邢學(xué)快1，王直杰1,沈亮亮2，顧志心2，楊超3

　　（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.西門子工業(yè)軟件(上海)有限公司，上海 200042；3.上海交通大學(xué) 機械學(xué)院，上海 200030）

　　摘要：機電一體化概念設(shè)計(Mechatronics Concept Designer,MCD)是西門子工業(yè)軟件有限公司研發(fā)的全新仿真平臺，比傳統(tǒng)WinCC仿真效果更加清晰直觀、便捷。MCD尚處于研發(fā)階段，與PLC進行通信的過程尚不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整交互。該文研究如何實現(xiàn)MCD仿真平臺與PLC數(shù)據(jù)交換進而實現(xiàn)虛擬仿真監(jiān)控，包括對MCD平臺建立的運動仿真模型進行優(yōu)化，通過XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)，利用OPC Server作為MCD與PLC通信的橋梁，從而實現(xiàn)MCD與PLC的數(shù)據(jù)交換，完成虛擬仿真監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞： MCD；虛擬仿真；PLC；監(jiān)控

0引言

　　MCD是西門子開發(fā)的在下一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)(Unigraphics Next Generation,UG NX)環(huán)境下建立3D模型與實現(xiàn)運動仿真的虛擬平臺［1］。這種全新的仿真平臺從功能出發(fā)，在研發(fā)的需求階段建立需求模型，在仿真平臺上根據(jù)實際運動場景，對3D模型進行運動物體的定義以及傳感器等系統(tǒng)定義，通過與硬件PLC進行實時通信，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線在MCD平臺上的協(xié)同監(jiān)控［2］,這種設(shè)計理念比傳統(tǒng)視窗控制仿真監(jiān)控效果更加清晰直觀、便捷。

　　MCD在運動仿真模型建立的過程中，考慮到以運動副作為設(shè)計對象的仿真序列不能通過STEP7編譯，無法與PLC進行數(shù)據(jù)交互，從而大大增加了運動模型創(chuàng)建的難度，本文拋棄傳統(tǒng)的基于時間的仿真序列而采用全新的基于事件的仿真序列，創(chuàng)建的仿真模型可以將每個運動屬性設(shè)置成行為序列，為PLC數(shù)據(jù)匹配提供了可能［3］。在MCD仿真模型創(chuàng)建完成之后，需要尋找一種能夠通過STEP7編譯的文件，本文利用MCD仿真模型創(chuàng)建的特點，將仿真序列壓縮成XML文件，其中的變量在模型創(chuàng)建的過程中，保留了事件屬性以及地址變量，從而可以匹配硬件PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)變量。PLC是通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械運動,目前兩者不具備直接通信的可能［4］，本文總結(jié)MCD仿真模型創(chuàng)建的特點以及PLC通信原理，通過運用一種利用微軟的接口技術(shù)來達成自動化控制協(xié)定(OLE for Process Control,OPC) Server，協(xié)助完成數(shù)據(jù)的傳輸，同時利用MCD模型分配的地址數(shù)據(jù)匹配PLC輸入輸出數(shù)據(jù)的地址，實現(xiàn)MCD與PLC信息交互，從而實現(xiàn)MCD監(jiān)控真實機械物體運動的狀態(tài)［5］。

1系統(tǒng)構(gòu)成

　　本文選擇風(fēng)力發(fā)電機來實現(xiàn)MCD與PLC之間相互通信，完成對真實風(fēng)力發(fā)電機虛擬監(jiān)控。在MCD平臺下，通過對風(fēng)力發(fā)電機3D模型的建立、物理屬性的定義、運動屬性的定義、運動仿真序列的創(chuàng)建從而實現(xiàn)在MCD平臺中虛擬仿真運動，通過PLCOen XML在PLC端實現(xiàn)鏈接，進而在西門子開發(fā)的一款PLC編程平臺S7 Graph中修改監(jiān)控數(shù)據(jù)。MCD中的輸出參數(shù)是PLC中的輸入控制條件指令，PLC中輸出指令作為控制MCD運動狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)，合理匹配兩者通信地址的數(shù)據(jù)，再利用OPC Server作為MCD與PLC中間橋梁協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳遞，最終完成MCD監(jiān)控真實風(fēng)力發(fā)電機的運動狀態(tài)。本文在虛擬仿真階段采用PLCSIM作為調(diào)試工具，模擬監(jiān)控MCD風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)，同時在西門子工業(yè)軟件有限公司自動化圖1MCD與PLC通信結(jié)構(gòu)圖智能實驗室提供硬件PLC的條件下完成了真實風(fēng)力發(fā)電機模型的現(xiàn)場演示，證明了MCD與PLC在工業(yè)生產(chǎn)中可以實現(xiàn)虛擬仿真監(jiān)控數(shù)據(jù)實時交互［6］。

2模型建立與仿真優(yōu)化

　　2.1模型建立

　　整個風(fēng)力發(fā)電機模型主要包括3個模塊：風(fēng)扇、齒輪以及軸承支架。在MCD環(huán)境中以軸承支架為基準(zhǔn)逐一建立模型。整個建模中，進入草圖環(huán)境，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機尺寸大小、風(fēng)扇角度、齒輪數(shù)量畫出草圖，通過運用UG NX提供的3D模型繪制平臺，完成風(fēng)力發(fā)電機模型的創(chuàng)建。MCD提供了一個可以模擬真實場景的仿真平臺，能夠定義剛體、碰撞體、體積、質(zhì)量、摩擦因子、阻力、密度等物理屬性，方便用戶進行真實運動的實驗，也能定義機械運動的所有運動副、傳感器、平臺接口以及運動序列。在整個風(fēng)力發(fā)電機模型設(shè)計中，需要定義各部分何時開始執(zhí)行運動，何時運動停止以及如何運動。

　　2.2仿真優(yōu)化

　　仿真序列是MCD中的控制元素，可以通過仿真序列控制MCD中的任何對象。在MCD定義的對象中，每個對象都有一個或多個參數(shù)，可以通過創(chuàng)建仿真序列修改預(yù)設(shè)值。基于時間的仿真序列是通過時間追蹤風(fēng)力發(fā)電機每個時刻的運動狀態(tài)，這種仿真參數(shù)的設(shè)置對于機械運動有很好的跟蹤效果，但是無法獲得每個模塊的具體地址數(shù)據(jù)。本文采用優(yōu)化事件的仿真序列，比如風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)扇的運動控制，物理對象選擇相應(yīng)的位置控制器，在參數(shù)列表中選擇需要賦值的參數(shù)并設(shè)置輸入值，當(dāng)位置和速度被賦予預(yù)設(shè)值時，MCD仿真模型會根據(jù)其運動狀態(tài)自動計算其時間，并不需要設(shè)置時間參數(shù)，同時在仿真序列中創(chuàng)建條件語句來確定何時觸發(fā)以改變參數(shù)。這樣的優(yōu)化設(shè)計大大提高了MCD與PLC通信的可能。

3數(shù)據(jù)匹配與通信驗證

　　3.1XML與PLC數(shù)據(jù)匹配

　　MCD運動的邏輯存儲在運動序列編輯導(dǎo)航器中，而在STEP7中則是用S7 Graph來呈現(xiàn)一個設(shè)計的運動邏輯。在STEP7中支持用PLC語言編寫邏輯程序。為了能夠?qū)CD地址與STEP7地址對應(yīng)匹配，本文運用MCD模型建立的特點，在仿真序列編輯器中以XML文件格式導(dǎo)出仿真數(shù)據(jù)，由于建立模型與運動仿真具有相似的輸入輸出地址，可以在PLC中分配相同的地址。在MCD平臺下，風(fēng)力發(fā)電機運動屬性在仿真序列中呈現(xiàn)與硬件PLC通信數(shù)據(jù)相似的特點，本文運用這一特點進行數(shù)據(jù)匹配。以下是風(fēng)力發(fā)電機MCD仿真模型導(dǎo)出的XML文件部分?jǐn)?shù)據(jù)：

　　<Item name="Real MD20"type="float" PLC="1" address="MD20"/>

　　<Item name="Real MD40"type="float" PLC="1" address="MD40"/>

　　<Item name="Bool M0.0"type="bool" PLC="1" address="M0.0"/>

　　<Item name="Byte MB1"type="byte" PLC="1" address="MB1"/>

　　由于MCD中部分文件與PLC數(shù)據(jù)地址不能直接匹配，本文在總結(jié)模型建立特點與仿真運動序列邏輯變化的基礎(chǔ)上，提出了新的修改方案：

　　（1）將風(fēng)力發(fā)電機MCD模型通過仿真序列導(dǎo)航器導(dǎo)出 PLC open XML，并檢查XML文件輸入輸出數(shù)據(jù)是否完整。建立的模型并不一定能夠完整呈現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)，通過對PLC特點的分析，修改XML文件，將地址為MD20、MD40的變量與PLC輸出變量進行匹配，控制風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)與軸承支架的轉(zhuǎn)動［7］。

　　（2）通過SIMATIC Manager提供的編程平臺，建立工程、選擇PLC型號（本文選擇插入SIMATIC 300 Station），在SIMATIC中進行硬件的組態(tài)。利用SIMATIC Manager 中資源項Source導(dǎo)入XML文件而不是采用S7 Graph平臺繪制順序控制圖。

　　（3）PLC數(shù)據(jù)的配置。在SIMATIC Manager中編譯MCD_DataBlock、添加MCD_Seq、編輯Seq圖、初始化變量MCD Data、添加主程序OB1、設(shè)置PG/PC Interface。DataBlock DB1是PLC數(shù)據(jù)塊，將DB1.DBX0.0與DB1.DBB1作為控制風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)與軸承支架轉(zhuǎn)動的硬件PLC地址數(shù)據(jù)。以下給出了本次設(shè)計部分配置地址數(shù)據(jù)：

　　<Item name="Bool DB1.DBX0.0" type="bool" address="DB1.DBX0.0"/>

　　<Item name="Byte DB1.DBB1" type="byte" address="DB1.DBB1"/>

　　<Item name="Int DB1.DBW2" type="short"address="DB1.DBW2"/>

　　<Item name="Word DB1.DBW4" type="ushort" address="DB1.DBW4"/>

　　3.2.OPC與PLC數(shù)據(jù)匹配

　　MCD中信號不能直接與PLC進行通信，MCD提供的外部訪問接口有很多，OPC是最典型常用的，它是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。將PLC地址中的信號數(shù)據(jù)與MCD仿真序列圖2OPC與PLC通信匹配圖中的信號數(shù)據(jù)在OPC Server 中相匹配，PLC中控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)與軸承轉(zhuǎn)動的是OPC Server的輸入數(shù)據(jù)，而OPC Server輸出的數(shù)據(jù)作為PLC控制觸發(fā)條件，這樣在外部的鏈接工作就完成了。

　　3.3MCD與PLC通信驗證

　　MCD數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)的交互是通過信號傳遞來完成的。硬件PLC中自帶了OPC Server,通過數(shù)據(jù)線就可以實現(xiàn)信號的傳輸。

　　本次設(shè)計中采用PLCSIM仿真。在PLC中，OPC Server中的信號是不限的，只要MCD中設(shè)置的信號在PLC中圖3MCD與PLC通信監(jiān)控狀態(tài)圖都能夠被接收，通過在PLC上按啟動開關(guān)按鈕、位置控制按鈕實現(xiàn)對MCD運動模型的驅(qū)動。這些運動信號通過網(wǎng)線傳輸?shù)組CD中，MCD再將接收信號轉(zhuǎn)換成具體的仿真運動，從而實現(xiàn)MCD與PLC的連接、虛擬調(diào)試以及自動化控制。回到MCD平臺中，抑制所有的仿真序列，點擊播放，MCD中的模型仍然能夠按照設(shè)計仿真運動，此時MCD中運動邏輯在STEP7中通過PLCSIM仿真控制，實現(xiàn)了MCD模型虛擬監(jiān)控真實發(fā)電機運動狀態(tài)，解決了MCD開發(fā)初期不能作為PLC虛擬監(jiān)控的問題。

4結(jié)論

　　本文通過對MCD平臺建立的仿真模型進行優(yōu)化，采用XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數(shù)據(jù)的新思路，利用OPC Server作為MCD與PLC的通信橋梁，最終實現(xiàn)了MCD風(fēng)力發(fā)電機虛擬仿真監(jiān)控。MCD在與PLC通信的過程中表現(xiàn)出了清晰直觀、方便監(jiān)控的優(yōu)勢，MCD的優(yōu)勢不僅僅局限于產(chǎn)品運動設(shè)計的過程能夠調(diào)試仿真，它還支持與軟件和硬件的數(shù)據(jù)交互，利用軟件的虛擬調(diào)試來替代原本傳統(tǒng)設(shè)計方案的物理調(diào)試。西門子提供一系列的硬件、軟件可以與MCD進行融合，避免了多種品牌硬件、軟件相互發(fā)生沖突的可能。

　　MCD在現(xiàn)代設(shè)計制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。三維設(shè)計軟件的誕生更加讓人們認(rèn)識到利用計算機輔助平臺，可以幫助設(shè)計者跨越時間、空間制造出客戶所需求的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計很難實現(xiàn)虛擬仿真和虛擬調(diào)試，MCD概念設(shè)計是一種真正實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實、信息交互、協(xié)同控制、虛擬調(diào)試的仿真平臺，定將在“工業(yè)4.0”時代中成為佼佼者。

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