动力产品线PDPS虚拟调试的应用

陈 浩，张 贺，王体金，刘 毅，石 刚，2

（1. 宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2. 浙江吉利动力总成有限公司，浙江 宁波 315800）

1 引言

近年来，制造业的数字化水平快速发展，企业的自动化程度越来越高。虚拟调试技术在国外自动化领域已经普及，而目前国内汽车行业动力生产线使用该技术仍是较少。对于工艺复杂的动力生产线，为提升产品竞争力，生产线的柔性化程度也越来越高。同时企业为降本增效，自主改造的任务也越来越繁重，如果采用传统设备调试方式，不能将工艺设计和设备调试进行协同，较长的现场调试周期[1]，从而加大了企业开发新产品的周期，对于未提前发现工艺设计存在的潜在问题，也会给现场设备和企业造成巨大损失。虚拟调试技术的应用，从而解决了目前传统调试方式的技术问题[2]，运用PDPS（Process Designer & Process Simulate ）仿真软件，在虚拟环境中搭建生产工位和生产线仿真模型，通过OPC通信接口，将虚拟仿真模型和PLC、HMI进行信号交互[3]，通过虚拟仿真实现设备的自动化，提前验证PLC的控制逻辑。对于提前发现的设计问题，设计工程师进行提前规避，对于PLC控制逻辑问题，电气工程师进行重新编写和优化，最终将虚拟调试完的PLC程序下载给现场设备，从而实现工艺设计和设备调试的协同，缩短现场调试周期。

本虚拟调试对象为发动机生产线某工位，此工位包含输送辊道、电机、机器人、拧紧枪等设备。通过虚拟调试技术，用于PLC逻辑的验证，虚拟HMI能够手动和自动模式，能够控制虚拟设备的运行，实现PLC信号和PS 内创建的I/O 信号交互。虚拟调试是复杂的系统技术，需要工艺、电气、机器人和仿真等领域的技术人员相互配合[4]，其虚拟调试需求团队如图1所示。

图1 虚拟调试团队

2 虚拟环境搭建及仿真

将设备和产品模型进行轻量化处理，并按功能进行划分，导入PD的资源库和产品库中，搭建有效协同的虚拟环境，为后续虚拟调试提供调试环境。

根据工艺工程师提供的Layout布局图，将导入资源库和产品库中的模型进行布局和落位，建立仿真模拟场景，如图2所示。

图2 工位模型

将PS加载的3D模型进行设备动作的Pose编辑，对于输送辊道、机器人夹具、转台和拧紧枪等进行机构定义，对于运动的机构设定合理的范围，主要包含夹具的打开与关闭、转台旋转、举升机构的上升与下降及机器人的运行轨迹等，根据机构的具体动作定义机构姿态。

3 虚拟调试介绍

3.1 术语和定义

1）虚拟调试（Virtual Commissioning，VC）：在机器人离线编程完成的基础上，通过对工位内设备进行逻辑化处理，实现与PLC的信号交互，进行程序联调的过程。

2）逻辑块（Logic Block，LB）：在PS内创建，将自动工位内的信号进行逻辑处理，输出正确的信号点状态的模块，编辑完成后会生成新的Cojt文件至数据库。

3）智能元件（Smart Component，SC）：建立在仿真数模基础上，编辑内容保存在原数模Cojt文件内。智能元件通过制定引脚，关联正确的信号点，然后进行逻辑处理，使PS内数模能够接受PLC信号并进行相应动作和反馈。

4）物料流（Material Flow）：虚拟调试过程中，工位内产品流向通过物料流进行控制，产品的生成与最终工位出口处的处理均有物料流决定。

3.2 虚拟调试流程

虚拟调试开始于机器人离线编程结束后，在PS仿真数据内进行平台搭建，搭建完成后与PLC程序进行联调测试。在真实产线调试之前实现设备程序控制逻辑的验证和评估，虚拟调试完整流程如图3所示。

图3 虚拟调试流程

3.3 硬件需求

本项目虚拟调试没有借助虚拟机（Virtual Machine，VM），而是在两台PC端进行调试，一台为PS仿真端，另一台为PLCSIM端，硬件PLC为西门子S7-300，其软硬件需求见下表。

表 软硬件需求

3.4 建立OPC通信

Tecnomatix平台支持多种通信接口，本项目采用OPC和NetToPLCsim软件建立了PS与PLC之间的通信[5]。运用PLCSIM进行程序逻辑控制仿真，OPC及NetToPLCsim进行联合工艺仿真与程序逻辑控制方案的可行性，包含工艺方案、PLC逻辑控制和HMI程序控制等[6]，确保在现场虚拟调试之前能够验证所有的机构动作及工艺验证，综合虚拟调试状况来判断是否满足现场需求，对于虚拟调试中PLC逻辑问题点进行评估和优化，减少现场电气工程师调试工作量，其通信原理如图4所示。

图4 通信原理

本项目使用PLCSIM与HMISIM建立互联，实现互联需要建立三个连接：①PLCSIM与OPC Server 连接；②PS仿真与OPC Server连接；③HMISIM与PLCSIM连接。三个连接的简单介绍如下：

1）PLCSIM与OPC服务器连接。①当SIMATIC NET软件安装完成后，点击“Station Configurator”快捷键，选择1号插槽添加IE Genaral，选择要使用的网卡；②重复上述操作在3号插槽中添加OPC Server 配置完成；③针对所选择的有线网卡配置IP地址。

2）PLCSIM与OPC服务器连接。①在Portal V15.1版本中，创建项目并添加IE和OPC服务器，并配置其IP地址；②将完成组态的PC站，点击下载按钮，将组态下载到PC站中；③下载完成后，打开“Station Configuration Editor”窗口检查组件状态，OPC Server出现连接图标，则说明连接激活，否则进行重新配置。

3）数据通信测试。①打开PLCSIM，选择通信方式为TCP/IP；②管理员运行“NetToPLCsim”并添加IP地址，并启动连接服务；③运行OPC Scout工具，当完成PC Station组态下载后，可用此工具进行OPC Server和PLC的数据通信测试。在连接S7 connection_1下新建输入Q变量，并拖入DA View窗口，运行监视，若显示质量为“good”，则说明通信成功。至此OPC Server同PLCSIM间的通信连接建立完毕。

4）PS在线仿真与OPC Server连接。①在PS中创建新项目，在Options的PLC选项中选择External Connection添加OPC连接；②配置OPC连接，选择OPC DA Server文件下创建的Q信号通道，根据信号数据类型选择Server address或Server name，至此PS中信号变量通道设置完成。

4 虚拟调试应用

4.1 PS在线仿真与OPC Server连接

根据电气工程师编写的PLC程序梳理I/O信号，将PS中的I/O信号点和PLC对应信号进行匹配，对于机器人的信号配置，其通信信号全部创建在“Robot Signal”中，每台机器人的“Robot Signal Name”保持一致；虚拟调试过程中，机器人品牌需要调用指定的LB，机器人端信号的创建和命名需要依据不同的信号模板，设定机器人的启动信号和到达位置点等待信号等，设置完的信号如图5所示。

图5 机器人信号

1）传感器信号。传感器信号用于检测工位内产品和机构位置的准备，其检测范围常用接近传感器和长距离传感器两种；传感器需要进行定义数据类型，其创建产生的传感器Cojt文件存放于数据后台文件夹中，其创建传感器信号需要关联在逻辑块中，才能够起作用，如图6所示。

图6 传感器逻辑块

2）拧紧机构信号。本虚拟调试工位中，拧紧枪机构的控制较为复杂，涉及到拧紧枪旋转、速度及拧紧枪的位移等参数，需要创建单独逻辑块，实现PLC对于拧紧枪的逻辑控制，同时在拧紧逻辑块输出需要写控制逻辑，对于不同的机构其控制逻辑存在差异，对于机构的逻辑控制需要进行灵活运用，期间存在的逻辑问题需要进行多次尝试和修改，其拧紧枪的逻辑块如图7所示。

图7 拧紧枪逻辑块

4.2 虚拟联调及运行

本项目采用PLCSIM信号控制板和HMI进行信号的控制，同时对于PLC程序的运行进行监控，PS内强制关闭和打开信号观察地址是否正确。HMI端信号报警后，手动复位按钮，PLC能够执行复位功能。根据设备动作运行逻辑逐步验证PLC程序控制逻辑、控制信号交互、设备状运行等方面进行评估是否满足设计要求。

1）设备手动测试。PLC通过HMI或PLC程序手动控制工位各设备，观察动作是否正确，设备传感器的反馈信号是否正常。

2）设备自动测试。PLC通过HMI手动点击自动循环，完全由PLC进行控制，完成整个工位的自动生产流程，对于运行期间设备出现报警HMI能够提示，实时反馈运行状态。PLC程序监控如图8所示。

图8 PLC程序监控

5 结束语

本文系统完成了发动机某工位的虚拟调试，通过OPC DA通信接口实现了西门子PS与PLC的信号交互，在虚拟环境中搭建设备模型，能够真实反应现场设备状态。实现了工艺设计和设备调试的协同。与传统调试方式相比，能够在设备现场调试前完成电气PLC逻辑的验证，从而节省了现场调试时间，有助于缩短新设备和设备改造周期，从而提升产品竞争力。

随着智能制造的加快，虚拟调试技术已应用各行业，各领域工程师相互协作，从而实现了工艺设计与现场调试的协同，降低将设计转化为产品的风险，从而拓宽了制造行业转型的方向。