邢學(xué)快，王直杰，沈亮亮，顧志心，楊 超（.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海060；.西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司，上海0004；.上海交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，上海0000）

智能工業(yè)與信息安全

采用PLC數(shù)據(jù)匹配的NCD風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬仿真監(jiān)控

邢學(xué)快1，王直杰1，沈亮亮2，顧志心2，楊 超3
（1.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）

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)W inCC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。

MCD；虛擬仿真；PLC；監(jiān)控

O 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(wú)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(lái)達(dá)成自動(dòng)化控制協(xié)定（OLE for Process Contro1，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(lái)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］。圖1是MCD與PLC通信結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MCD與PLC通信結(jié)構(gòu)圖

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?；跁r(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(wú)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(lái)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

3.1 XNL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(lái)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)：

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：

（1）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］。

（2）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。

（3）PLC數(shù)據(jù)的配置。在SIMATIC Manager中編譯MCD_DataB1ock、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。DataB1ock 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)：

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。圖2為OPC與PLC通信匹配圖。

3.3 NCD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(lái)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。

圖2 OPC與PLC通信匹配圖

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。圖3為MCD與PLC實(shí)現(xiàn)通信監(jiān)控狀態(tài)圖。

圖3 MCD與PLC通信監(jiān)控狀態(tài)圖

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(lái)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。

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王直杰（1967 -），通信作者，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用、數(shù)字信號(hào)處理、工業(yè)控制軟件。E-mai1：wangzj@dhu.edu.cn。

沈亮亮（1988 -），男，學(xué)士，MCD高級(jí)工程師，主要研究方向：PLM理念的設(shè)計(jì)、MCD開發(fā)、UG NX立體模型開發(fā)。

Virtua1simu1ation monitoring of MCD wind Power generator using PLC data matching

Xing Xuekuai1，Wang Zhijie1，Shen Liang1iang2，Gu Zhixin2，Yang Chao3
（1.Co11ege of Information Science&Techno1ogy，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.SIEMENS PLM Software（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai200042，China；3.Co11ege of Mechanica1Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200030，China）

Mechatronics ConcePt Designer（MCD）is a new simu1ation P1atform deve1oPed by SIEMENS Industria1Software Co.Ltd，which is more c1ear and intuitive and convenient than the traditiona1W inCC simu1ation.MCD is sti11 in the research and deve1oPment stage，and in the Process of communication with PLC，it can not achieve the comP1ete data interaction.This PaPer studies how to rea1ize the MCD simu1ation P1atform and the PLC data exchange and rea1ize the virtua1simu1ation monitoring，inc1uding oPtimization of MCD P1atform for the estab1ishment of the motion simu1ation mode1，through the XML variab1ematching of PLC inPut/outPut（I/O）data，using the OPC Server as MCD and PLC communication bridge，so as to rea1ize the data exchange of MCD and PLC，comP1ete simu1ation and monitor.

MCD；virtua1 simu1ation；PLC；monitoring

TP23

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.001

邢學(xué)快，王直杰，沈亮亮，等.采用PLC數(shù)據(jù)匹配的MCD風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬仿真監(jiān)控［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（9）：3-5.

2016-01-15）

邢學(xué)快（1988 -），男，碩士研究生，主要研究方向：工業(yè)自動(dòng)化控制、Java Web手機(jī)APP設(shè)計(jì)、繼電保護(hù)。