王 琳 尹 鵬 武建新 高志發(fā) 付志忠

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

柔性制造系統(tǒng)(FMS)是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的作用下，由多個(gè)控制系統(tǒng)組合起來構(gòu)成的一種適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的先進(jìn)制造系統(tǒng)[1]。自20世紀(jì)80年代以來，其作為邁向工廠自動(dòng)化的第一步，已獲得了廣泛的應(yīng)用。伴隨著工業(yè)4.0的到來，高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)迎來一個(gè)高速發(fā)展的契機(jī)[2]?？刂葡到y(tǒng)程序不斷更新、復(fù)雜度日益增加等現(xiàn)狀，已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展的掣肘。

同時(shí)傳統(tǒng)的控制程序開發(fā)是完全基于理論的。項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成后，下載到硬件PLC中，通過LED顯示燈觀察輸入輸出量的變化。程序應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)很多問題，后期調(diào)試非常困難。這種系統(tǒng)開發(fā)方式過度依賴現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)效率低，難以適應(yīng)當(dāng)下柔性制造系統(tǒng)快速更新的節(jié)奏。

針對(duì)某企業(yè)程序研發(fā)調(diào)試?yán)щy等問題，本文采用組態(tài)仿真開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建虛擬系統(tǒng)的方法，為工程人員提供一種經(jīng)濟(jì)可靠的研發(fā)途徑。企業(yè)僅需提供實(shí)物PLC與一臺(tái)計(jì)算機(jī)，研發(fā)人員可以使用PRODAVE通訊技術(shù)連接計(jì)算機(jī)虛擬工程與硬件PLC中的控制程序。通過直觀的系統(tǒng)運(yùn)行畫面，對(duì)比理想控制效果，實(shí)時(shí)更改程序，達(dá)到最優(yōu)控制系統(tǒng)，從而有效地縮短柔性制造系統(tǒng)控制程序研發(fā)周期。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

為解決某企業(yè)研發(fā)需求，本文將仿真技術(shù)充分融入到生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)了基于PRODAVE通訊的柔性制造仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。圖中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子全集成自動(dòng)化編程軟件TIA Portal V15，分析系統(tǒng)控制方案，根據(jù)任務(wù)需求，完成虛擬硬件組態(tài)、創(chuàng)建通訊方式、I/O信號(hào)分配以及控制程序設(shè)計(jì)。然后使用西門子SIMIT仿真開發(fā)平臺(tái)搭建底層虛擬工程，繪制虛擬設(shè)備界面，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和圖形信號(hào)，創(chuàng)建圖形運(yùn)動(dòng)控制程序與邏輯函數(shù)算法。最后將TIA Portal編輯完成的控制項(xiàng)目下載到硬件PLC中，使用PC-Adaptor USB通訊電纜連接計(jì)算機(jī)，虛擬工程根據(jù)接受到的控制數(shù)據(jù)運(yùn)行仿真程序與邏輯算法，得出位置、速度、加速度等各種參數(shù)，輸出與指定傳感器一致的電信號(hào)，送往控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)控制。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 組態(tài)軟件仿真技術(shù)構(gòu)架

組態(tài)軟件創(chuàng)建仿真控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上包括3個(gè)基本要素:系統(tǒng)、系統(tǒng)模型和計(jì)算機(jī)，基本規(guī)則包括:控制部分、仿真模型和通訊部分[3]。如圖2所示為組態(tài)軟件仿真技術(shù)構(gòu)架圖。

模型界面包括被控對(duì)象部分和控制面板部分，應(yīng)用組態(tài)軟件由自身集成的圖元工具制作，也可以由第三方模型導(dǎo)入。創(chuàng)建的模型，必須遵循圖形美觀、詳盡原則，清晰表達(dá)控制環(huán)境和被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。模型創(chuàng)建時(shí)，需要配置任務(wù)需求的運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，插入運(yùn)動(dòng)控制腳本，確保圖形連接信號(hào)后生成虛擬控制畫面。

控制部分包括I/O信號(hào)分配，虛擬傳感器布置，圖形運(yùn)動(dòng)控制程序和仿真邏輯算法設(shè)計(jì)等。程序設(shè)計(jì)可以基于圖形化語(yǔ)言，也可以基于高級(jí)語(yǔ)言。圖形化語(yǔ)言為軟件中集成的組件模塊，通過邏輯算法將各個(gè)模塊進(jìn)行連接，輸出參數(shù)信號(hào)。高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，通?；贑或C++，在軟件腳本中輸入控制語(yǔ)言，編譯運(yùn)行程序，使其輸出控制畫面需求信號(hào)。

通訊部分包括仿真系統(tǒng)內(nèi)部通訊和外部通訊。內(nèi)部通訊指前臺(tái)模型與后臺(tái)邏輯通過Connector連接器連接。外部通訊指仿真過程與控制程序通過PRODAVE通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 PRODAVE 通訊技術(shù)

生產(chǎn)廠家對(duì)于PLC通訊協(xié)議保密，把PC各種編程功能、數(shù)據(jù)處理功能與PLC控制功能聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，成為柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)問題[4]。

PRODAVE——過 程 數(shù) 據(jù) 交 換 (process data traffic)可以在高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境中[5]，與合并到用戶程序中的功能進(jìn)行組合，調(diào)用PRODAVE自身動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中包含的大量Windows操作系統(tǒng)DLL函數(shù)[6]。本文所使用的是PRODAVE V6.2版本通訊工具包。

PRODAVE MPI/IE V6.2運(yùn)行時(shí)，通過 MPI、Profibus-DP通訊模塊或以太網(wǎng)接口模塊等硬件設(shè)備，在高級(jí)開發(fā)語(yǔ)言環(huán)境中應(yīng)用“Cycle_Read”、“DB_Read/Write”、“Filed_Read/Write”等方式建立 PLC 與PC的數(shù)據(jù)通訊[7]。

數(shù)據(jù)通訊原理，實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)通過PRODAVE網(wǎng)關(guān)，強(qiáng)制訪問控制器的CPU過程映像區(qū)，如圖3所示。由圖中可知，PC讀寫PLC中數(shù)據(jù)，有兩種方式:方式一，不通過I/O端口，直接在過程映像區(qū)的輸入中寫入0或1，再由過程映像區(qū)的輸出反饋數(shù)據(jù)到PC；方式二，在過程映像區(qū)中寫入信號(hào)，由過程映像區(qū)刷新數(shù)據(jù)到PLC的I/O模塊，再由I/O模塊的輸出端口反饋數(shù)據(jù)到PC。

使用這兩種方式時(shí)，STEP 7和SIMIT程序中的輸入輸出地址是關(guān)鍵。以S7-300系列PLC為例，SIMIT程序的I/O信號(hào)時(shí)間片段小于等于10(500ms)時(shí)，STEP 7和SIMIT程序中的I/O信號(hào)地址一定要大于實(shí)際PLC中的I/O模塊地址。過程映像區(qū)刷新數(shù)據(jù)的時(shí)間要大于SIMIT I/O信號(hào)傳輸時(shí)間，即當(dāng)SIMIT程序的I/O信號(hào)時(shí)間片段不夠長(zhǎng)時(shí)，過程映像區(qū)不足以將數(shù)據(jù)傳給I/O模塊。對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)，不需要實(shí)際I/O模塊做出反應(yīng)，控制程序輸入輸出地址范圍不做要求，這是上述方式一通訊原理。使用方式二通訊時(shí)，SIMIT程序的I/O信號(hào)時(shí)間片段大于過程映像區(qū)刷新數(shù)據(jù)的時(shí)間，控制程序中的I/O信號(hào)地址就可以設(shè)置為I/O模塊的地址范圍。

2.3 數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)物控制器半虛擬仿真系統(tǒng)可以有2種PRODAVE連接通訊結(jié)構(gòu)，如圖4所示:一種是使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成讀寫PLC數(shù)據(jù)的工作，但是由于MPI適配器為RS485兩線制半雙工通訊，當(dāng)STEP 7將程序下載到PLC中，關(guān)閉STEP 7軟件，否則SIMIT讀不到數(shù)據(jù)；另一種是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別完成PLC數(shù)據(jù)的讀寫，因?yàn)橐瑫r(shí)傳輸數(shù)據(jù)，所以要同時(shí)使用PLC中的MPI和Profibus數(shù)據(jù)串口。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文所參考的柔性制造系統(tǒng)是基于某有限公司為研發(fā)團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)硬件設(shè)備包括1臺(tái)并聯(lián)型加工機(jī)器人，1臺(tái)碼垛機(jī)器人，立體倉(cāng)庫(kù)，運(yùn)料傳輸帶，如圖5所示為制造系統(tǒng)立體圖[8]。

如圖6所示，為實(shí)際模型系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，分析該系統(tǒng)控制特點(diǎn)可知，數(shù)字加工系統(tǒng)動(dòng)作單一，控制較為簡(jiǎn)單，物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中傳感器數(shù)量多、控制信號(hào)復(fù)雜。柔性制造系統(tǒng)中所有動(dòng)作信號(hào)都是由物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行檢測(cè)并發(fā)出的，控制難度較大，設(shè)計(jì)虛擬系統(tǒng)時(shí)著重體現(xiàn)物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)控制。

本文所設(shè)計(jì)的虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面及控制現(xiàn)場(chǎng)如圖7、圖8所示。與物理系統(tǒng)被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比，運(yùn)動(dòng)規(guī)律、控制效果相同。仿真系統(tǒng)運(yùn)行完成時(shí)間短，可以隨時(shí)暫停仿真，實(shí)時(shí)更改調(diào)試程序。物理系統(tǒng)啟動(dòng)較復(fù)雜，運(yùn)行周期較長(zhǎng)，干擾因素較多。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從柔性制造系統(tǒng)角度出發(fā)，針對(duì)某企業(yè)程序研發(fā)調(diào)試?yán)щy問題，提出了創(chuàng)建虛擬控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方案。主要研究并設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)的虛擬仿真系統(tǒng)以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的PRODAVE通訊技術(shù)，創(chuàng)新點(diǎn)是基于實(shí)物控制器控制虛擬柔性生產(chǎn)線進(jìn)行程序研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)研發(fā)過程中實(shí)時(shí)、快捷的調(diào)試程序，符合當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化不斷更新優(yōu)化的理念。對(duì)比PLC程序應(yīng)用到實(shí)物系統(tǒng)的控制效果，虛擬系統(tǒng)運(yùn)行仿真過程中，運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)快捷等特點(diǎn)，均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

.知識(shí)窗.

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)(automatic measurement technology)使用各種高精密自動(dòng)檢測(cè)儀器，自動(dòng)地、靈敏地檢出各種被測(cè)量，與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)合在一起，能迅速、穩(wěn)定地自動(dòng)讀取、存儲(chǔ)、判斷、分析和處理測(cè)量信息。自動(dòng)檢測(cè)是質(zhì)量管理系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，是自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)本身的重要環(huán)節(jié)。在機(jī)械工業(yè)中，從制品的形狀、尺寸、缺陷、性能等的自動(dòng)測(cè)量，到成品生產(chǎn)過程各階段的質(zhì)量控制，從各種工藝過程及設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制，到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)條件的自動(dòng)生產(chǎn)，都需要自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

自動(dòng)檢測(cè)裝置(automatic measuring unit)對(duì)工件的尺寸、形狀、重量等自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。它安置在機(jī)床上，對(duì)工序進(jìn)行中的工件進(jìn)行檢測(cè)并將結(jié)果送進(jìn)控制機(jī)構(gòu)，使機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的稱為主動(dòng)檢測(cè)裝置。對(duì)工序完了的工件進(jìn)行檢測(cè)并自動(dòng)剔除廢品或按尺寸形狀大小分類的稱為被動(dòng)或消極檢測(cè)裝置，一般以自動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)的形式出現(xiàn)。

自動(dòng)焊工作臺(tái)(manipulator)其操作平臺(tái)可以升降，自動(dòng)焊小車可在平臺(tái)軌道上移動(dòng)與調(diào)整，工作臺(tái)及其主柱可在軌道上移動(dòng)，以適應(yīng)自動(dòng)焊縱縫和環(huán)縫的焊接。與焊接操作機(jī)類同。

自動(dòng)程序設(shè)計(jì)(automatic programming)在使用計(jì)算機(jī)的初期，用機(jī)器指令編寫程序(即手工程序設(shè)計(jì))以后發(fā)展為用算法語(yǔ)言編寫程序，稱為自動(dòng)程序設(shè)計(jì)。目前研究完全由計(jì)算機(jī)本身來編制程序，如研究成功，則人們只要凍述問題而不必提出精確的解題算法。

自動(dòng)對(duì)流換熱(free convection，natural convection)亦稱自由對(duì)流換熱。由于流體內(nèi)部冷熱不均，導(dǎo)致各部分密度不同，產(chǎn)生流體浮升力，使流體流動(dòng)，引起流體與周圍物體表面因溫度不同而發(fā)生對(duì)流換熱的過程。