魏雄冬

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣州，510450）

0 引言

隨著工業(yè)4.0 的不斷發(fā)展，智能工廠的不斷普及，車間設(shè)備的智能設(shè)備越來(lái)越多。各設(shè)備之間的通信協(xié)議層出不窮，給用戶帶來(lái)了極大的困擾，沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議，也給系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大難度。在工業(yè)4.0 萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，各軟件之間能使用相同通信協(xié)議進(jìn)行通信，顯得尤為重要。OPC UA(OLE For Process Control Unified Architecture)過(guò)程控制統(tǒng)一對(duì)象模型技術(shù)明確了目標(biāo)是成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的互用性（互操作性）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可以很好地解決上述問(wèn)題。因OPC UA 采用互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用的安全技術(shù)，滿足了完整性、機(jī)密性、可用性等三大安全需求，能夠安全地進(jìn)行連接、數(shù)據(jù)傳輸，故成為工業(yè)4.0 研究院推薦的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

1 KUKA.Sim Pro 軟件的OPC UA 功能

KUKA.Sim Pro 軟件與西門(mén)子PLC 之間的通信可通過(guò)3 種方式進(jìn)行：第一種是采用虛擬PLC，但須結(jié)合S7-PLCSIM Advanced 仿真軟件，該軟件會(huì)給PLC 構(gòu)建一個(gè)虛擬網(wǎng)卡，通過(guò)該虛擬網(wǎng)卡支持TCP / IP 通信；第二種是直接跟物理PLC 進(jìn)行通信，因?yàn)槲锢鞵LC 本身自帶網(wǎng)卡，所以無(wú)需構(gòu)建；第三種是采用虛擬PLC 和S7-PLCSIM 仿真軟件，如果只有這兩者，PLC 只能實(shí)現(xiàn)仿真功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)TCP / IP 通信功能（但PLCSIM Advanced 軟件支持），所以還需結(jié)合一個(gè)第三方網(wǎng)絡(luò)搭建軟件NetToPLCSim，僅當(dāng)使用PLCSIM 模擬PLC 時(shí)，才需要此部分。因此使用S7 連接插件創(chuàng)建直接連接不適用于PLCSIM?？梢允褂妹赓M(fèi)工具NetToPLCSim 作為S7 通信與PLCSIM 的西門(mén)子軟總線接口之間的橋梁。NetToPLCSim 是免費(fèi)軟件，可以從這里下載：http://NetToPLCSim.sourceforge.net/。該下載隨軟件附有完整用戶手冊(cè)，如果在使用軟件時(shí)遇到任何問(wèn)題，可以參考該手冊(cè)。

本次仿真實(shí)驗(yàn)使用TIA Portal V16（西門(mén)子公司推出的全集成自動(dòng)化編程軟件）和S7-PLCSIM Advanced V3.0模擬的虛擬S7-1500 系列PLC 完成。類似的過(guò)程也適用于其他S7 系列PLC，例如300、400 和1200，這些PLC是物理的或通過(guò)PLCSIM 或PLCSIM Advanced 模擬的。需要注意的是，使用S7 插件時(shí)，PLC 不需要任何OPC 功能即可連接到KUKA.Sim Pro。

2 S7-PLCSIM Advanced 和S7-1500PLC 通 信配置

2.1 PLC 的通信配置

西門(mén)子PLC 的OPC UA 功能是后期開(kāi)發(fā)的，以前的PLC 不具備該通信功能，S7-1200PLC 只有在固件版本V4.4 以上才能集成OPC UA 通信仿真功能，對(duì)于V4.4以下的版本都不能使用該通信仿真。S7-1500PLC 集成了OPC UA 通信功能，但要實(shí)現(xiàn)仿真，需要搭配虛擬網(wǎng)卡。采用西門(mén)子PLC 的仿真軟件S7-PLCSIM Advanced 搭建虛擬網(wǎng)卡，只能使用S7-1500PLC 和ET 200，不支持搭建S7-1200PLC，故本文僅以S7-1500PLC 為例配置OPC UA 通信。

首先創(chuàng)建PLC 的通信程序，打開(kāi)“TIA Portal V16”，創(chuàng)建新項(xiàng)目，給項(xiàng)目命名為“KUKA.Sim Pro 與西門(mén)子1500PLC 之間的通信程序”，選擇好路徑，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”；接著選擇“設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)”，點(diǎn)擊“添加新設(shè)備”，選擇“控制器”，選擇PLC 型號(hào)為：CPU 1511-1-PN，訂貨號(hào)為：6ES7 511-1AK01-0AB0，版本號(hào)選擇V2.5；然后在項(xiàng)目視圖中選擇項(xiàng)目，右鍵彈出菜單中選擇“屬性”，在項(xiàng)目屬性中選擇“保護(hù)”選項(xiàng)卡，必須確保啟用了“塊編譯時(shí)支持仿真”設(shè)置，在PLC 的屬性面板中，在PROFINET 接口設(shè)置中找到“以太網(wǎng)地址”；使用模擬PLC 時(shí)，通常最好將IP 地址設(shè)置為私有IP 地址，例如192.168.0.1；最后在PLC 屬性中找到“OPC UA”，選擇“服務(wù)器”，將“激活OPC UA 服務(wù)器”勾選上，下面的端口設(shè)置成4840，具體如圖1 所示。

最后找到“運(yùn)行系統(tǒng)許可證”，選擇“OPC UA”，選擇“SIMATIC OPC UA S7-1500 small”許可證類型，確定即可。給PLC 創(chuàng)建兩個(gè)IO 變量，根據(jù)控制要求編寫(xiě)PLC 控制程序，PLC 仿真程序如圖2 所示。

2.2 S7-PLCSIM Advanced 通信配置

若要讓PLC 實(shí)現(xiàn)仿真通信，必須建立虛擬網(wǎng)卡，本文選擇西門(mén)子仿真虛擬網(wǎng)卡。具體操作過(guò)程是：在虛擬網(wǎng)卡屬性面板下將“Siemens PLCSIM Virtual Switch”前面的框勾選上，PLC 和虛擬網(wǎng)卡必須處于同一網(wǎng)段，首先設(shè)置虛擬網(wǎng)卡IP 地址，選擇TCP/IPv4，打開(kāi)屬性面板，手動(dòng)輸入IP 地址和子網(wǎng)掩碼，該地址不能是PLC 屬性中設(shè)置的IP 地址，但是應(yīng)與該設(shè)置的IP 地址處于同一網(wǎng)段。

S7-PLCSIM Advanced V3.0 軟件必須以管理員身份運(yùn)行，否則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信。打開(kāi)該軟件，選擇PLCSIM虛擬網(wǎng)卡適配器，PLC 類型選擇1500PLC，輸入即將創(chuàng)建的網(wǎng)卡名稱、IP 地址和子網(wǎng)掩碼，然后點(diǎn)擊“Start”按鈕，如圖3 所示。需要注意的是，網(wǎng)卡名稱無(wú)需跟PLC 名稱一致，但I(xiàn)P 地址必須跟PLC 組態(tài)的IP 地址一致。當(dāng)下面出來(lái)網(wǎng)卡名稱和IP 地址，且顯示黃燈，說(shuō)明創(chuàng)建成功，但是PLC 還沒(méi)運(yùn)行。虛擬網(wǎng)卡創(chuàng)建完以后，可將PLC 程序下載到仿真器中，接著PG/PC 端口選擇“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”虛擬網(wǎng)卡，選擇“顯示地址相同的設(shè)備”，點(diǎn)擊“開(kāi)始搜索”，可以看到創(chuàng)建的1500PLC，點(diǎn)擊“下載”即可完成PLC 項(xiàng)目的下載。最后回到主程序，啟用監(jiān)視，可以讓程序處于在線狀態(tài)，PLC 端的通信配置完成。

3 KUKA.Sim Pro 軟件通信配置

3.1 配置OPC 服務(wù)器

配置完P(guān)LC 后即可配置KUKA.Sim Pro 的OPC UA，打開(kāi)“庫(kù)卡機(jī)器人碼垛應(yīng)用”項(xiàng)目（本文研究例案），在連通性視圖下，選擇“OPC UA”，然后點(diǎn)擊“添加服務(wù)器”菜單，具體如圖4 所示。在編輯連接面板屬性中，按服務(wù)器格式填好與PLC 一致的服務(wù)器地址，即：opc.tcp://192.168.0.1:4840，如圖5 所示，輸入完點(diǎn)擊“應(yīng)用”，KUKA.Sim Pro 仿真軟件端通信配置完成。在服務(wù)器的編輯連接面板屬性中，點(diǎn)擊“測(cè)試連接”，彈出連接成功對(duì)話框，說(shuō)明通信配置成功。

3.2 配置通信變量

OPC UA通信旨在實(shí)現(xiàn)工業(yè)“萬(wàn)物互聯(lián)”，讓各軟件間、跨平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通信變得簡(jiǎn)單，變得有可能。該通信沒(méi)有專門(mén)針對(duì)的數(shù)據(jù)類型，只要平臺(tái)間使用了相同的通信方式，能互相訪問(wèn)到，都是可以進(jìn)行通信的。本次OPC UA 通信測(cè)試以布爾信號(hào)為例，若能實(shí)現(xiàn)布爾信號(hào)的交互，其他數(shù)據(jù)類型的通信操作一樣。

具體操作過(guò)程為：建立KUKA.Sim Pro 仿真軟件服務(wù)器地址后，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊服務(wù)器右邊的“連接/端口連接” 按鈕，若連接服務(wù)器成功，服務(wù)器屬性面板的已連接狀態(tài)會(huì)顯示“True”，服務(wù)器后面的指示按鈕也會(huì)變成綠色。這里要配置兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是傳送帶“BatchReadySignal”信號(hào)將傳給PLC 的輸入，另一個(gè)是PLC 的輸出信號(hào)傳給機(jī)器人輸入口101。

配置KUKA.Sim Pro 傳給PLC 的信號(hào)，選擇“模擬至服務(wù)器”，點(diǎn)擊“添加變量”。

在創(chuàng)建變量對(duì)面板中，將“信號(hào)”框勾選上，該面板中左邊是KUKA.Sim Pro 信號(hào)，右邊是PLC 變量，左邊選中傳送帶“BatchReadySignal”信號(hào)，右邊選中PLC 變量“ConveyorSensor”，點(diǎn)擊“選中對(duì)”進(jìn)行配對(duì)，如圖6 所示。

配置PLC的輸出信號(hào)傳給機(jī)器人輸入口101，選擇“服務(wù)器至模擬”，點(diǎn)擊“添加變量”。在創(chuàng)建變量對(duì)面板中，將“信號(hào)映射”、“自由度”框勾選上，左邊選中機(jī)器人，展開(kāi)“Inputs”，左邊選中“101”信號(hào)，右邊選中PLC的輸出信號(hào)“RobotRun”，點(diǎn)擊“顯示變量”?？梢钥吹絼?chuàng)建好的變量目前的狀態(tài)值，如圖7 所示。

4 通信數(shù)據(jù)測(cè)試

數(shù)據(jù)測(cè)試需進(jìn)行仿真操作，PLC 先運(yùn)行，再運(yùn)行KUKA.Sim Pro 仿真軟件。在操作前，需保證KUKA.Sim Pro 軟件與服務(wù)器已連接，點(diǎn)擊播放，運(yùn)行機(jī)器人仿真程序，當(dāng)仿真軟件中的易拉罐移動(dòng)到傳動(dòng)帶傳感器位置時(shí)，在已連接變量面板中，可看到傳送帶“BatchReadySignal”信號(hào)變成了“TRUE”，PLC 信號(hào)“ConveyorSensor”也變成了“TRUE”，如圖8 所示。查看TIA 監(jiān)控程序可知，I0.0 觸點(diǎn)已經(jīng)接通，定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，5s 后，Q0.0 得電，如圖9 所示。1500PLC 的Q0.0 輸出信號(hào)傳給機(jī)器人101輸入，101 變?yōu)椤癟RUE”，機(jī)器人開(kāi)始搬運(yùn)易拉罐。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合KUKA.Sim Pro 仿真軟件，將KUKA.Sim Pro仿真軟件和主流PLC 通過(guò)OPC UA 開(kāi)放協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人仿真軟件、PLC 設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一操作，使得仿真軟件應(yīng)用更加靈活與多樣性，這不僅可以用于仿真，也能應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。