基于Visual Components的智能制造产线虚实结合调试平台的开发

朱红娟,朱承平

(南京机电职业技术学院,江苏 南京 210046)

0 引言

随着《中国制造2025》文件正式发布,高新科技行业急需高层次技术研发、管理、操作、维修等各类产业人才,因此各高校加强智能制造相关学科专业建设。目前,智能制造传统实训存在以下问题:(1)成本高。根据高校现有的实训条件,很多智能制造相关实训任务无法完成。(2)实训效果不理想。实训设备更新缓慢,无法满足产业转型升级的需要,同时实训设备不足,实训资源差。(3)专业教师严重缺乏。实训教学需要一批专业素质高、实训指导经验丰富的双师型教师,而目前部分学校双师型教师少,实训效果不理想。

数字孪生技术可以将实训室已有的设备本体虚拟到仿真软件中,保留其原有的控制系统以及机电系统,在仿真软件中对智能制造产线进行调试优化,再在真实的智能制造产线上验证,既能减少现场调试带来的风险,又解决了传统实训设备“不足”“不直观”“成本高”等难题。

1 虚实结合调试平台架构

Visual Components软件简称 VC,是一款智能制造3D数字化工厂仿真软件,由芬兰的一家的3D制造仿真和可视化软件开发公司于2017 年首次推出。VC平台能够提供一系列工业机器人模型和组件库,让用户能够快速高效组合出任意复杂度的工业生产3D模型场景,构建工厂内部的整体可视化方案。VC 软件所搭建的智能制造产线场景中3D模型自然逼真,能够与真实产线中的设备结合,从而利用模拟场景来实现真实产线的生产状况[1]。

虚实结合调试平台是对虚拟调试技术的扩展,将虚拟调试中的虚拟控制器替换成真实的控制设备,使用真实控制设备中的数据来驱动虚拟模型。在PC机中通过VC软件中加载的组件库以及其他三维设计软件中绘制的3D模型来搭建智能制造产线,按照真实产线控制要求在虚拟场景中设置相对应的传感器和执行器。通信模块实现真实的PLC与虚拟场景之间的通信,为虚拟场景与PLC提供数据接口。VC软件中采用OPC UA协议的软件服务器完成PLC与计算机之间数据的转换与传输[2],如图1所示。

图1 虚实调试框架

2 虚拟环境的搭建

2.1 虚拟场景的设计

分析智能制造产线的工艺过程和加工流程,在Visual Components软件中完成产线各个工作站(人工上料、机器人焊接、传动带输送、机器人搬运、视觉检测、AGV小车运输)的搭建,如图2所示。

图2 产线各个工作站

2.2 流程创建

建立工业机器人、工作站之间的逻辑连接、参数设置和流程。各工作站之间的流程如图3所示。

图3 各工作站之间的流程

2.3 仿真运行

点击“开始仿真”按钮,观察整条生产线的流程与节拍,如有不当之处,可修改参数进行调整,对智能制造产线进行优化,直至可正常模拟整个生产过程[3]。

在VC上虚拟仿真成功后,与真实智能制造产线通信,通过操作虚拟调试系统的人机交互模块控制智能制造产线中智能设备的信号实现对智能生产线的控制,首次上电运行即可正常执行智能制造产线的所有逻辑动作和工艺流程[4],同时通过观察模型的反馈信号可以及时发现产线的故障,从而有效防止生产事故发生。

3 虚实调试

将PLC、机器人和PC通过以太网连接,建立虚拟仿真系统与实际产线之间的映射,让两个系统之间的运行状态和数据信息进行实时交互,启动虚实联调系统,从而实现“以实控虚,以虚控实”的效果,从而对生产现场进行监控和故障诊断。

3.1 PLC与仿真系统连接

启动 PLC 并处于 STOP 模式。通过显示屏设置 CPU 的 IP 地址和子网掩码。点击“设置”>> “地址”>>接口“X1 (IE/PN)” >>“IP 地址”设置 IP 地址 192.168.0.10。

打开Visual Components仿真软件,点击连通性菜单,在工具栏点击“添加服务器”,然后在地址栏输入机器人控制器地址“192.168.0.10”,点击“测试连接”,弹出“连接成功”对话框,点击“确定”关闭对话框,如图4所示。

3.2 机器人与仿真系统连接

用一根网线连接Visual Components仿真软件所在电脑与ABB机器人控制器。打开机器人示教器,依次点击控制面板>>配置>>IP Setting下配置ABB机器人总线通信IP地址,如图5所示机器人IP地址为“192.168.0.5”。

打开Visual Components仿真软件,点击连通性菜单,在工具栏点击“添加服务器”,然后在地址栏输入机器人控制器地址“192.168.0.5”,点击“测试连接”,弹出“连接成功”对话框,点击“确定”关闭对话框,如图6所示。

图6 “连接成功”对话框

根据工艺流程,通过西门子Protal软件编制PLC程序,将程序下载到PLC控制设备中,本实施例中PLC为西门子S7-1500。打开子Protal编程软件,设置属性>>以太网地址,设置设备IP地址。

3.3 虚实调试

在Visual Components仿真软件配置连接插件,选择所需插件,点击添加服务器,创建控制虚拟模型自动运行所需的输入输出变量。本例中传感器用作输入,因此传感器将数据从模拟发送到服务器(PLC),而电机信号是输出,因此电机控制信号从服务器发送到模拟。

首先在左侧“模拟至服务器”方向上展开传感器,然后选择“SensorBooleanSignal”。选择信号后,用户可以从右侧选择相应的PLC变量“conveyor sensor”。按“选中对”按钮将变量配对在一起。模拟变量左侧的链接图标表示配对成功。

这样将虚拟模型变量与虚实融合调试系统中创建的变量一一映射起来,启动仿真,即可实现虚实结合调试[5-6]。

4 结语

本文提出了一种面向数字孪生的智能制造产线虚实结合调试平台,基于Solidworks三维设计软件和VC平台搭建智能制造产线虚拟仿真系统,利用PLC编程软件进行程序设计和触摸屏界面设计,通过PROFINET总线对工业机器人、触摸屏进行网络集成控制,利用OPC UA通信接口,建立虚拟产线与真实产线之间的数据交互,实现用采集到的实际运行数据驱动数字虚拟模型,以数字虚拟模型控制实体样机的运行状态的控制方法。