基于S7-PLCSIM Adv的工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)仿真技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

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(shí)技術(shù)或數(shù)字模擬技術(shù)，它通過(guò)虛擬軟件系統(tǒng)來(lái)模仿搭建真實(shí)的運(yùn)行系統(tǒng)[1]。在智能制造技術(shù)應(yīng)用中，基于計(jì)算機(jī)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(lái)，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(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化及自動(dòng)化，形成運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)上、實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以及遠(yuǎn)程控制與協(xié)作的測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jī)器人的編程軟件都是獨(dú)立運(yùn)行的軟件，在設(shè)備生產(chǎn)調(diào)試時(shí)這兩種軟件無(wú)法滿足在工控機(jī)中PCL與工業(yè)機(jī)器人相互連通，不能實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的設(shè)備在虛擬仿真環(huán)境中運(yùn)行調(diào)試，增加生產(chǎn)線的調(diào)試時(shí)間和強(qiáng)度，甚至出現(xiàn)在疫情期間，由于技術(shù)工程師無(wú)法及時(shí)到工廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備而導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)線停工的現(xiàn)象。對(duì)此，筆者創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了能使兩類(lèi)不同編程軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的仿真通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC在虛擬環(huán)境中控制工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)也可以通過(guò)遠(yuǎn)程通信方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 設(shè)計(jì)思路

總體設(shè)計(jì)思路：虛擬仿真測(cè)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(jì)算機(jī)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(shí)操作的、非實(shí)在的測(cè)試空間。筆者通過(guò)西門(mén)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(jī)器人的離線編程與仿真調(diào)試，通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言自行開(kāi)發(fā)的通訊組件，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中各種預(yù)定的測(cè)試項(xiàng)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(jī)器人、上位機(jī)、控制器、生產(chǎn)流水線等設(shè)備按照工廠車(chē)間中的位置導(dǎo)入，完成虛擬環(huán)境的布局，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)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(yǔ)言指令，完成順序控制、延時(shí)、計(jì)件等功能的編程；然后，在S7-PLCSIM Adv中創(chuàng)建一臺(tái)虛擬的PLC設(shè)備，并在RobotStudio軟件中導(dǎo)入用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言自行開(kāi)發(fā)的組件，實(shí)現(xiàn)虛擬的PLC相關(guān)信號(hào)與RobotStudio軟件中機(jī)器人相關(guān)信號(hào)的實(shí)時(shí)通信；最后，完成虛擬環(huán)境下工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)的調(diào)試與仿真運(yùn)行。其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案示意圖

1.1 RobotStudio軟件中工業(yè)機(jī)器人通信配置

RobotStudio軟件能自動(dòng)生成工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行路徑，能節(jié)省大量調(diào)試時(shí)間。通過(guò)使用待加工零件的CAD模型，在數(shù)分鐘之內(nèi)便可自動(dòng)生成跟蹤加工曲線所需要的機(jī)器人路徑，而這項(xiàng)任務(wù)以往在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試中，常常需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天中的反復(fù)測(cè)量調(diào)試。工業(yè)機(jī)器人的DeviceNet是面向時(shí)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(dāng)通過(guò)UCMM端口或者Group2非連接顯式請(qǐng)求端口建立一個(gè)顯式報(bào)文連接后，這個(gè)連接可用于從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)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(hào)，是工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中機(jī)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(shí)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(hào)和10號(hào)被切斷了，其他位完好。當(dāng)該短接片插接到X5端子的6號(hào)～12號(hào)接線柱時(shí)，由于6號(hào)為邏輯地（即0V），因此7號(hào)、9號(hào)、11號(hào)和12號(hào)接線柱的輸入均為0V（即邏輯0）；而8號(hào)和10號(hào)由于被切斷，因此其輸入視為高電壓（即邏輯1）；由于8號(hào)接線柱對(duì)應(yīng)2的1次方（結(jié)果為2），10號(hào)接線柱對(duì)應(yīng)2的3次方（結(jié)果為8），因此該節(jié)點(diǎn)的地址2+8=10，所以將“Address”設(shè)置為“10”。

在對(duì)具體的I/O變量設(shè)定時(shí)，為了能讓信號(hào)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(rèn)值“Default”。其具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 I/O變量設(shè)定

當(dāng)仿真平臺(tái)完成路徑軌跡調(diào)試后，通過(guò)設(shè)置DeviceNet參數(shù)，使其能接收外部信號(hào)，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(gè)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(guò)在虛擬仿真環(huán)境中離線開(kāi)發(fā)或維護(hù)工業(yè)機(jī)器人程序，縮短編程時(shí)間，改進(jìn)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(dòng)化編程軟件，讓工程師能對(duì)觸摸屏、PLC、驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編程調(diào)試和仿真操作。軟件支持的S7-PLCSIM Adv是一個(gè)在Windows環(huán)境下運(yùn)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(cè)試。企業(yè)工程師可以通過(guò)遠(yuǎn)程通訊方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)控，并借助其仿真功能開(kāi)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(jī)電設(shè)備產(chǎn)品之間進(jìn)行通信的一種常用手段，它提供了過(guò)程控制中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一種共同的標(biāo)準(zhǔn)接口[2]。如圖4所示，在S7-PLCSIM Adv在計(jì)算機(jī)上生成一個(gè)虛擬網(wǎng)卡，筆者通過(guò)將軟件中的IP地址設(shè)置成和實(shí)際產(chǎn)線中PLC的IP地址為同一網(wǎng)段，并輸入虛擬PLC實(shí)例名稱thinger1和IP地址192.168.1.20、子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，點(diǎn)擊按鈕“Start”即創(chuàng)建新的虛擬PLC實(shí)例。

圖4 S7-PLCSIM Adv參數(shù)設(shè)置

將新開(kāi)發(fā)的PLC工藝流程程序?qū)隨7-PLCSIM Adv進(jìn)行仿真測(cè)試，可以得到和連接實(shí)物一樣的運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用虛擬模型的安全測(cè)試方案，避免了對(duì)工廠實(shí)際生產(chǎn)線的損壞，同時(shí)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(shí)間。

1.3 通信組件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

OPC UA是一個(gè)由30多家制造企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的開(kāi)放跨平臺(tái)架構(gòu)，具有較高的安全性和可靠性，為自動(dòng)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(lèi)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(biāo)準(zhǔn)[3]。

在通信組件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用Socket確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接、本地IP、遠(yuǎn)地IP、遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)地進(jìn)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(kāi)發(fā)通信組件部分程序：

通過(guò)電腦編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)在TCP/IP通信協(xié)議下，支持IRC5 OPC UA Server的工業(yè)機(jī)器人編程軟件通過(guò)RSConnectDIOToSnap7組件，將相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到在同一個(gè)操作系統(tǒng)中的支持OPC UA框架協(xié)議的TIA Portal軟件中。同時(shí)，TIA Portal軟件中的數(shù)據(jù)信號(hào)也能傳遞到工業(yè)機(jī)器人的編程軟件中。當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的軟件能互相讀取到對(duì)方的數(shù)據(jù)時(shí)，便可以啟動(dòng)兩個(gè)軟件的仿真程序，進(jìn)行在虛擬環(huán)境中的測(cè)試操作。

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

由于仿真系統(tǒng)的一些局限性，無(wú)法對(duì)輸入存儲(chǔ)區(qū)I進(jìn)行仿真操作，因此采用中間寄存器M來(lái)模擬[4]。在PLC中添加了模擬外界開(kāi)關(guān)信號(hào)M1O.O和M1O.1，模擬手爪傳感器的磁性開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)M1O.2、M10.3，還有控制氣動(dòng)手抓的夾緊與松開(kāi)的輸出信號(hào)Q2.0，控制機(jī)器人末端執(zhí)行結(jié)果安裝快換裝置的輸出信號(hào)Q2.1，安全工作指示信號(hào)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(hào)通過(guò)RobotStudio的Smart組件功能，按照相關(guān)邏輯關(guān)系進(jìn)行連接，并將信號(hào)綁定到DeviceNet的I/O信號(hào)端子，通過(guò)TIA Portal軟件中WinCC的組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)PLC的流程控制與工業(yè)機(jī)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(dòng)作與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際執(zhí)行指令的動(dòng)作相一致，達(dá)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(yùn)用工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真平臺(tái)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(jī)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(jī)器人對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)PLC控制工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)仿真應(yīng)用的技術(shù)創(chuàng)新。將實(shí)體工業(yè)中的各個(gè)模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)整合到一個(gè)虛擬的體系中去，在這個(gè)體系中模擬實(shí)現(xiàn)工業(yè)作業(yè)中的每一項(xiàng)工作和流程，并與之實(shí)現(xiàn)各種交互，加強(qiáng)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(shí)，預(yù)防或減少由誤操作造成的故障，保護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)完整性，防止故障、生產(chǎn)錯(cuò)誤和生產(chǎn)停工現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)有效保護(hù)相關(guān)設(shè)備的機(jī)密數(shù)據(jù)、信息。PLC的程序通過(guò)S7-PLCSIM Adv仿真軟件將指令信號(hào)發(fā)送到了機(jī)器人的仿真軟件RobotStudio中，觀察到機(jī)器人能接收到信號(hào)，并啟動(dòng)第七軸將機(jī)器人平移至數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行上下料的動(dòng)作。

之前兩個(gè)相互獨(dú)立的軟件，互不兼容，無(wú)法在同一臺(tái)工控機(jī)交替使用，只能實(shí)現(xiàn)單類(lèi)設(shè)備的仿真調(diào)試，如果需要兩種不同類(lèi)型設(shè)備集成調(diào)試，必須借助實(shí)體設(shè)備來(lái)檢驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，通過(guò)基于S7-PLCSIM Adv的工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)仿真技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，兩個(gè)獨(dú)立的軟件可以識(shí)別對(duì)方的數(shù)據(jù)信號(hào)，從而在沒(méi)有實(shí)體設(shè)備的情況下，也能進(jìn)行程序的調(diào)試和仿真運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基[5]。而現(xiàn)代職業(yè)教育依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合，在滿足企業(yè)技術(shù)升級(jí)的同時(shí)，也增強(qiáng)了職業(yè)院校教師的技術(shù)創(chuàng)新水平和社會(huì)服務(wù)意識(shí)。運(yùn)用仿真軟件搭建與真實(shí)產(chǎn)線完全一致的虛擬環(huán)境，進(jìn)行控制程序調(diào)試與仿真運(yùn)行，可以幫助設(shè)計(jì)人員快速發(fā)現(xiàn)諸如碰撞、工件掉落等安全問(wèn)題，保障人身和設(shè)備安全。本研究雖然實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)獨(dú)立軟件的相互通信，但是還有許多其他類(lèi)似的設(shè)備沒(méi)有測(cè)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。