軸機械臂下降到位傳感器檢測到磨具蓋時停止；兩軸機械臂——吸盤吸取蓋子，Z軸上升；上升到位后機械臂呈半圓弧軌跡旋轉(zhuǎn)，磨具蓋到達底座上方，如圖10(f)所示。

⑦Z軸開始下將進行裝配，到達位置后停留1s后上升，回到初始位置裝配完成；一號傳送帶、轉(zhuǎn)盤滾輪(+)同時轉(zhuǎn)動，當(dāng)木托盤經(jīng)過一號傳送帶傳感器后，一號傳送帶停止，到達轉(zhuǎn)盤——From傳感器后，轉(zhuǎn)盤滾輪(+)停止；裝盤開始向左旋轉(zhuǎn)，裝盤旋轉(zhuǎn)到位后，轉(zhuǎn)盤滾輪(+)、二號傳送帶同時運行，如圖10(g)所示。

⑧木托盤經(jīng)過二號傳送帶傳感器-1后，轉(zhuǎn)盤滾輪(+)停止運行并回到初始狀態(tài)等待下一個磨具到來；二號傳送帶繼續(xù)運行，直至經(jīng)過二號傳送帶傳感器-2后，進入儲存?zhèn)}庫消失，如圖10(h)所示，計數(shù)器記 錄入庫磨具數(shù)量。

圖10 磨具搬運和裝配測試 Fig.10 Grinding tool handling and assembly test

該場景具體放置效果如圖11所示。

圖11 產(chǎn)品拼裝效果圖 Fig.11 Product assembly effect drawing

5 結(jié) 語

基于Factory IO 的磨具搬運和裝配虛擬仿真設(shè)計，實現(xiàn)了磨具蓋在空間的自由搬運，通過運動軸控制精確到達目的位置。該場景包含了諸多典型應(yīng)用，如傳送帶、運動軸、機械臂等，對于學(xué)習(xí)編程技巧與技能具有十分重要的意義[7]。

在當(dāng)下傳統(tǒng)制造業(yè)朝著智能方向發(fā)展的趨勢下，OT與IT不斷深入融合，為了更好地提升工業(yè)自動化從業(yè)者的技能水平，本文借助數(shù)字孿生的思想，依托PLC為控制器載體，利用Factory IO作為半實物仿真場景，以期實現(xiàn)PLC編程能力水平的提升，這樣既能縮短控制器設(shè)計周期，又能提升控制程序?qū)Ρ豢貙ο蟮尼槍π?，最終將其部署到可編程邏輯控制器中?！?/p>