CN112581850A - 一种多功能生产线及设备虚拟调试*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能生产线及设备虚拟调试***，包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分中包括机架，机架的下部分前侧还设有控制柜，所述硬件部分中的控制柜包括通用部分和可更换部分，所述硬件部分设有具有VR接口，所述软件部分软件部分包括设备仿真软件、PLC及HMI仿真软件、多套数字样机模型及通信接口程序，软件部分和硬件部分中的控制器采用OPC和TCP/IP等通信协议进行数据交换。采用虚拟样机，灵活变通，减少场地占用，节约硬件投入成本；以工厂真实设备为原型，可以在仿真软件中还原真实生产场景，该***还可将多个单机设备通过网线和交换机进行物理连接；可解决单台设备或产线的实操时间不足问题。

Description

一种多功能生产线及设备虚拟调试***

技术领域

本发明涉及一种调试及维护***，具体是一种多功能生产线及设备虚拟调试***。

背景技术

目前，市面上针对教学的机电调试设备大都采用传统的PLC硬件结合机械硬件的方式，使用传统训练设备的大职专院校面临的以下问题：1.教学设备以训练为目的，过于形式化，场景脱离实际，不能回归真实生产；2.学校采购的教学产线，只能做演示，不能开展实际的教学，实际教学最终还是通过单机设备或者单个工作站完成；3.学校设备采购成本高，有场地占用及维护成本；4.真实设备存在损坏风险较大，学生往往不敢动手操作；5.收设备本身限制，难以开展多样化的故障排查训练；6.一些学校设备较为陈旧，训练内容固化，不能适应新技术教学，难以实施以培养适合制造业高层职位的人才为核心的课程计划，5.工业4.0，智能制造是当前趋势，学生必须学习相关技术才能适应外部需求，一些学校存在相关技术缺口，6.现有的***功能较为单一，无法实现复杂的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能生产线及设备虚拟调试***，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多功能生产线及设备虚拟调试***，包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分中包括机架，所述机架的下部分前侧还设有控制柜，可更换面板上嵌入安装有人机操作界面HMI；

所述硬件部分中的控制柜包括通用部分和可更换部分，所述硬件部分设有具有VR接口。

所述软件部分软件部分包括设备仿真软件、PLC及HMI仿真软件、多套数字样机模型及通信接口程序，软件部分和硬件部分中的控制器采用OPC和TCP/IP等通信协议进行数据交换，所述软件部分还包含了二次开发相关通讯接口程序。

作为本发明进一步的方案：所述机架的底部四角位置安装有可调脚垫，所述机架的左右两侧面设有侧板，机架的背部还安装有背板，所述机架的上半部分嵌入安装有显示器，机架的顶部设有三色信号灯柱，机架的内部还设有电脑主机。

作为本发明再进一步的方案：所述控制柜的底部设有滚轮，控制柜的前侧铰接安装有控制柜门。

作为本发明再进一步的方案：所述可更换面板上还设有伺服电机、步进电机、普通电机、变频调速电机、电压电流传感、温湿度传感、光电开关、接近开关、PLC及IO模块、旋钮开关、复位按钮、急停按钮、继电器和接线端子，可更换面板上的PLC、HMI、信号转换器模块和电脑主机通过交换机和网线连接。

作为本发明再进一步的方案：所述可更换面板上的PLC、HMI、信号转换器模块和电脑主机通过交换机和网线连接，三者之间的数据交互。

作为本发明再进一步的方案：所述伺服电机分为脉冲和通信两种不同控制方式，步进电机分为脉冲和模拟量两种不同控制方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该***可在PLC控制器中下载专业的故障排查程序和故障排查数字样机模型，然后开始调试数字样机模型，在传感器故障、程序参数设置错误、机械定位故障、机械干涉等故障的前提下，模型无法正常运行，通过首选定位故障，找到设备的故障点，之后修复故障点(根据手册在可更换面板做相应操作，或在程序及仿真软件里做相应设置)，最后重新调试数字样机模型，直到故障消除，采用虚拟样机，灵活变通，减少场地占用，节约硬件投入成本；以工厂真实设备为原型，可以在仿真软件中还原真实生产场景。

2.该***还可将多个单机设备通过网线和交换机进行物理连接；可解决单台设备或产线的实操时间不足问题。

3.该***不依赖机械本体，可加载和编辑多种场景模型，开展多种设备的虚拟调试，简单方便。

附图说明

图1为一种多功能生产线及设备虚拟调试***的结构示意图。

图2为一种多功能生产线及设备虚拟调试***中硬件部分的结构示意图。

图3为一种多功能生产线及设备虚拟调试***中多台设备连接的示意图。

图4一种多功能生产线及设备虚拟调试***的工作流程。

图中：1-硬件部分、2-软件部分、10-机架、11-侧板、12-显示器、13-三色信号灯柱、14-控制柜、15-滚轮、16-控制柜门、17-可更换面板、18-人机操作界面HMI、19-键盘鼠标。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-3，一种多功能生产线及设备虚拟调试***，包括硬件部分1和软件部分2，所述硬件部分1中包括机架10，所述机架10的底部四角位置安装有可调脚垫，可调脚垫可使设备整体安放时更加稳定，避免出现晃动的情况，所述机架10的左右两侧面设有侧板11，侧板11起到防护的作用，机架10的背部还安装有背板，背板同样起到防护的作用，所述机架10的上半部分嵌入安装有显示器12，显示器为全透明显示屏，有效改善视觉冲击，避免造成眼睛受伤，显示器12用于显示数字样机模型及其运行状态，机架10的顶部设有三色信号灯柱13，三色信号灯柱13用于显示数字样机运行状态，给出不同的报警提示信息，机架10的内部还设有电脑主机，电脑主机用于运行仿真软件，处理机械部分和软件部分之间的通信；

所述机架10的下部分前侧还设有控制柜14，控制柜14内部设有有空气开关、接触器、继电器、变频器、信号转换器模块、伺服驱动器、步进驱动器、交换机和接线端子，所述控制柜14的底部设有滚轮15，方便对控制柜14进行移动，控制柜14的前侧铰接安装有控制柜门16，控制柜14用于***供电，各类电机的驱动控制，其中的信号转换器模块主要用于将数字模型中的虚拟传感器信号对接到真实的PLC控制器上，同时，可以用于编程仿真电机驱动器，编码器和变频器等电气行为；

所述控制柜14的顶部设有可更换面板17，控制柜14和可更换面板17通过信号线及航插连接，以进行信号的传输，可更换面板17上嵌入安装有人机操作界面HMI18,可更换面板17上还设有伺服电机、步进电机、普通电机、变频调速电机、电压电流传感、温湿度传感、光电开关、接近开关、PLC及IO模块、旋钮开关、复位按钮、急停按钮、继电器和接线端子，可更换面板17上的PLC、HMI、信号转换器模块和电脑主机通过交换机和网线连接，三者之间的数据交互，伺服电机分为脉冲和通信两种不同控制方式，步进电机分为脉冲和模拟量两种不同控制方式，各类传感器及按钮：将信号传送到PLC控制器，用于数据采集训练，同时和数字模型中的传感器进行信号关联，以实现设备故障排查等功能。所述硬件部分1中的控制柜14包括通用部分和可更换部分，通用部分用于常规电气元件及传感器，伺服电机和PLC、HMI编程调试等普适训练，可更换部分用于针对特定数字样机的接线、程序调试及故障排查训练，所述硬件部分1设有具有VR接口，可连接可穿戴设备开展调试教学，所述硬件部分1还可以通过3D鼠标，对软件部分2里的模型进行旋转、放大、平移等操作。

所述软件部分2软件部分包括设备仿真软件、PLC及HMI仿真软件、多套数字样机模型及通信接口程序，软件部分2和硬件部分1中的控制器采用OPC和TCP/IP等通信协议进行数据交换，能够实现信号的双向传递，通过连接信号处理模块，虚拟传感器信号能够传递到真实PLC输入点，所述软件部分2还包含了二次开发相关通讯接口程序，其中的机器人模型可以直接连第三方离线编程软件做机器人的虚拟调试包含了二次开发相关通讯接口程序，也可以连接真实的机器人示教器和控制器开展虚拟调试。

请参阅图4，一种多功能生产线及设备虚拟调试***的工作流程如下：

1)电气接线；根据提供的接线原理图，完成可更换面板接线工作；

2)导入数字模型：设备上电，在单台设备的仿真软件中导入要进行编程调试的数字样机模型或者机器人模型，可以导入多个数字样机模型，模型可以通过仿真软件切换；

3)编写程序控制：在PLC和HMI编程软件里编写要控制的数字样机的控制程序和人机操作界面程序，在编程的过程中，创建程序变量(包含与数字样机的对接信号变量)；

4)通信连接配置：首先，通过网线和交换机将PLC、HMI、信号转换器模块、和电脑主机连接起来；然后，在仿真软件里将数字模型的虚拟传感器信号和执行部件的控制信号等通过OPC或者TCPIP通信协议，和PLC程序变量进行关联；最后进行通信测试，确保连接没有错误；

5)虚拟调试：首先将PLC、HMI的程序下载到相应的硬件，并将硬件处于运行状态，之后开启仿真软件，通过HMI人机交互装置调试数字样机模型，观察其运行状态。

6)模型的优化调试：根据步骤5)的结果判断是否对控制程序或者样机的数字模型进行修改，若5)运行结果没有达到预期，则重新返回步骤2)对加载修改完善后的模型，同时对3)中的程序做修改完善，然后通过4)和5)重新对模型进行调试，直到程序和数字样机模型的运行达到预期的效果，

7)设备的故障排查训练：在PLC控制器中下载专业的故障排查程序和故障排查数字样机模型，然后开始调试数字样机模型。在传感器故障、程序参数设置错误、机械定位故障、机械干涉等故障的前提下，模型无法正常运行。首选定位故障，找到设备的故障点，之后修复故障点(根据手册在可更换面板做相应操作，或在程序及仿真软件里做相应设置)，最后，重新调试数字样机模型，直到故障消除。

8)产线的虚拟调试：根据产线工位组成和布局，手工或者通过程序控制的方式给每台单机设备加载该工位对应的数字样机模型；对每台单机设备进行虚拟调试；将多个单机设备通过网线和交换机进行物理连接；产线的虚拟调试、模型的优化调试及故障排查训练过程和单机设备类似，参考单机设备的调试和故障排查工作过程。

9)产线数据采集与展示:通过Scada软件连接各个单机设备的PLC，对每台设备进行数据采集，采集的数据可以通过商用Scada组态软件或者自己使用高级语言开发的的窗口界面进行展示。也可通过物联网网关上传到云平台。

该***具有以下特点：

1.该***可将虚拟传感器信号映射到真实PLC的输入DI点，PLC的数字量输入DI，是由外部的物理传感器信号决定，传统仿真软件无法将虚拟传感器直接对应到真实PLC的输入DI。

实现方式有两种：主要区别一个采用现有的PLC硬件，另外一个采用专门开发的信号转换器模块。

A)通过增加一个PLC硬件(PLC1)来实现，首选将仿真软件的虚拟传感信号对接到PLM1的可更改数据存储区，然后将数据存储区的数据通过程序映射到PLC1的数字量输出DO点，然后将PLC1相应的DO点信号通过硬件连接方式接到接受该信号的PLC2的数字量输入DI点上，由此完成仿真软件虚拟传感信号到PLC2的输入。

B)通过增加一个信号转换器模块及通讯算法将虚拟传感器信号到真实PLC输入DI点。该转换器模块自带输入输出DI，DO模块，芯片内部带有存储器，该模块自带CPU，能运行软件算法。实现过程如下：首选将仿真软件的虚拟传感信号对接到信号转换器模块数据存储区，然后将数据存储区的数据通过程序映射到信号转换器模块的数字量输出DO点，然后将信号转换器模块相应的DO点信号通过硬件连接方式接到接受该信号的PLC的数字量输入DI点上，由此完成仿真软件虚拟传感信号到PLC的输入。

2.***具备电气行为仿真功能。传统电气设备入电机、电磁阀、编码器、变频器等设备的调试需要PLC硬件和相应的设备硬件配合完成。该***可以仿真真实电机、电磁阀、编码器、变频器的行为，使用PLC结合软件的方式完成调试过程。PLC程序的调试不再依赖机械硬件。

实现方法：通过添加PLC硬件或者信号转换器模块，通过程序模拟PLC和电机驱动器、电磁阀、编码器、变频器的通讯过程。根据通信协议将PLC输入的数据进行解码，同时将结果数据回传到PLC，这样PLC就误认为连接了真实的设备，可以继续完成调试。

3.***可以实现伺服和步进电机仿真调试，而不需要对PLC伺服或步进电机控制程序做特殊处理。由于传统仿真软件难以实现虚拟传感信号到真实PLC输出DI的传递，其无法完成伺服或步进电机的回原点过程。此外，传统的仿真软件难以实现驱动器和PLC通信原理的仿真。

实现方式：借助1和2中的技术可以实现伺服和步进电机的虚拟调试。

4.该***可以连接第三方机器人离线编程软件或示教器硬件做机器人程序的虚拟调试。

实现方式：通过相关通讯接口程序的开发(可通过OPC协议或者TCPIP或者MODBUSTCP等协议)，实现与第三方离线编程软件或示教器硬件进行连接。将仿真软件中的机器人关节数据与第三方离线编程软件或示教器中计算的机器人的关节数据进行关联。这里提到的机器人真实示教器集成了机器人的控制器，需要对其进行编程设置，以屏蔽真实编码器或传感器的信号，避免示教器因没有连接真实驱动产生报警。

5.多台单机设备之间可以通过网线连接，组成虚拟产线，完成虚拟产线的调试。

实现方式：将产线的不同工位场景模型分别下载到对应的单机设备，并按照工艺过程对设备进行排列。通过相邻设备的信号传递，实现不同设备间物料传递。物料到达前方设备指定位置后，产生一个物料到位信号，同时将该信号通过TCP IP或OPC协议传到后方设备，后方设备接到信号后向前方设备发送收到信号，通过仿真软件程序控制前方设备物料消失，同时后方设备在指定的位置产生物料，以此实现物料的传递。

6.配套模型对应的教学方案及资源不同于常规，基于虚拟调试设备故障排除教学方式，实现传统设备无法实现的功能

7.每个虚拟的机械模型都有自己的编程和模型优化方法，通过编写程序实现原有软件难以实现的功能每个虚拟机械模型的控制都有自己的plc算法程序。

8.该***可以模拟出多种型号的虚拟传感器，虚拟设备状态及运行数据通可通过采集与监控展示，

实现方式：首先，在仿真软件和信号转换器模块中设置虚拟传感器信号，对于复杂的传感器(如编码器、温度传感等)进行信号格式转换，将实际的物理信号转换为PLC控制器能接收的数据格式。通过Scada软件或者物联网网关连接虚拟调试***设备对应的PLC控制器，Scada软件或者物联网网关内部包含PLC对应的驱动，可以和PLC建立通信连接，采集虚拟传感器及其它部件的运行数据。在Scada软件可以组态画面，对采集的数据进行展示，对设备进行监控。或通过物联网网关上传到云端，在通过网络推送到手机App，对设备运行状态进行监控。

9.该***不依赖机械本体，可加载和编辑多种场景模型，开展多种设备的虚拟调试，

实现方式：可通过U盘***方式导入数字模型，也可通过文件服务器直接加载，也通过互联网从网络服务器下载到本地，然后再加载模型。在仿真软件可以编辑数字模型，也可进行数字模型的切换。针对不同的工业场景，加载不同的数字模型，在PLC下载对应的控制程序，开展多种设备的虚拟调试。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种多功能生产线及设备虚拟调试***，包括硬件部分(1)和软件部分(2)，其特征在于，所述硬件部分(1)中包括机架(10)，所述机架(10)的下部分前侧还设有控制柜(14)，可更换面板(17)上嵌入安装有人机操作界面HMI(18)；

所述硬件部分(1)中的控制柜(14)包括通用部分和可更换部分，通用部分用于常规电气元件及传感器，伺服电机和PLC、HMI编程调试等普适训练，可更换部分用于针对特定数字样机的接线、程序调试及故障排查训练，所述硬件部分(1)设有具有VR接口，可连接可穿戴设备开展调试教学，所述硬件部分(1)还可以通过3D鼠标，对软件部分(2)里的模型进行旋转、放大、平移等操作；

所述软件部分(2)软件部分包括设备仿真软件、PLC及HMI仿真软件、多套数字样机模型及通信接口程序，软件部分(2)和硬件部分(1)中的控制器采用OPC和TCP/IP等通信协议进行数据交换，能够实现信号的双向传递，通过连接信号处理模块，虚拟传感器信号能够传递到真实PLC输入点，所述软件部分(2)还包含了二次开发相关通讯接口程序，其中的机器人模型可以直接连第三方离线编程软件做机器人的虚拟调试包含了二次开发相关通讯接口程序，也可以连接真实的机器人示教器和控制器开展虚拟调试。

2.根据权利要求1所述的一种多功能生产线及设备虚拟调试***，其特征在于：所述机架(10)的底部四角位置安装有可调脚垫，可调脚垫可使设备整体安放时更加稳定，避免出现晃动的情况，所述机架(10)的左右两侧面设有侧板(11)，侧板(11)起到防护的作用，机架(10)的背部还安装有背板，背板同样起到防护的作用，所述机架(10)的上半部分嵌入安装有显示器(12)，显示器为(12)全透明显示屏，显示器(12)用于显示数字样机模型及其运行状态，机架(10)的顶部设有三色信号灯柱(13)，三色信号灯柱(13)用于显示数字样机运行状态，给出不同的报警提示信息，机架(10)的内部还设有电脑主机，电脑主机用于运行仿真软件，处理机械部分和软件部分之间的通信。

3.根据权利要求1所述的一种多功能生产线及设备虚拟调试***，其特征在于：所述控制柜(14)的底部设有滚轮(15)，方便对控制柜(14)进行移动，控制柜(14)的前侧铰接安装有控制柜门(16)，控制柜(14)用于***供电，各类电机的驱动控制，其中的信号转换器模块主要用于将数字模型中的虚拟传感器信号对接到真实的PLC控制器上，同时，可以用于编程仿真电机驱动器，编码器和变频器等电气行为。

4.根据权利要求1所述的一种多功能生产线及设备虚拟调试***，其特征在于：所述控制柜(14)内部设有有空气开关、接触器、继电器、变频器、信号转换器模块、伺服驱动器、步进驱动器、交换机和接线端子，所述控制柜(14)的顶部设有可更换面板(17)，控制柜(14)和可更换面板(17)通过信号线及航插连接，以进行信号的传输。

5.根据权利要求1所述的一种多功能生产线及设备虚拟调试***，其特征在于：所述可更换面板(17)上还设有伺服电机、步进电机、普通电机、变频调速电机、电压电流传感、温湿度传感、光电开关、接近开关、PLC及IO模块、旋钮开关、复位按钮、急停按钮、继电器和接线端子，各类传感器及按钮将信号传送到PLC控制器，用于数据采集训练，同时和数字模型中的传感器进行信号关联，以实现设备故障排查等功能。

6.根据权利要求6所述的一种多功能生产线及设备虚拟调试***，其特征在于：所述可更换面板(17)上的PLC、HMI、信号转换器模块和电脑主机通过交换机和网线连接，三者之间的数据交互。

7.根据权利要求6所述的一种多功能生产线及设备虚拟调试***，其特征在于：所述伺服电机分为脉冲和通信两种不同控制方式，步进电机分为脉冲和模拟量两种不同控制方式。

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