楊 濤 黃雅迪 歐彥江 楊 旭

（成都工貿(mào)職業(yè)技術學院∕成都市技師學院電氣工程學院，四川 成都 611731）

0 引言

隨著機電一體化設備自動化程度的不斷提高及控制點的不斷增加，對機電一體化概念設計開展程序指令的仿真研究，有利于減少現(xiàn)場設備調(diào)試中的不合理問題，從而使虛擬仿真調(diào)試技術在工程中得到更多應用。S7-PLCSIM Advanced 高級虛擬控制器可創(chuàng)建西門子系列S7-1500 或ET 200SP 系列虛擬CPU，用于綜合仿真研究，不需要真正的PLC也能創(chuàng)建程序，并可進行下載調(diào)試。機電一體化概念設計（Mechatronics Concept Designer，MCD）具有較高的集成性，能與S7-PLCSIM Advanced 建立通信，且能實現(xiàn)TIA、PLCSIM Advanced、MCD 之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)綜合虛擬仿真調(diào)試，在機電產(chǎn)品還沒有實際制造出來前，就已經(jīng)進行了功能和控制方面的驗證。

目前，有多位學者對MCD與TIA仿真通信進行研究。卞志海等［1］對TIA V15與PLCSIM Advancedp之間的通信進行仿真調(diào)試。蔡文站等［2］把基于OPC UA建立的MCD與TIA通信對機器人打磨進行聯(lián)合虛擬調(diào)試研究，通過對調(diào)試前后的數(shù)據(jù)進行對比分析，有效驗證和優(yōu)化了機器人打磨軌跡，同時可縮短生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)試周期，降低設計階段電氣硬件的調(diào)試風險和成本投入。本研究以某轉(zhuǎn)向臂為例，在MCD 中創(chuàng)建三維模型，并根據(jù)實際需求來設置運動對象屬性，并用S7-PLCSIM Advanced（OPC UA）來創(chuàng)建虛擬控制器，建立TIA 與MCD 的信號映射，交換數(shù)據(jù)，從而完成虛擬仿真調(diào)試。

1 TIA中PLC的組態(tài)及通信參數(shù)設置

為了與S7-PLCSIM Advanced 軟件中創(chuàng)建的虛擬CPU 建立通信，在對TIA 組態(tài)時添加西門子1500中的V2.0 固態(tài)版以上的CPU。打開TIA16.0 編程軟件，新建一個項目，添加新設備時選擇CPU1511-1PN 下訂貨號為6ES7511-1CK00-0AB0 的V2.8 版控制器。選擇項目屬性中保護選項下將塊編譯，支持仿真功能打開。同時，在PLC1（CPU1511-1PN）常規(guī)屬性中，PROFINET 接口的以太網(wǎng)選項中設置IP 地址為192.168.2.2（這里的IP 地址要與PLCSIM Advanced 中虛擬控制器CPU 的IP 地址相同），在OPC UA 服務器選項中激活OPC UA 服務器，復制服務器地址（opc.tcp：∕∕192.168.2.2：4840），啟用SIMATIC 服務器的標準接口。在運行系統(tǒng)許可證的OPC UA 選項中選用SIMATIC OPC UA S7-1500medium 許可證，在防護與安全的連接機制下勾選“允許來自遠程對象的PUT∕GET 通信訪問”。PLC組態(tài)及通信參數(shù)如圖1所示。

2 S7-PLCSIM Advanced創(chuàng)建虛擬控制器

S7-PLCSIM Advanced 軟件支持SOFTBUS 和OPC UA 方式的虛擬調(diào)試，其中，OPC UA 通信方式在MCD 平臺中能實現(xiàn)虛實聯(lián)調(diào)。博途TIA 和MCD利用S7-PLCSIM Advanced 的OPC UA 通信來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向臂的虛擬調(diào)試。首先，打開PLCSIM Advanced V3.0，在線訪問（Online Access）選擇PLCSIM Virtual Eth.Adapter。其次，在通信地址TCP∕IP communication with 中選擇Local（本地IP 地址設置為192.168.2.1）。再次，新建虛擬控制器，設置Instance name 為My_PLC3，IP address（地址）為192.168.2.2，Subnet mask（子網(wǎng)掩碼）為255.255.255.0。最后，單擊Start 按鈕啟動，激活虛擬控制器。正常啟動如圖2所示。

圖2 S7-PLCSIM Advanced創(chuàng)建虛擬控制器

3 轉(zhuǎn)向臂三維模型的運動屬性設置及信號創(chuàng)建

3.1 轉(zhuǎn)向臂三維模型的運動機電對象

轉(zhuǎn)向臂由五部分運動機構(gòu)組成，包括由交流電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的一軸基座、由氣缸驅(qū)動的線性運動二軸、由伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的三軸、由步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的四軸、由氣缸驅(qū)動的線性運動五軸氣爪（氣爪張合）。

通過對各軸的運動特性進行分析，需要在MCD 中設置轉(zhuǎn)向臂各部件的機電對象，其中，機電對象主要有剛體和碰撞體。根據(jù)案例特征，轉(zhuǎn)向臂中的運動部件都應設置為剛體，需要監(jiān)測碰撞特性的部件設置為碰撞體。碰撞體與剛體一起添加到幾何部件后才能觸發(fā)碰撞。轉(zhuǎn)向臂的一軸、三軸和四軸的運動為旋轉(zhuǎn)運動，在MCD 中將這三部分的運動設置為鉸鏈副。轉(zhuǎn)向臂的二軸和五軸運動為線性運動，在MCD 中將這兩部分設置為滑動副。其中，氣爪1 和氣爪2 在滑動副之前添加彈簧阻尼器來實現(xiàn)自動合爪。轉(zhuǎn)向臂機械機構(gòu)及各軸的機電對象設置運動副定義如圖3所示。

3.2 設計各運動副的執(zhí)行器

對各機電對象設置運動副后，只是建立運動關系，在添加相應的運動執(zhí)行器后，才能使各運動副按照控制要求運動。常用的執(zhí)行器有傳輸控制、速度控制和位置控制。轉(zhuǎn)向臂一軸和四軸添加速度控制，轉(zhuǎn)向臂二軸、三軸和五軸添加位置控制。轉(zhuǎn)向臂二軸的位置控制設置如圖4所示。

圖4 二軸位置控制設置

3.3 在MCD中創(chuàng)建信號和設計仿真序列

在MCD 中創(chuàng)建信號，通過信號來控制轉(zhuǎn)向臂五個軸的運動。對轉(zhuǎn)向臂的五個運動軸各創(chuàng)建兩個信號，均為布爾型輸入信號。

仿真序列是MCD 平臺來處理機構(gòu)運動邏輯關系的快捷方式，可將轉(zhuǎn)向臂中各個執(zhí)行器與傳感器、信號進行關聯(lián)，從而實現(xiàn)邏輯控制。在創(chuàng)建轉(zhuǎn)向臂一軸的仿真序列時，先將一軸速度控制中的速度設置為零，再通過仿真序列把一軸的正轉(zhuǎn)信號和一軸以50 mm∕s 速度進行關聯(lián)，把一軸反轉(zhuǎn)信號和一軸以-50 mm∕s 速度進行關聯(lián)。即當一軸正轉(zhuǎn)信號為TRUE 時，一軸以50 mm∕s 速度正轉(zhuǎn)；當正轉(zhuǎn)信號為FALSE 時，一軸速度為0 mm∕s，停止運轉(zhuǎn)。此外，可根據(jù)需求在仿真序列中修改速度。在對二軸位置控制創(chuàng)建仿真序列時，應先將位置控制中的目標位置和運動速度設置為零，在仿真序列中的信號與參數(shù)關聯(lián)時設置對應的目標位置和運動速度。

4 TIA 通過PLCSIM Advanced 與MCD 實現(xiàn)虛擬聯(lián)調(diào)仿真

4.1 在TIA中添加變量和設置HMI畫面

博途（TIA）軟件是業(yè)內(nèi)首個采用統(tǒng)一工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務［3］。為驗證運動控制設計的合理性，需要在TIA中創(chuàng)建控制程序和人機畫面，再與MCD建立通信。程序變量和人機畫面的創(chuàng)建步驟如下：首先，在TIA 下PLC 變量的默認變量表中添加十個控制變量，用于控制轉(zhuǎn)向臂五個軸的正、反運動，變量地址為M0.0～M1.1，變量類型均為布爾型，創(chuàng)建的PLC 變量如圖5 所示；其次，對整個控制器進行編譯，編譯完成后點擊下載圖標；最后，在下載界面中，選擇設置PG∕PC 接口的虛擬網(wǎng)卡（PLCSIM Virtual Eth.Adapter），即可將變量參數(shù)和設備組態(tài)信息下載到虛擬PLC中［4］。

圖5 創(chuàng)建PLC變量

在整個TIA 項目中添加HMI_TP700 Comfort，并在根畫面上設置十個控制轉(zhuǎn)向臂運動的按鈕，將各按鈕與PLC 布爾變量（M0.0-M1.1）建立連接，HMI按鈕設置和變量連接如圖6所示。

圖6 HMI按鈕設置和變量連接

4.2 在MCD中完成外部信號配置和信號映射

為了和外部信號建立連接，在MCD 平臺中選擇外部信號配置，選擇OPC UA后添加服務器，在添加對話框中粘貼TIA 中OPC UA 服務器地址（opc.tcp：∕∕192.168.2.2：4840），并測試連接，連接成功后點擊“確定”。在對應的PLC_33 下選擇Memory 的一軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等信號（地址為M0.0～M1.1），點擊“確定”即可。外部信號配置如圖7所示。

圖7 外部信號配置

外部信號配置好后，在MCD 平臺中選擇信號映射，該信號映射用于建立TIA 中的PLC 信號變量與MCD 中的信號連接。打開信號映射對話框后，選擇外部信號類型（OPC UA）和服務器地址（opc.tcp：∕∕192.168.2.2：4840）。若在TIA 和MCD 中創(chuàng)建信號的名字相同，就直接選擇信號自動映射，然后確定即可。信號映射對話框如圖8所示。

圖8 信號映射對話框

4.3 仿真調(diào)試

在MCD 和TIA 信號映射成功后，通過HMI 中的按鈕來控制MCD 中的轉(zhuǎn)向臂模型的運動。在MCD 中，將各信號添加到查看器中，啟動運行仿真，在TIA 中啟動HMI 仿真畫面，點擊各按鈕即可控制MCD 中轉(zhuǎn)向臂各軸的運動，同時可在MCD 的運行查看器中查看各信號狀態(tài)情況。仿真調(diào)試如圖9所示。

圖9 仿真調(diào)試

在圖9 中，按下HMI 中的一軸正轉(zhuǎn)按鈕，MCD中的一軸正轉(zhuǎn)信號為TRUE，轉(zhuǎn)向臂一軸基座正轉(zhuǎn)。松開HMI 中的一軸正轉(zhuǎn)按鈕，MCD 中的一軸正轉(zhuǎn)信號FALSE，轉(zhuǎn)向臂一軸基座停止正轉(zhuǎn)。當按下HMI中的一軸反轉(zhuǎn)按鈕，MCD中的一軸反轉(zhuǎn)信號為TRUE，轉(zhuǎn)向臂一軸基座反轉(zhuǎn)。松開HMI 中一軸反轉(zhuǎn)按鈕，MCD 中的一軸反轉(zhuǎn)信號為FALSE，轉(zhuǎn)向臂一軸基座停止反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。其他軸的虛擬調(diào)試與一軸類似。

5 結(jié)語

本研究以轉(zhuǎn)向臂為研究對象，通過PLCSIM Advanced 來建立虛擬控制器，TIA 采用OPC UA 通信方式與MCD 建立通信，驗證了MCD 在該通信方式下調(diào)試的可行性，為虛擬仿真調(diào)試的通信方式提供借鑒。