基于PLCSIM Advanced的MCD伺服電機運動控制仿真研究

【關鍵詞】PLCSIM Advanced；伺服電機；虛擬仿真；機電一體化概念設計

引言

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的持續(xù)進步，伺服電機在各種機械設備中的應用日益廣泛。然而，傳統(tǒng)的調(diào)試方式依賴于實際硬件，這不僅消耗大量時間和資源，還顯著提高了開發(fā)成本。因此，在伺服電機控制系統(tǒng)中應用仿真技術(shù)尤為關鍵。PLCSIM Advanced是西門子公司推出的一款高級仿真工具，支持S7-1500系列PLC的仿真，并具有強大的網(wǎng)絡通信能力。NX MCD則是西門子數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的重要組成部分，能夠創(chuàng)建設備的三維模型并進行虛擬調(diào)試。本文將結(jié)合PLCSIM Advanced和NX MCD，探討伺服電機運動控制仿真的方法。[1-2]

一、PLCSIM Advanced簡介

PLCSIM Advanced是西門子為S7-1500系列PLC提供的高級仿真模擬工具，支持TCP/IP網(wǎng)絡通信和多種仿真功能，如WebServer和OPC UA。該軟件可以在無需實際硬件的情況下，對PLC程序進行測試和調(diào)試，大大提高了開發(fā)效率。PLCSIM Advanced支持多個S7-1500控制器的仿真，能夠模擬復雜的自動化控制系統(tǒng)，并提供豐富的調(diào)試工具和功能，如在線監(jiān)視、變量追蹤、數(shù)據(jù)跟蹤和邏輯斷點等。[3]

二、NX MCD數(shù)字化仿真平臺介紹

NX MCD是西門子推出的一款多學科系統(tǒng)應用平臺，它集成了機械設計、電氣控制、運動仿真及虛擬調(diào)試等功能，為機電產(chǎn)品的設計、仿真及優(yōu)化提供了全面的解決方案。NX MCD支持基于模型的設計方法，允許工程師在虛擬環(huán)境中對機電產(chǎn)品進行詳細的仿真和測試，從而在設計階段發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。[4]

MCD機電設備設計及仿真是一種全新的機電設備工作過程仿真解決方案，可對包含多物理場以及通常存在于機電一體化產(chǎn)品中的自動化相關行為的概念進行3D建模和仿真。MCD支持功能設計方法，可集成上游和下游工程領域，包括需求管理、機械設計、電氣設計以及軟件/自動化工程。MCD專注于包括機械部件、傳感器、驅(qū)動器和運動的概念設計，可加快機械、電氣和軟件設計學科產(chǎn)品的開發(fā)速度，使這些學科能夠同時工作。在進行數(shù)字化樣機和產(chǎn)線研發(fā)過程中，利用MCD軟件資源以虛擬的方式進行產(chǎn)品設計、仿真、調(diào)試，可實現(xiàn)創(chuàng)新性的設計技術(shù)，幫助機械設計人員滿足日益擴大的需求，不斷提高機械的運作效率、縮短設計周期、降低生產(chǎn)成本，是一種高效、環(huán)保的產(chǎn)品開發(fā)新技術(shù)。[5]

三、伺服電機運動控制仿真研究

（一）仿真環(huán)境配置

伺服電機運動控制的仿真需借助三個軟件來實現(xiàn)，包括NX MCD、TIA Portal及PLCSIM Advanced。其中，NX MCD用于創(chuàng)建三維模型，并為其配置機電屬性和信號；TIA Portal負責硬件組態(tài)及程序編寫；而PLCSIM Advanced作為PLC的高級仿真工具，充當TIA Portal與NX MCD之間的橋梁，接收來自TIA Portal的程序，并與NX MCD建立通信連接，最終使PLC程序能夠控制MCD模型的運動。本文使用的版本如下。

NX版本：UG NX 2206。

TIA Portal版本：V16。

PLCSIM Advanced版本：V4.0。

（二）仿真流程

整個仿真流程涵蓋三維模型創(chuàng)建、機電屬性及信號配置、PLC編程、信號映射、仿真以及調(diào)試等環(huán)節(jié)。詳細流程如下。

1.模型建立及配置

（1）3D伺服電機及附件三維模型

本文主要探討伺服電機運動控制的虛擬調(diào)試，因此需要繪制伺服電機及其附件的三維模型。最終完成的三維模型如圖1所示，包括伺服電機驅(qū)動的滑塊、滑塊升降氣缸和夾爪等組件。這些模型可以使用UG繪圖軟件創(chuàng)建，在完成裝配后將模式從“建?！鼻袚Q到“機電概念設計”。也可以利用Pro/E或SolidWorks等主流數(shù)字化設計軟件進行繪制，并在裝配完成后將其轉(zhuǎn)換為STP格式，導入MCD軟件。

（2）機電屬性設置及信號的配置

機電屬性設置涵蓋剛體、碰撞體、滑動副及位置控制的配置。在將模型導入NX MCD之后，需針對伺服電機驅(qū)動的滑塊、滑塊升降氣缸和夾爪等組件進行相關配置。

隨后，對伺服電機及其附屬設備進行信號配置?；瑝K升降氣缸和夾爪各自配置三個信號——動作信號及兩個限位信號，數(shù)據(jù)類型均為布爾值。伺服電機驅(qū)動的滑塊則主要配置了位置和速度信號，數(shù)據(jù)類型選擇雙精度浮點數(shù)。編寫公式后，信號適配器的最終配置如圖2所示。[6]

2. PLC編程

該部分工作主要是在TIA Portal軟件內(nèi)完成，包括PLC的組態(tài)、變量表編寫、虛擬伺服電機組態(tài)以及程序塊編寫等。

（1）PLC組態(tài)

此部分需注意以下三點。首先，在配置PLC時，由于PLCSIM Advanced當前僅支持1500系列的仿真，新增設備必須選擇1500型號的PLC。其次，選項務必勾選“允許遠程對象的PUT/GET訪問”，具體步驟如下：點擊“設備配置”——點擊“屬性”——點擊“常規(guī)”——點擊“保護與安全”——點擊“連接機制”——勾選“允許遠程對象的PUT/GET訪問”。最后，TIA軟件須確保啟用仿真功能，具體操作為：右鍵點擊“項目”——點擊“屬性”——點擊“保護”——勾選“塊編譯時支持仿真”。[7]

（2）虛擬伺服電機組態(tài)

具體步驟為：在工藝對象中添加新對象，并將其命名為“伺服滑塊”；選擇運動控制中的定位軸以生成DB塊；打開組態(tài)界面，選擇虛擬軸，根據(jù)實際情況選擇線性模式，其余選項保持默認設置。至此，虛擬伺服電機的組態(tài)配置已完成，如圖3所示。

（3）變量表的編寫

由于本文主要探討伺服電機的虛擬仿真，因此為簡化操作流程，未包含滑塊氣缸及夾爪的變量設置；僅在變量表中定義了伺服電機驅(qū)動滑塊的相關信號，包括滑塊位置和滑塊速度，數(shù)據(jù)類型均為real。請參見圖4。此外，建議變量名稱與MCD中的信號名稱保持一致。

（4）程序編寫

實踐中應根據(jù)需要選擇Main[OB1]-工藝-運動控制伺服電機的運動控制程序塊。本文使用了MC_POWER（啟動/停用軸）、MC_HOME（軸回原點）、MC_MOVEABSOLUTE（軸絕對位移）以及MC_MOVEJOG（軸點動）等幾個程序塊進行伺服電機的調(diào)試。這些程序塊可用于后續(xù)的程序編寫中。

在程序中，最重要的一步是將伺服電機滑塊DB塊中的實際位置和實際速度傳輸至變量表中預先定義的變量，隨后通過映射傳遞給MCD模型，確保三維模型與PLC程序同步。具體程序參見圖5。伺服電機的實時位置和實時速度數(shù)據(jù)在DB塊中的存儲位置請參考圖6。

3.信號映射

這部分工作要求將NX MCD的信號與PLCSIM Advanced的信號建立映射關系，實現(xiàn)外部信號對仿真模型的控制。

第一步：啟動PLCSIM Advanced軟件；選擇PLCSIM模式；填寫實例名稱；點擊Start，與TIA Portal中的PLC建立連接；如果檢測到PLC，信號燈亮黃燈。

第二步：將編寫完成的PLC程序下載到PLCSIM Advanced軟件中，需要注意的是，在下載時PG/PC接口選擇虛擬網(wǎng)卡Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter。下載完成后，PLCSIM Advanced軟件信號燈亮綠色指示燈，表明PLC程序已被成功下載到PLCSIM Advanced仿真軟件中，在后續(xù)操作中應避免將PLCSIM Advanced仿真軟件退出。PLCSIM Advanced軟件界面如圖7所示。

第三步：在MCD軟件中進行外部信號配置，建立信號映射，以實現(xiàn)外部信號對虛擬模型的控制。具體操作步驟如下：首先，在MCD中打開外部信號配置界面，選擇通信類型PLCSIM Advanced，并在實例中選擇在PLCSIM Advanced軟件中已配置的相應名稱；更新標記后，全選并導入所有PLC變量；接著，打開信號映射界面，選擇相同的類型和實例名稱，如同上一步驟的操作；待所有外部信號顯示完畢后，如果PLC變量表中的名稱與MCD信號中的名稱一致，就可以選擇執(zhí)行自動映射；如果不一致，則需要手動執(zhí)行映射，如圖8所示。

4.仿真與調(diào)試

這部分在將PLC程序進行在線監(jiān)控后，執(zhí)行點動、回原點及絕對位移等操作，利用NX MCD的仿真界面監(jiān)控伺服電機的運行狀態(tài)，并進行驗證和調(diào)試；此外，還可以將特定對象的信號添加至“運行時察看器”，以便進行實時數(shù)據(jù)的觀察與分析。驗證調(diào)試如圖9所示。

（三）仿真結(jié)果分析

在仿真過程中，利用PLCSIM Advanced的在線監(jiān)控功能，可實時監(jiān)測伺服電機的位置、速度及加速度等參數(shù)，并跟蹤控制程序的運行狀態(tài)；同時，借助NX MCD的仿真界面，能夠直觀展示伺服電機的運動軌跡及其運行狀況。仿真結(jié)果顯示，所編寫的控制程序能精確操控伺服電機的運動，符合設計需求。

結(jié)語

本文探討了利用PLCSIM Advanced與NX MCD進行伺服電機運動控制仿真的方法。在無實際硬件的情況下結(jié)合使用這兩款軟件，研究實現(xiàn)了對伺服電機控制程序進行調(diào)試和驗證。仿真結(jié)果顯示，研究所編寫的控制程序能精確操控伺服電機的運動，符合設計需求。此方法可大幅縮減設備開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，并提升程序的可靠性和穩(wěn)定性。未來，我們將進一步研究基于PLCSIM Advanced和NX MCD的復雜自動化控制系統(tǒng)仿真方法，以推動工業(yè)自動化技術(shù)的進步。