邢學(xué)快1，王直杰1,沈亮亮2，顧志心2，楊超3

　?。?.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.西門子工業(yè)軟件(上海)有限公司，上海 200042；3.上海交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 200030）

　　摘要：機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)(Mechatronics Concept Designer,MCD)是西門子工業(yè)軟件有限公司研發(fā)的全新仿真平臺(tái)，比傳統(tǒng)WinCC仿真效果更加清晰直觀、便捷。MCD尚處于研發(fā)階段，與PLC進(jìn)行通信的過程尚不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整交互。該文研究如何實(shí)現(xiàn)MCD仿真平臺(tái)與PLC數(shù)據(jù)交換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬仿真監(jiān)控，包括對(duì)MCD平臺(tái)建立的運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，通過XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)，利用OPC Server作為MCD與PLC通信的橋梁，從而實(shí)現(xiàn)MCD與PLC的數(shù)據(jù)交換，完成虛擬仿真監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞： MCD；虛擬仿真；PLC；監(jiān)控

0引言

　　MCD是西門子開發(fā)的在下一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)(Unigraphics Next Generation,UG NX)環(huán)境下建立3D模型與實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真的虛擬平臺(tái)［1］。這種全新的仿真平臺(tái)從功能出發(fā)，在研發(fā)的需求階段建立需求模型，在仿真平臺(tái)上根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，對(duì)3D模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體的定義以及傳感器等系統(tǒng)定義，通過與硬件PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線在MCD平臺(tái)上的協(xié)同監(jiān)控［2］,這種設(shè)計(jì)理念比傳統(tǒng)視窗控制仿真監(jiān)控效果更加清晰直觀、便捷。

　　MCD在運(yùn)動(dòng)仿真模型建立的過程中，考慮到以運(yùn)動(dòng)副作為設(shè)計(jì)對(duì)象的仿真序列不能通過STEP7編譯，無法與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而大大增加了運(yùn)動(dòng)模型創(chuàng)建的難度，本文拋棄傳統(tǒng)的基于時(shí)間的仿真序列而采用全新的基于事件的仿真序列，創(chuàng)建的仿真模型可以將每個(gè)運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置成行為序列，為PLC數(shù)據(jù)匹配提供了可能［3］。在MCD仿真模型創(chuàng)建完成之后，需要尋找一種能夠通過STEP7編譯的文件，本文利用MCD仿真模型創(chuàng)建的特點(diǎn)，將仿真序列壓縮成XML文件，其中的變量在模型創(chuàng)建的過程中，保留了事件屬性以及地址變量，從而可以匹配硬件PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)變量。PLC是通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械運(yùn)動(dòng),目前兩者不具備直接通信的可能［4］，本文總結(jié)MCD仿真模型創(chuàng)建的特點(diǎn)以及PLC通信原理，通過運(yùn)用一種利用微軟的接口技術(shù)來達(dá)成自動(dòng)化控制協(xié)定(OLE for Process Control,OPC) Server，協(xié)助完成數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)利用MCD模型分配的地址數(shù)據(jù)匹配PLC輸入輸出數(shù)據(jù)的地址，實(shí)現(xiàn)MCD與PLC信息交互，從而實(shí)現(xiàn)MCD監(jiān)控真實(shí)機(jī)械物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)［5］。

1系統(tǒng)構(gòu)成

　　本文選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)MCD與PLC之間相互通信，完成對(duì)真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬監(jiān)控。在MCD平臺(tái)下，通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)3D模型的建立、物理屬性的定義、運(yùn)動(dòng)屬性的定義、運(yùn)動(dòng)仿真序列的創(chuàng)建從而實(shí)現(xiàn)在MCD平臺(tái)中虛擬仿真運(yùn)動(dòng)，通過PLCOen XML在PLC端實(shí)現(xiàn)鏈接，進(jìn)而在西門子開發(fā)的一款PLC編程平臺(tái)S7 Graph中修改監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。MCD中的輸出參數(shù)是PLC中的輸入控制條件指令，PLC中輸出指令作為控制MCD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)，合理匹配兩者通信地址的數(shù)據(jù)，再利用OPC Server作為MCD與PLC中間橋梁協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳遞，最終完成MCD監(jiān)控真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本文在虛擬仿真階段采用PLCSIM作為調(diào)試工具，模擬監(jiān)控MCD風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)在西門子工業(yè)軟件有限公司自動(dòng)化圖1MCD與PLC通信結(jié)構(gòu)圖智能實(shí)驗(yàn)室提供硬件PLC的條件下完成了真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的現(xiàn)場(chǎng)演示，證明了MCD與PLC在工業(yè)生產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互［6］。

2模型建立與仿真優(yōu)化

　　2.1模型建立

　　整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型主要包括3個(gè)模塊：風(fēng)扇、齒輪以及軸承支架。在MCD環(huán)境中以軸承支架為基準(zhǔn)逐一建立模型。整個(gè)建模中，進(jìn)入草圖環(huán)境，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)尺寸大小、風(fēng)扇角度、齒輪數(shù)量畫出草圖，通過運(yùn)用UG NX提供的3D模型繪制平臺(tái)，完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的創(chuàng)建。MCD提供了一個(gè)可以模擬真實(shí)場(chǎng)景的仿真平臺(tái)，能夠定義剛體、碰撞體、體積、質(zhì)量、摩擦因子、阻力、密度等物理屬性，方便用戶進(jìn)行真實(shí)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，也能定義機(jī)械運(yùn)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)副、傳感器、平臺(tái)接口以及運(yùn)動(dòng)序列。在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型設(shè)計(jì)中，需要定義各部分何時(shí)開始執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，何時(shí)運(yùn)動(dòng)停止以及如何運(yùn)動(dòng)。

　　2.2仿真優(yōu)化

　　仿真序列是MCD中的控制元素，可以通過仿真序列控制MCD中的任何對(duì)象。在MCD定義的對(duì)象中，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，可以通過創(chuàng)建仿真序列修改預(yù)設(shè)值。基于時(shí)間的仿真序列是通過時(shí)間追蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)每個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種仿真參數(shù)的設(shè)置對(duì)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)有很好的跟蹤效果，但是無法獲得每個(gè)模塊的具體地址數(shù)據(jù)。本文采用優(yōu)化事件的仿真序列，比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)扇的運(yùn)動(dòng)控制，物理對(duì)象選擇相應(yīng)的位置控制器，在參數(shù)列表中選擇需要賦值的參數(shù)并設(shè)置輸入值，當(dāng)位置和速度被賦予預(yù)設(shè)值時(shí)，MCD仿真模型會(huì)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)計(jì)算其時(shí)間，并不需要設(shè)置時(shí)間參數(shù)，同時(shí)在仿真序列中創(chuàng)建條件語(yǔ)句來確定何時(shí)觸發(fā)以改變參數(shù)。這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)大大提高了MCD與PLC通信的可能。

3數(shù)據(jù)匹配與通信驗(yàn)證

　　3.1XML與PLC數(shù)據(jù)匹配

　　MCD運(yùn)動(dòng)的邏輯存儲(chǔ)在運(yùn)動(dòng)序列編輯導(dǎo)航器中，而在STEP7中則是用S7 Graph來呈現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)邏輯。在STEP7中支持用PLC語(yǔ)言編寫邏輯程序。為了能夠?qū)CD地址與STEP7地址對(duì)應(yīng)匹配，本文運(yùn)用MCD模型建立的特點(diǎn)，在仿真序列編輯器中以XML文件格式導(dǎo)出仿真數(shù)據(jù)，由于建立模型與運(yùn)動(dòng)仿真具有相似的輸入輸出地址，可以在PLC中分配相同的地址。在MCD平臺(tái)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)屬性在仿真序列中呈現(xiàn)與硬件PLC通信數(shù)據(jù)相似的特點(diǎn)，本文運(yùn)用這一特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。以下是風(fēng)力發(fā)電機(jī)MCD仿真模型導(dǎo)出的XML文件部分?jǐn)?shù)據(jù)：

　　<Item name="Real MD20"type="float" PLC="1" address="MD20"/>

　　<Item name="Real MD40"type="float" PLC="1" address="MD40"/>

　　<Item name="Bool M0.0"type="bool" PLC="1" address="M0.0"/>

　　<Item name="Byte MB1"type="byte" PLC="1" address="MB1"/>

　　由于MCD中部分文件與PLC數(shù)據(jù)地址不能直接匹配，本文在總結(jié)模型建立特點(diǎn)與仿真運(yùn)動(dòng)序列邏輯變化的基礎(chǔ)上，提出了新的修改方案：

　?。?）將風(fēng)力發(fā)電機(jī)MCD模型通過仿真序列導(dǎo)航器導(dǎo)出 PLC open XML，并檢查XML文件輸入輸出數(shù)據(jù)是否完整。建立的模型并不一定能夠完整呈現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)，通過對(duì)PLC特點(diǎn)的分析，修改XML文件，將地址為MD20、MD40的變量與PLC輸出變量進(jìn)行匹配，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)與軸承支架的轉(zhuǎn)動(dòng)［7］。

　?。?）通過SIMATIC Manager提供的編程平臺(tái)，建立工程、選擇PLC型號(hào)（本文選擇插入SIMATIC 300 Station），在SIMATIC中進(jìn)行硬件的組態(tài)。利用SIMATIC Manager 中資源項(xiàng)Source導(dǎo)入XML文件而不是采用S7 Graph平臺(tái)繪制順序控制圖。

　?。?）PLC數(shù)據(jù)的配置。在SIMATIC Manager中編譯MCD_DataBlock、添加MCD_Seq、編輯Seq圖、初始化變量MCD Data、添加主程序OB1、設(shè)置PG/PC Interface。DataBlock DB1是PLC數(shù)據(jù)塊，將DB1.DBX0.0與DB1.DBB1作為控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)與軸承支架轉(zhuǎn)動(dòng)的硬件PLC地址數(shù)據(jù)。以下給出了本次設(shè)計(jì)部分配置地址數(shù)據(jù)：

　　<Item name="Bool DB1.DBX0.0" type="bool" address="DB1.DBX0.0"/>

　　<Item name="Byte DB1.DBB1" type="byte" address="DB1.DBB1"/>

　　<Item name="Int DB1.DBW2" type="short"address="DB1.DBW2"/>

　　<Item name="Word DB1.DBW4" type="ushort" address="DB1.DBW4"/>

　　3.2.OPC與PLC數(shù)據(jù)匹配

　　MCD中信號(hào)不能直接與PLC進(jìn)行通信，MCD提供的外部訪問接口有很多，OPC是最典型常用的，它是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。將PLC地址中的信號(hào)數(shù)據(jù)與MCD仿真序列圖2OPC與PLC通信匹配圖中的信號(hào)數(shù)據(jù)在OPC Server 中相匹配，PLC中控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的是OPC Server的輸入數(shù)據(jù)，而OPC Server輸出的數(shù)據(jù)作為PLC控制觸發(fā)條件，這樣在外部的鏈接工作就完成了。

　　3.3MCD與PLC通信驗(yàn)證

　　MCD數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)的交互是通過信號(hào)傳遞來完成的。硬件PLC中自帶了OPC Server,通過數(shù)據(jù)線就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。

　　本次設(shè)計(jì)中采用PLCSIM仿真。在PLC中，OPC Server中的信號(hào)是不限的，只要MCD中設(shè)置的信號(hào)在PLC中圖3MCD與PLC通信監(jiān)控狀態(tài)圖都能夠被接收，通過在PLC上按啟動(dòng)開關(guān)按鈕、位置控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)MCD運(yùn)動(dòng)模型的驅(qū)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過網(wǎng)線傳輸?shù)組CD中，MCD再將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成具體的仿真運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)MCD與PLC的連接、虛擬調(diào)試以及自動(dòng)化控制。回到MCD平臺(tái)中，抑制所有的仿真序列，點(diǎn)擊播放，MCD中的模型仍然能夠按照設(shè)計(jì)仿真運(yùn)動(dòng)，此時(shí)MCD中運(yùn)動(dòng)邏輯在STEP7中通過PLCSIM仿真控制，實(shí)現(xiàn)了MCD模型虛擬監(jiān)控真實(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，解決了MCD開發(fā)初期不能作為PLC虛擬監(jiān)控的問題。

4結(jié)論

　　本文通過對(duì)MCD平臺(tái)建立的仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，采用XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)的新思路，利用OPC Server作為MCD與PLC的通信橋梁，最終實(shí)現(xiàn)了MCD風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬仿真監(jiān)控。MCD在與PLC通信的過程中表現(xiàn)出了清晰直觀、方便監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)，MCD的優(yōu)勢(shì)不僅僅局限于產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的過程能夠調(diào)試仿真，它還支持與軟件和硬件的數(shù)據(jù)交互，利用軟件的虛擬調(diào)試來替代原本傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的物理調(diào)試。西門子提供一系列的硬件、軟件可以與MCD進(jìn)行融合，避免了多種品牌硬件、軟件相互發(fā)生沖突的可能。

　　MCD在現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。三維設(shè)計(jì)軟件的誕生更加讓人們認(rèn)識(shí)到利用計(jì)算機(jī)輔助平臺(tái)，可以幫助設(shè)計(jì)者跨越時(shí)間、空間制造出客戶所需求的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)虛擬仿真和虛擬調(diào)試，MCD概念設(shè)計(jì)是一種真正實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)、信息交互、協(xié)同控制、虛擬調(diào)試的仿真平臺(tái)，定將在“工業(yè)4.0”時(shí)代中成為佼佼者。

參考文獻(xiàn)

　?。?］仇海東.全自動(dòng)高速紙箱包裝機(jī)的設(shè)計(jì)及電氣控制［J］.包裝與食品機(jī)械，2007,25(6):4446.

　　［2］MAYER M P,ODENTHAL B,WAGELS C,et al. Cognitive engineering of automated assembly processes［C］. Human Factors & Ergonomics in Manufacturing,2014:313321.

　?。?］HAN S H, ALHUSSEIN M,ALJIBOURI S,et al. Automated postsimulation visualization of modular building production assembly line［J］. Automation in Construction,2012(21):229236.

　?。?］ 鐘偉，張建國(guó)，李金山，等. 基于PLC控制的全自動(dòng)硬幣包裝線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 制造業(yè)自動(dòng)化，2011,33（11）:148152.

　?。?］何強(qiáng),楊朱杰,郭晨，等.基于麥克風(fēng)陣列的高信噪比定向采音系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(1):1416,19.

　?。?］田海，崔杜梅.基于西門子PLC的控制網(wǎng)絡(luò)選擇策略與工程實(shí)踐［C］.2009年全國(guó)第十四屆自動(dòng)化應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)暨中國(guó)計(jì)量學(xué)會(huì)冶金分會(huì)，2009:458461.

　?。?］馬峰,徐和根,趙曼，等.基于FPGA的智能卡控制器的實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(1):2022.