肖 馳

（天門職業(yè)學院，湖北 天門 431700）

工業(yè)自動化生產(chǎn)線在我國制造業(yè)的飛速發(fā)展下，正朝著智能化、集成化的方向發(fā)展。生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和自動化技術(shù)于一體。工業(yè)以太網(wǎng)具有開放性、成本低且支持多種軟硬件的特點，在集成控制系統(tǒng)中有著廣泛應用。虛擬調(diào)試技術(shù)則是利用仿真平臺對集成系統(tǒng)進行有效監(jiān)督與控制，有助于設計人員提高設計速度、提升設計質(zhì)量，使設計流程發(fā)生革命性的轉(zhuǎn)變，以便更好地滿足不斷發(fā)展的制造業(yè)需求。

1 集成控制軟件的開發(fā)

工業(yè)以太網(wǎng)具有開放性，能夠支持數(shù)種軟硬件且成本造價比較低的特點，因而在集成控制軟件開發(fā)中發(fā)揮著明顯優(yōu)勢。集成控制軟件由機器人應用程序、OPC 客戶端和監(jiān)控程序組成，該軟件的開發(fā)主要以C語言為主，借助VS2015 平臺進行相應操作。機器人應用程序可以對所有的機器人控制器實現(xiàn)在線搜索，之后對目標控制器進行自動選擇并進行連接。機器人應用程序的功能是對機械單元信息的讀取，它既可以讀寫I/O 信號，又可以讀取和調(diào)用RAPID 程序。OPC 客戶端可以對OPC 服務器進行搜索和連接，以讀寫OPC數(shù)據(jù)，從而對OPC 組屬性進行設置。監(jiān)控程序能夠?qū)崿F(xiàn)截屏、錄像等操作[1]。

機器人應用程序，利用PCSDK 進行開發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機器人應用程序包括的功能域有6 個，PC 訪問的應用編程接口也在其中，其主要作用是對ABB 機器人控制器進行訪問。根據(jù)實際開發(fā)需求，與功能域相關(guān)的類建立了聯(lián)系。

圖1 機器人應用程序結(jié)構(gòu)

OPC 客戶端的開發(fā)。程序需要先對一些信息進行獲取，包括計算機IP、相關(guān)名稱等內(nèi)容，由于OPC 服務器在計算機注冊表中，通過點擊鼠標，則會自動建立連接，如果點擊之后彈出報警彈窗，則代表著計算機中并沒有設置服務器，需要選擇相應的選項建立連接。如果計算機中設置了服務器但是沒有連接成功的話，則需要繼續(xù)嘗試直到連接成功為止。服務器連接成功之后，系統(tǒng)會自動建立并默認為缺省組，當然了，如果想要建立自定義組的話，可通過手動設置完成。這樣一來，便可以完整地獲取這一組中的所有數(shù)據(jù)項。在需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行讀取時，可借助這一程序，在已經(jīng)清空的列表中將需要讀取的數(shù)據(jù)全面地顯示出來。如果需要對一些程序進行編寫的話，通過選定需要改變的變量，在寫入編輯框中添加需要編寫的數(shù)據(jù)信息。值得注意的是，不論是讀取數(shù)據(jù)，還是編寫數(shù)據(jù)，在進行過程中都不可將該程序退出來，要待這些讀寫操作全部完成之后，才能進行程序退出的操作。退出程序之后，OPC 服務器便斷開與系統(tǒng)的連接，隨著相關(guān)資源的釋放，代表著相應的讀寫操作就此完成。這樣一來，PC 端便可以將數(shù)字孿生模型與PLC 數(shù)據(jù)連接，進行虛擬調(diào)試[2]。在開發(fā)集成控制軟件時應用多線程技術(shù)，可以提高該軟件的執(zhí)行效率，從而實現(xiàn)對資源的合理利用。該軟件開辟了A、B、C 3 個線程，其中A 線程的任務，主要是用來控制PC 機與機器人之間的通訊。當機器人與A 線程建立連接之后，不僅可以獲取與機器人相關(guān)的所有信息數(shù)據(jù)，同時還可以對機器人RAPID 加工程序進行遠程讀取、加載和調(diào)用；B 線程的任務主要負責連接OPC 服務器，以對OPC 組屬性進行修改和獲取。同時還可以獲取OPC 項的詳細信息，以對OPC 項中的具體信息加以修改和獲??；C 線程主要負責的任務是連接所有監(jiān)控設備，不僅支持畫面截屏功能，還支持錄像功能，從而對整個工業(yè)生產(chǎn)線設備進行實時監(jiān)控。不同的線程無法同時操作同一個對象，如果執(zhí)意操作的話，容易增加程序運行過程中的風險，情況嚴重的話，甚至還會使整個程序陷入癱瘓狀態(tài)。線程同步技術(shù)可以很好地解決這個問題，通過使用互斥鎖排他的方式，避免共享對象被多個線程同時訪問[3]。機器人線程與PLC線程對集成控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的讀取同步的邏輯關(guān)系如圖2 所示。

圖2 機器人線程與PLC 線程同步邏輯圖

2 虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試的目的是為了讓相關(guān)工作人員對一些重要的數(shù)據(jù)信息進行完整的獲取，以全面了解整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時為相關(guān)工作人員直觀了解系統(tǒng)運行的具體情況提供便利。除此之外，虛擬調(diào)試有助于相關(guān)人員對系統(tǒng)的軟硬件進行同時設計。在調(diào)試過程中，通過及時發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)運行過程中的障礙，讓系統(tǒng)軟硬件的設計更加完善。實現(xiàn)虛擬測試，自然離不開系統(tǒng)模型的支持，當然，構(gòu)建系統(tǒng)模型還需要借助NX MCD 平臺，調(diào)試過程中，還需要運用集成控制軟件[4]。

2.1 機器人焊接工作站的虛擬調(diào)試

構(gòu)建機器人焊接工作站的主要設施包括1 臺IRR6700-175-305 型機器人和3 臺IRB1600-6-145型機器人，并在工作站的外圍配置一些必要的設施，包括控制柜、固定柱等設施。IRR6700-175-305 型機器人的主要功能是夾持待加工工件，并將這些工件搬運至焊接區(qū)，因而需要將該機器人固定在地面底座上。IRB1600-6-145 型機器人在待加工工件焊接過程中發(fā)揮著協(xié)同控制作用，通過對工件焊接工作進行多方位協(xié)助，以提高焊接工作的效率和質(zhì)量。因此，在布置這3 臺機器人的位置時，應結(jié)合實際生產(chǎn)需求，對這3 臺機器人的位置進行合理設置。機器人控制器的執(zhí)行程序主要由RAPID 語言編寫而成。程序開始執(zhí)行時，會對各個機器人的起始位置進行檢測，如果檢測到在起始位置，那么這4 臺機器人均會處于等待狀態(tài)，其中IRR6700-175-305 型機器人會將加工工件搬運到加工位置，之后進入等待狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到待加工工件到達加工位置時，3 臺IRB1600-6-145 型機器人則會從之前的等待狀態(tài)進入到工作狀態(tài)，開始對工件上表面進行加工。當這些工件的上表面加工完畢之后，這3 臺機器人會自動回到起始位置，重新進入到等待狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到3 臺IRB1600-6-145 型機器人均回到起始位置后，IRR6700-175-305 型機器人會將工件的上表面翻轉(zhuǎn)至下表面，之后進入等待狀態(tài)。這時3 臺IRB1600-6-145 型機器人則會由現(xiàn)在的等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，開始對工件進行下表面的加工。當這些工件的下表面全部加工完畢之后，3 臺IRB1600-6-145型機器人則會返回到最初的起始位置，之前的工作狀態(tài)在機器人返回到起始位置后重新轉(zhuǎn)換為等待狀態(tài)，準備迎接下一個加工任務的到來。這個時候，IRR6700-175-305 型機器人會向起始位置運送加工完成的工件，它的運行狀態(tài)也由之前的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為等待狀態(tài)。這就是自動化工業(yè)生產(chǎn)線的整個加工流程。想要系統(tǒng)與建立完成的機器人焊接工作站建立連接，還需要借助集成控制軟件的支持，從而實現(xiàn)對機器人焊接工作站虛擬構(gòu)建數(shù)字孿生模型，對現(xiàn)場進行虛擬調(diào)試。在進行虛擬調(diào)試過程中，可以及時發(fā)現(xiàn)不合理之處，如機器人的位置不合理、相關(guān)程序存在運行問題等，則可以結(jié)合實際需求進行合理調(diào)整，確保工件加工工作順利高效的進行。

2.2 生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試

自動化工業(yè)生產(chǎn)線的搭建需要借助NX MCD 平臺，通過建立PLC 和OPC 服務器之間的連接，對設備進行控制。自動化工業(yè)生產(chǎn)線一共包括5 個單元，分別是貨物分揀單元、AGV 小車單元、貼標單元、自動化立體倉庫單元和機器人拆垛單元，不同單元承擔著不同的任務和功能。

貨物分揀單元主要由4 個部分構(gòu)成，包括輸送帶、荷載生成器、鏈式移栽機、傳感器等。貨物產(chǎn)生過程中，貨物分揀單元中的荷載生成器可對其進行模擬。按照規(guī)范標準，通過控制鏈式移栽機，可以將不同顏色的貨物放置在輸送帶上。

小車（AGV）單元也是由4 個部分構(gòu)成，包括AGV小車、導軌、車輛控制器和目標選擇控制器，為了提高工作效率，根據(jù)實際生產(chǎn)需求，在貨物運輸方面可以配備2 臺以上的AGV 小車。

貼標單元的任務是在貨物表面的指定位置上準確地貼上條形碼。傳感器在這一單元運行中發(fā)揮著重要作用，通過傳感器對貨物進行檢測，隨即自動完成條形碼的粘貼任務。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的貨架是自動化立體倉庫單元的重要組成部分，貨架的尺寸不是隨意定制的，而是需要根據(jù)貨物的規(guī)格與大小進行標準定制，以便更好地滿足貨物存放需求。巷道堆垛起重機主要負責貨物的存取放工作，也是這一單元的重要構(gòu)成部分。對自動化立體倉庫單元的管理，主要通過計算機技術(shù)結(jié)合條形碼技術(shù)實現(xiàn)。

對PLC 與機器人集成控制主要是通過集成控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的，通過連接OPC 服務器和PLC，搭建NX MCD 平臺。自程序開啟之后，荷載生成器會隨著程序的開啟而自動生成貨物，而輸送帶也會在程序開啟之后開始運轉(zhuǎn)。這個時候，貨物會隨著輸送帶的運轉(zhuǎn)接觸到傳感器，而傳感器具有辨別顏色的功能，可以對貨物的顏色進行準確的辨別。如果貨物的顏色為藍色時，移栽機則不會做出任何的動作；如果貨物的顏色為綠色時，移栽機則會上升，輸送機電動機則會開始正轉(zhuǎn)；如果貨物的顏色為棕色時，移栽機也會上升，與之前不同的是，輸送機電動機的運轉(zhuǎn)方向是發(fā)轉(zhuǎn)。當藍色貨物在傳輸過程中觸碰到貼標傳感器時，貼標傳感器可以對貨物的顏色進行準確識別，如果識別到貨物的顏色為指定顏色時，便會在貨物指定粘貼條形碼的位置上，自動地將條形碼粘貼上去。貨物粘貼完條形碼之后，會隨著輸送帶的運轉(zhuǎn)來到傳感器的尾部，整個貨物傳送程序就此完成，而輸送帶電動機也會就此自行停止運轉(zhuǎn)，同時將相應的消息指令傳輸給AGV 小車。接收到指令之后，小車（AGV）可以對輸送帶上是否有需要等待運送的貨物進行自動檢測。如果檢測到貨物輸送帶上有貨物滯留，便會將貨物輸送帶上的貨物自行裝好，然后將這些貨物運送至倉庫中空閑的入庫平臺上。這個時候系統(tǒng)會對入庫平臺進行自動檢測，以查看平臺上是否有儲存的貨物，如果檢測到有貨物等待儲存的話，會將相應的指令傳送至巷道式堆垛起重機，由該設備將貨物存儲到倉庫的空貨架上。如果將出庫命令發(fā)送至自動化立體倉庫時，巷道式堆垛起重機會將需要出庫的貨物從倉庫中取出來，之后在出庫平臺上擺放出庫的貨物。這個時候，AGV 小車會對出庫平臺進行自動檢測，以查看平臺上是否有需要運送的貨物，如果檢測到有貨物正在等待運輸時，便會自動將這些貨物運送至拆垛輸送帶上，最后向拆垛機器人所在的位置運送這些貨物。當拆垛機器人檢測到需要拆垛的貨物，會自動在貨物的傳動帶上放置這些需要被拆垛的貨物，生產(chǎn)線的整個生產(chǎn)流程就此結(jié)束。

2.3 虛擬調(diào)試中存在的問題及解決方法

在虛擬調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)分揀貨物環(huán)節(jié)存在著一些問題，主要表現(xiàn)為：一是不同顏色的貨物經(jīng)過鏈式移栽機時，傳感器并沒有對這些貨物進行準確識別，以至于輸送帶電動機始終保持運行狀態(tài)；二是只能識別兩種顏色的貨物。之所以出現(xiàn)這些問題，是因為梯形圖程序的設計缺乏一定的合理性，如果這些問題出現(xiàn)在實際調(diào)試中，那么勢必會對設備造成不同程度的損壞。而虛擬測試則很好地解決了這些問題。通過虛擬測試，可以將這些異常情況進行有效規(guī)避，同時針對運行過程中存在的問題，可以及時制定與之相應的解決方法，保障設備始終維持良好運行狀態(tài)。

其次，AGV 小車裝卸貨目標選擇出錯。生產(chǎn)線的實際情況非常復雜，對AGV 小車的應用有著較高要求，這是因為AGV 小車的目標選擇非常的重要。在裝卸貨過程中，比較容易出現(xiàn)一些不符合操作流程的行為，如AGV 小車從倉庫的出庫平臺取貨后直接放到入庫平臺等情況。想要對這一問題進行有效解決，可以將兩個目標選擇控制器添加到小車單元（AGV）中。其中一個控制器用來監(jiān)視貼標單元輸送出來的貨物，另一個控制器則是用來監(jiān)視倉庫單元輸送出來的貨物，然后將這些貨物準確地傳送至拆垛單元輸送帶上?？刂瀑N標單元的控制器有兩個控制點，其中一個用來連接貼標單元輸送帶的末端，另一個連接進庫平臺，同時將Targets 控制點連接拆垛輸送帶。啟動PLC 程序之后，PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)可通過OPC 客戶端進行遠程讀寫，這樣一來，便可以有效控制系統(tǒng)模型的運行，經(jīng)過虛擬調(diào)試證實，系統(tǒng)內(nèi)的各單元模塊均處于良好運行狀態(tài)[5]。

3 結(jié)束語

綜上所述，將集成控制系統(tǒng)應用在工業(yè)生產(chǎn)線中，可對機器人和PLC 建立集成通訊。集成控制軟件的開發(fā)，可對機器人焊接工作站虛擬構(gòu)建數(shù)字孿生模型，對現(xiàn)場進行虛擬調(diào)試。對于各模塊間的信息交互機線程分配問題，多線程編程技術(shù)對此進行了有效解決。通過虛擬調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)并解決PLC 編程與系統(tǒng)模型中的一些問題，從而將設備運行中的各種異常情況進行有效規(guī)避。