任曉敏

基于VisualOne直連PLC虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任曉敏

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

為提高PLC的教學(xué)效果，文章運(yùn)用虛擬仿真軟件進(jìn)行PLC項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)試，以組成三維場(chǎng)景的虛擬設(shè)備為控制對(duì)象，通過(guò)PLC編程、機(jī)器人編程、通信連接，利用PLC高級(jí)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真設(shè)備與PLC之間的數(shù)據(jù)交換，可直觀地展現(xiàn)三維場(chǎng)景下工業(yè)生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程，不僅能夠體現(xiàn)與實(shí)際生產(chǎn)線一致的物理性能，而且對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作與PLC實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，為PLC實(shí)踐教學(xué)方面提供了更為廣闊的發(fā)展空間。

虛擬仿真；數(shù)據(jù)交換；生產(chǎn)線；并行設(shè)計(jì)

引言

可編程邏輯控制器（PLC）在工業(yè)自動(dòng)化控制方面能夠有效地完成各類(lèi)順序控制，例如貨物搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)、智能物流分揀生產(chǎn)線控制系統(tǒng)等，在工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用較為廣泛，在PLC教學(xué)方面形成了許多典型的教學(xué)案例，然而一般工科院校在PLC教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中對(duì)于程序調(diào)試常常局限于設(shè)備廠家所提供的控制模塊設(shè)備，例如電機(jī)模塊、交通燈模塊、機(jī)械手模塊等。針對(duì)PLC的各類(lèi)指令練習(xí)時(shí)，控制要求則需要根據(jù)這些模塊進(jìn)行提出，而不能靈活地去更改控制要求，也就是說(shuō)如果更改控制要求之后就可能沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的控制模塊與控制要求進(jìn)行匹配，因此在對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程往往是通過(guò)PLC狀態(tài)指示的燈亮滅來(lái)判斷程序是否滿足其控制要求[1]。目前大多數(shù)PLC軟件只是單純地對(duì)PLC程序本身的邏輯關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，缺少PLC程序與設(shè)備之間綜合運(yùn)用時(shí)邏輯關(guān)系的驗(yàn)證[2]。這對(duì)于初次接觸PLC的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在遇到控制要求較為復(fù)雜的情況時(shí)，通過(guò)觀察PLC狀態(tài)指示燈的變化來(lái)驗(yàn)證程序是否正確就會(huì)覺(jué)得比較困難，由于調(diào)試現(xiàn)象不明顯可能導(dǎo)致學(xué)生的設(shè)計(jì)思路不連貫，思維受到一定限制，不能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果不佳。除此以外，在PLC程序調(diào)試過(guò)程中，有時(shí)避免不了由于學(xué)生疏忽或操作不當(dāng)造成PLC設(shè)備損壞的可能[3]。結(jié)合在PLC教學(xué)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，采用虛擬仿真技術(shù)就可以有效解決PLC在教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)諸如以上問(wèn)題。

本文是基于VisualOne虛擬仿真軟件建立虛擬仿真被控對(duì)象，在完成PLC編程的同時(shí)增加了現(xiàn)代數(shù)字化工廠中的一個(gè)環(huán)節(jié)——智能制造自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，建立進(jìn)階式虛擬工業(yè)場(chǎng)景[4]，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線的工藝流程控制，在監(jiān)控虛擬工業(yè)生產(chǎn)線智能終端的同時(shí)，優(yōu)化與完善PLC的教學(xué)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，更新教學(xué)實(shí)踐改革手段，滿足學(xué)生在自動(dòng)控制方面創(chuàng)新的需求。

1 PLC虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

VisualOne是一種全方位工業(yè)智能制造虛擬仿真系統(tǒng)，可為PLC提供三維仿真場(chǎng)景下的驗(yàn)證功能，還可以與真實(shí)硬件PLC實(shí)時(shí)連接，對(duì)較為復(fù)雜的生產(chǎn)線可進(jìn)行虛擬調(diào)試，不僅能有效減輕現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，還能最大限度地縮短調(diào)試時(shí)間[5]。Visualone與PLC結(jié)合實(shí)現(xiàn)的教學(xué)案例種類(lèi)較多，既可以進(jìn)行半實(shí)物仿真，也可以實(shí)現(xiàn)全虛擬仿真[6]。本文是以全虛擬仿真實(shí)際生產(chǎn)線作為被控對(duì)象，以PLC為控制核心設(shè)計(jì)PLC虛擬仿真系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括虛擬控制對(duì)象模塊、PLC控制模塊、虛擬PLC模塊三部分，PLC虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

（1）虛擬控制對(duì)象模塊：在虛擬仿真環(huán)境下正確配置各類(lèi)控制對(duì)象，根據(jù)控制要求對(duì)所需設(shè)備可進(jìn)行選擇或建模，結(jié)合實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)線對(duì)各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行合理布局，確定相關(guān)變量；為了簡(jiǎn)化PLC程序編寫(xiě)內(nèi)容，減少較為繁瑣的路徑規(guī)劃編程工作，可通過(guò)選擇路徑或者直接生成路徑對(duì)輸送線上的機(jī)器人動(dòng)作過(guò)程完成編程操作，建立虛擬設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的通訊連接。

（2）PLC控制模塊：根據(jù)控制要求，PLC控制模塊需要完成輸入、輸出變量的分配和梯形圖程序的編寫(xiě)，本次PLC軟件選擇支持S7-1200 PLC的博途軟件。

（3）虛擬PLC模塊：將西門(mén)子PLC高級(jí)仿真軟件作為PLC與虛擬仿真控制對(duì)象之間的“橋梁”，通過(guò)S7-1200 PLC與虛擬設(shè)備模型之間的配置，實(shí)現(xiàn)PLC與虛擬仿真對(duì)象的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行PLC與虛擬仿真設(shè)備之間的有效連接，從而達(dá)到PLC控制虛擬設(shè)備動(dòng)態(tài)仿真的效果。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 PLC虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

VisualOne虛擬仿真軟件具有虛實(shí)結(jié)合功能和協(xié)同工作的特點(diǎn)，可有效地驗(yàn)證或模擬工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，特別是在自動(dòng)生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)、畫(huà)面監(jiān)控等方面應(yīng)用較多[7]，例如檢測(cè)產(chǎn)品出庫(kù)、入庫(kù)的數(shù)量，控制機(jī)器人的取料與放料等。選用VisualOne所提供豐富的模型庫(kù)中的設(shè)備三維模型或建模所需零件，搭建滿足控制要求并與實(shí)際生產(chǎn)線匹配的場(chǎng)景，利用其直觀、靈活、高效等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決PLC教學(xué)中控制對(duì)象較為單一的問(wèn)題[8]。這里以自動(dòng)生產(chǎn)線的人工分揀線控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)述PLC虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖2所示。

圖2 PLC虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)例設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 創(chuàng)建人工分揀線的虛擬場(chǎng)景

根據(jù)控制要求，首先對(duì)人工分揀線仿真模擬系統(tǒng)進(jìn)行工程規(guī)劃、工藝分析；接著創(chuàng)建人工搬運(yùn)線的場(chǎng)景，選用各類(lèi)組件，將零件、機(jī)器人、傳送帶、供料站、中轉(zhuǎn)站、按鈕等組件進(jìn)行導(dǎo)入，合理擺放組件并定位，完成人工分揀線的布局如圖3所示。

當(dāng)各個(gè)組件布置完成之后，還需對(duì)供料系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化PLC程序設(shè)計(jì)內(nèi)容，供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足供料站提供給第一個(gè)傳送帶不同的零件，當(dāng)零件到達(dá)第一個(gè)傳送帶末端的中轉(zhuǎn)站時(shí)，通過(guò)中轉(zhuǎn)站的程序設(shè)置進(jìn)入中轉(zhuǎn)站的零件個(gè)數(shù)，保證中轉(zhuǎn)站只出現(xiàn)一個(gè)零件，從而有效地將真實(shí)的被控對(duì)象進(jìn)行軟件化設(shè)置。

圖3 人工分揀線的布局

2.2 編寫(xiě)機(jī)器人程序

在VisualOne虛擬仿真軟件的“程序編輯器”面板上完成機(jī)器人有關(guān)動(dòng)作的編程設(shè)計(jì)，編寫(xiě)主程序與模塊化子程序，子程序是完成每種零件被抓取、放置的動(dòng)作，在主程序中調(diào)用子程序便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在每個(gè)傳送帶取料和放料過(guò)程，為PLC反饋給機(jī)器人的狀態(tài)做準(zhǔn)備工作。機(jī)器人工作的主程序如圖4所示，零件信息設(shè)置R1等于111，表示一種零件，R1值等于222時(shí)，表示另一種零件；設(shè)置R2是PLC將獲得R1的值（零件信息）傳送到R2，并發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)R2的值進(jìn)行零件的分揀；R3表示機(jī)器人的狀態(tài)，1代表機(jī)器人處于忙碌狀態(tài)，0代表機(jī)器人處于空閑狀態(tài)。

圖4 機(jī)器人工作的主程序

2.3 編寫(xiě)PLC程序

PLC設(shè)計(jì)部分主要控制人工分揀線中傳送帶的起?？刂坪蜋C(jī)器人的分揀動(dòng)作，其中傳送帶的起?？刂戚^為簡(jiǎn)單，這里針對(duì)機(jī)器人的分揀動(dòng)作設(shè)計(jì)做詳細(xì)說(shuō)明。PLC一方面需要從中轉(zhuǎn)站獲取零件信息，將零件信息的狀態(tài)存儲(chǔ)在寄存器里，并對(duì)零件信息完成屬性設(shè)置；另一方面PLC將獲取零件的信息發(fā)送給機(jī)器人，并判斷機(jī)器人的狀態(tài)，機(jī)器人根據(jù)寄存器的信息對(duì)零件進(jìn)行分揀。根據(jù)控制要求確定輸入與輸出變量，變量是虛擬仿真軟件與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的媒介，這里對(duì)PLC添加模擬外界開(kāi)關(guān)信號(hào)，需要位存儲(chǔ)器M來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]，因此本例針對(duì)控制對(duì)象設(shè)置數(shù)據(jù)塊DB，建立全局變量，分別設(shè)置起動(dòng)按鈕M3.0、停止按鈕M3.1、復(fù)位按鈕M3.2，實(shí)現(xiàn)被控虛擬仿真對(duì)象與PLC的數(shù)據(jù)聯(lián)系。

編寫(xiě)PLC梯形圖實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分揀動(dòng)作即將第一條傳送帶根據(jù)零件不同分揀到第二、三條傳送帶上，在博途軟件中應(yīng)用比較指令來(lái)判斷機(jī)器人的狀態(tài)，通過(guò)獲取存儲(chǔ)零件信息，利用傳送指令讓機(jī)器人分揀不同的零件，S7-1200 PLC指令豐富，編程模式較為靈活，因此這里的編程方法不是唯一的，可以根據(jù)所學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)程序。PLC控制機(jī)器人分揀零件的部分程序如圖5所示。

圖5 分揀零件的部分程序

按下起動(dòng)按鈕，供料輸送帶開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)零件到達(dá)傳送帶末端的中轉(zhuǎn)站，中轉(zhuǎn)站記錄零件信息，PLC從中轉(zhuǎn)站中獲取零件信息，并發(fā)送指令給機(jī)器人進(jìn)行零件的分揀任務(wù)。

利用比較指令獲取機(jī)器人的狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人處于空閑狀態(tài)，比較結(jié)果為真，觸點(diǎn)閉合，并判斷零件的種類(lèi)，并將每種零件信息進(jìn)行傳送，使傳送帶繼續(xù)自動(dòng)傳送零件。按下停止按鈕，機(jī)器人執(zhí)行完當(dāng)前分揀動(dòng)作后停止，不再進(jìn)行零件的分揀。

3 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

對(duì)人工分揀線在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)建立虛擬仿真軟件VisualOne與PLC的通信連接，完成PLC與虛擬設(shè)備之間的邏輯功能的測(cè)試。

3.1 虛擬PLC設(shè)置

利用PLCSIM Advanced V2.0 SP1 高級(jí)仿真軟件作為虛擬PLC，分別對(duì)高級(jí)仿真軟件與VisualOne的虛擬仿真設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控[10]。具體操作過(guò)程：打開(kāi)博途V15.1軟件，添加虛擬PLC，完成虛擬PLC的組態(tài)，設(shè)置PLC以太網(wǎng)的地址，需要與PLC高級(jí)仿真器中的地址相同，即博途軟件與西門(mén)子PLCSIM Advanced V2.0 SP1高級(jí)仿真軟件中的IP地址設(shè)置為一致，這樣才能將編譯正確的梯形圖程序下載到虛擬的PLC中。

3.2 虛擬調(diào)試驗(yàn)證

3.2.1 PLC程序調(diào)試

打開(kāi)博途V15.1軟件，選中OPC UA，激活OPC UA服務(wù)器；在運(yùn)行系統(tǒng)許可證下設(shè)置OPC UA運(yùn)行許可證，并在所建立項(xiàng)目中的屬性設(shè)置中設(shè)置該項(xiàng)目支持仿真；對(duì)PG/PC接口使用西門(mén)子PLC高級(jí)仿真器的虛擬地址，連接服務(wù)器地址設(shè)置為OPC UA通訊地址，服務(wù)器地址如圖6所示，這時(shí)便可將編寫(xiě)好的程序進(jìn)行下載。

圖6 服務(wù)器地址

3.2.2 運(yùn)行調(diào)試

在虛擬環(huán)境下，首先啟用連通性建立仿真軟件與PLC通訊連接，接著在連通配置下添加OPC UA服務(wù)器，輸入服務(wù)器地址，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真對(duì)象與PLC之間的數(shù)據(jù)交互。在VisualOne虛擬仿真軟件運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行仿真，在顯示連接成功狀態(tài)下進(jìn)行模擬運(yùn)行，按下虛擬場(chǎng)景的起動(dòng)按鈕，人工分揀線即可開(kāi)始有序工作，驗(yàn)證控制程序功能的同時(shí)還可在“已連接變量”面板中直觀地觀察到仿真過(guò)程中所設(shè)置變量的變化情況。調(diào)試過(guò)程如圖7所示。

圖7 調(diào)試過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

VisualOne虛擬仿真軟件提供了在三維場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)了PLC驗(yàn)證功能，從而解決PLC難于支持多特性設(shè)備的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的問(wèn)題，為PLC在教學(xué)驗(yàn)證方面提供了發(fā)展空間。本文是基于PLC與虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)以人工分揀線為例的PLC虛擬仿真系統(tǒng)，從搭建3D虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景開(kāi)始，完成PLC的I/O分配、程序編寫(xiě)、虛擬PLC的設(shè)置、通信連接等一系列的操作，將硬件虛擬在軟件仿真方面提供了有力支撐。不僅控制對(duì)象不受設(shè)備類(lèi)型限制，而且較為逼真地、立體化展示了工作場(chǎng)景，把具體問(wèn)題進(jìn)行可視化，完善了PLC教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)內(nèi)容。通過(guò)PLC高級(jí)仿真軟件的“牽線搭橋”構(gòu)建PLC虛擬仿真控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景設(shè)備執(zhí)行環(huán)節(jié)的控制，為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)另辟新徑，從而進(jìn)一步拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度，提升遞進(jìn)式思維能力，為學(xué)生提供一個(gè)自主探究與創(chuàng)新的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

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Design of Direct Connect PLC Virtual Simulation System Based on VisualOne

In order to improve the teaching effect of PLC, this paper uses the virtual simulation software to design and debug the PLC project, takes the virtual equipment constituting the three-dimensional scene as the control object, realizes the data exchange between the virtual simulation equipment and PLC through PLC programming, robot programming and communication connection, and uses the PLC advanced simulation software, which can intuitively show the real-time operation process of the automatic control system of the industrial production line under the three-dimensional scene. It can not only reflect the physical performance consistent with the actual production line, but also realize the parallel design of mechanical structure action and PLC, which provides a broader development space for PLC practical teaching.

virtual simulation; data exchange; production line; concurrent design

TP391.9

A

1008-1151(2022)05-0001-04

2022-03-23

陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題（SGH20Y1650）。

任曉敏（1977－），女，陜西乾縣人，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)化控制。