基于OPC UA 技術(shù)的KUKA.Sim Pro 與S7-1500PLC 通信仿真研究

魏雄冬

（廣東省機械技師學院，廣州，510450）

0 引言

隨著工業(yè)4.0 的不斷發(fā)展，智能工廠的不斷普及，車間設備的智能設備越來越多。各設備之間的通信協(xié)議層出不窮，給用戶帶來了極大的困擾，沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，也給系統(tǒng)的開發(fā)帶來了很大難度。在工業(yè)4.0 萬物互聯(lián)的時代，各軟件之間能使用相同通信協(xié)議進行通信，顯得尤為重要。OPC UA(OLE For Process Control Unified Architecture)過程控制統(tǒng)一對象模型技術(shù)明確了目標是成為實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的互用性（互操作性）的國際標準，可以很好地解決上述問題。因OPC UA 采用互聯(lián)網(wǎng)標準使用的安全技術(shù)，滿足了完整性、機密性、可用性等三大安全需求，能夠安全地進行連接、數(shù)據(jù)傳輸，故成為工業(yè)4.0 研究院推薦的標準通信協(xié)議。

1 KUKA.Sim Pro 軟件的OPC UA 功能

KUKA.Sim Pro 軟件與西門子PLC 之間的通信可通過3 種方式進行：第一種是采用虛擬PLC，但須結(jié)合S7-PLCSIM Advanced 仿真軟件，該軟件會給PLC 構(gòu)建一個虛擬網(wǎng)卡，通過該虛擬網(wǎng)卡支持TCP / IP 通信；第二種是直接跟物理PLC 進行通信，因為物理PLC 本身自帶網(wǎng)卡，所以無需構(gòu)建；第三種是采用虛擬PLC 和S7-PLCSIM 仿真軟件，如果只有這兩者，PLC 只能實現(xiàn)仿真功能，無法實現(xiàn)TCP / IP 通信功能（但PLCSIM Advanced 軟件支持），所以還需結(jié)合一個第三方網(wǎng)絡搭建軟件NetToPLCSim，僅當使用PLCSIM 模擬PLC 時，才需要此部分。因此使用S7 連接插件創(chuàng)建直接連接不適用于PLCSIM?？梢允褂妹赓M工具NetToPLCSim 作為S7 通信與PLCSIM 的西門子軟總線接口之間的橋梁。NetToPLCSim 是免費軟件，可以從這里下載：http://NetToPLCSim.sourceforge.net/。該下載隨軟件附有完整用戶手冊，如果在使用軟件時遇到任何問題，可以參考該手冊。

本次仿真實驗使用TIA Portal V16（西門子公司推出的全集成自動化編程軟件）和S7-PLCSIM Advanced V3.0模擬的虛擬S7-1500 系列PLC 完成。類似的過程也適用于其他S7 系列PLC，例如300、400 和1200，這些PLC是物理的或通過PLCSIM 或PLCSIM Advanced 模擬的。需要注意的是，使用S7 插件時，PLC 不需要任何OPC 功能即可連接到KUKA.Sim Pro。

2 S7-PLCSIM Advanced 和S7-1500PLC 通 信配置

2.1 PLC 的通信配置

西門子PLC 的OPC UA 功能是后期開發(fā)的，以前的PLC 不具備該通信功能，S7-1200PLC 只有在固件版本V4.4 以上才能集成OPC UA 通信仿真功能，對于V4.4以下的版本都不能使用該通信仿真。S7-1500PLC 集成了OPC UA 通信功能，但要實現(xiàn)仿真，需要搭配虛擬網(wǎng)卡。采用西門子PLC 的仿真軟件S7-PLCSIM Advanced 搭建虛擬網(wǎng)卡，只能使用S7-1500PLC 和ET 200，不支持搭建S7-1200PLC，故本文僅以S7-1500PLC 為例配置OPC UA 通信。

首先創(chuàng)建PLC 的通信程序，打開“TIA Portal V16”，創(chuàng)建新項目，給項目命名為“KUKA.Sim Pro 與西門子1500PLC 之間的通信程序”，選擇好路徑，點擊“創(chuàng)建”；接著選擇“設備與網(wǎng)絡”，點擊“添加新設備”，選擇“控制器”，選擇PLC 型號為：CPU 1511-1-PN，訂貨號為：6ES7 511-1AK01-0AB0，版本號選擇V2.5；然后在項目視圖中選擇項目，右鍵彈出菜單中選擇“屬性”，在項目屬性中選擇“保護”選項卡，必須確保啟用了“塊編譯時支持仿真”設置，在PLC 的屬性面板中，在PROFINET 接口設置中找到“以太網(wǎng)地址”；使用模擬PLC 時，通常最好將IP 地址設置為私有IP 地址，例如192.168.0.1；最后在PLC 屬性中找到“OPC UA”，選擇“服務器”，將“激活OPC UA 服務器”勾選上，下面的端口設置成4840，具體如圖1 所示。

最后找到“運行系統(tǒng)許可證”，選擇“OPC UA”，選擇“SIMATIC OPC UA S7-1500 small”許可證類型，確定即可。給PLC 創(chuàng)建兩個IO 變量，根據(jù)控制要求編寫PLC 控制程序，PLC 仿真程序如圖2 所示。

2.2 S7-PLCSIM Advanced 通信配置

若要讓PLC 實現(xiàn)仿真通信，必須建立虛擬網(wǎng)卡，本文選擇西門子仿真虛擬網(wǎng)卡。具體操作過程是：在虛擬網(wǎng)卡屬性面板下將“Siemens PLCSIM Virtual Switch”前面的框勾選上，PLC 和虛擬網(wǎng)卡必須處于同一網(wǎng)段，首先設置虛擬網(wǎng)卡IP 地址，選擇TCP/IPv4，打開屬性面板，手動輸入IP 地址和子網(wǎng)掩碼，該地址不能是PLC 屬性中設置的IP 地址，但是應與該設置的IP 地址處于同一網(wǎng)段。

S7-PLCSIM Advanced V3.0 軟件必須以管理員身份運行，否則可能無法實現(xiàn)通信。打開該軟件，選擇PLCSIM虛擬網(wǎng)卡適配器，PLC 類型選擇1500PLC，輸入即將創(chuàng)建的網(wǎng)卡名稱、IP 地址和子網(wǎng)掩碼，然后點擊“Start”按鈕，如圖3 所示。需要注意的是，網(wǎng)卡名稱無需跟PLC 名稱一致，但IP 地址必須跟PLC 組態(tài)的IP 地址一致。當下面出來網(wǎng)卡名稱和IP 地址，且顯示黃燈，說明創(chuàng)建成功，但是PLC 還沒運行。虛擬網(wǎng)卡創(chuàng)建完以后，可將PLC 程序下載到仿真器中，接著PG/PC 端口選擇“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”虛擬網(wǎng)卡，選擇“顯示地址相同的設備”，點擊“開始搜索”，可以看到創(chuàng)建的1500PLC，點擊“下載”即可完成PLC 項目的下載。最后回到主程序，啟用監(jiān)視，可以讓程序處于在線狀態(tài)，PLC 端的通信配置完成。

3 KUKA.Sim Pro 軟件通信配置

3.1 配置OPC 服務器

配置完P(guān)LC 后即可配置KUKA.Sim Pro 的OPC UA，打開“庫卡機器人碼垛應用”項目（本文研究例案），在連通性視圖下，選擇“OPC UA”，然后點擊“添加服務器”菜單，具體如圖4 所示。在編輯連接面板屬性中，按服務器格式填好與PLC 一致的服務器地址，即：opc.tcp://192.168.0.1:4840，如圖5 所示，輸入完點擊“應用”，KUKA.Sim Pro 仿真軟件端通信配置完成。在服務器的編輯連接面板屬性中，點擊“測試連接”，彈出連接成功對話框，說明通信配置成功。

3.2 配置通信變量

OPC UA通信旨在實現(xiàn)工業(yè)“萬物互聯(lián)”，讓各軟件間、跨平臺間的數(shù)據(jù)通信變得簡單，變得有可能。該通信沒有專門針對的數(shù)據(jù)類型，只要平臺間使用了相同的通信方式，能互相訪問到，都是可以進行通信的。本次OPC UA 通信測試以布爾信號為例，若能實現(xiàn)布爾信號的交互，其他數(shù)據(jù)類型的通信操作一樣。

具體操作過程為：建立KUKA.Sim Pro 仿真軟件服務器地址后，用鼠標左鍵點擊服務器右邊的“連接/端口連接” 按鈕，若連接服務器成功，服務器屬性面板的已連接狀態(tài)會顯示“True”，服務器后面的指示按鈕也會變成綠色。這里要配置兩個信號，一個是傳送帶“BatchReadySignal”信號將傳給PLC 的輸入，另一個是PLC 的輸出信號傳給機器人輸入口101。

配置KUKA.Sim Pro 傳給PLC 的信號，選擇“模擬至服務器”，點擊“添加變量”。

在創(chuàng)建變量對面板中，將“信號”框勾選上，該面板中左邊是KUKA.Sim Pro 信號，右邊是PLC 變量，左邊選中傳送帶“BatchReadySignal”信號，右邊選中PLC 變量“ConveyorSensor”，點擊“選中對”進行配對，如圖6 所示。

配置PLC的輸出信號傳給機器人輸入口101，選擇“服務器至模擬”，點擊“添加變量”。在創(chuàng)建變量對面板中，將“信號映射”、“自由度”框勾選上，左邊選中機器人，展開“Inputs”，左邊選中“101”信號，右邊選中PLC的輸出信號“RobotRun”，點擊“顯示變量”?？梢钥吹絼?chuàng)建好的變量目前的狀態(tài)值，如圖7 所示。

4 通信數(shù)據(jù)測試

數(shù)據(jù)測試需進行仿真操作，PLC 先運行，再運行KUKA.Sim Pro 仿真軟件。在操作前，需保證KUKA.Sim Pro 軟件與服務器已連接，點擊播放，運行機器人仿真程序，當仿真軟件中的易拉罐移動到傳動帶傳感器位置時，在已連接變量面板中，可看到傳送帶“BatchReadySignal”信號變成了“TRUE”，PLC 信號“ConveyorSensor”也變成了“TRUE”，如圖8 所示。查看TIA 監(jiān)控程序可知，I0.0 觸點已經(jīng)接通，定時器開始定時，5s 后，Q0.0 得電，如圖9 所示。1500PLC 的Q0.0 輸出信號傳給機器人101輸入，101 變?yōu)椤癟RUE”，機器人開始搬運易拉罐。

5 結(jié)語

本文結(jié)合KUKA.Sim Pro 仿真軟件，將KUKA.Sim Pro仿真軟件和主流PLC 通過OPC UA 開放協(xié)議進行通信，實現(xiàn)了機器人仿真軟件、PLC 設備之間數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一操作，使得仿真軟件應用更加靈活與多樣性，這不僅可以用于仿真，也能應用于實際項目中。