邢學快1，王直杰1,沈亮亮2，顧志心2，楊超3

　?。?.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620；2.西門子工業軟件(上海)有限公司，上海 200042；3.上海交通大學 機械學院，上海 200030）

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

　　關鍵詞： MCD；虛擬仿真；PLC；監控

0引言

　　MCD是西門子開發的在下一代數字化產品開發系統(Unigraphics Next Generation,UG NX)環境下建立3D模型與實現運動仿真的虛擬平臺［1］。這種全新的仿真平臺從功能出發，在研發的需求階段建立需求模型，在仿真平臺上根據實際運動場景，對3D模型進行運動物體的定義以及傳感器等系統定義，通過與硬件PLC進行實時通信，實現工業生產線在MCD平臺上的協同監控［2］,這種設計理念比傳統視窗控制仿真監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計對象的仿真序列不能通過STEP7編譯，無法與PLC進行數據交互，從而大大增加了運動模型創建的難度，本文拋棄傳統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，創建的仿真模型可以將每個運動屬性設置成行為序列，為PLC數據匹配提供了可能［3］。在MCD仿真模型創建完成之后，需要尋找一種能夠通過STEP7編譯的文件，本文利用MCD仿真模型創建的特點，將仿真序列壓縮成XML文件，其中的變量在模型創建的過程中，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）數據變量。PLC是通過數字或模擬式輸入/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MCD仿真模型創建的特點以及PLC通信原理，通過運用一種利用微軟的接口技術來達成自動化控制協定(OLE for Process Control,OPC) Server，協助完成數據的傳輸，同時利用MCD模型分配的地址數據匹配PLC輸入輸出數據的地址，實現MCD與PLC信息交互，從而實現MCD監控真實機械物體運動的狀態［5］。

1系統構成

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

2模型建立與仿真優化

　　2.1模型建立

　　整個風力發電機模型主要包括3個模塊：風扇、齒輪以及軸承支架。在MCD環境中以軸承支架為基準逐一建立模型。整個建模中，進入草圖環境，根據風力發電機尺寸大小、風扇角度、齒輪數量畫出草圖，通過運用UG NX提供的3D模型繪制平臺，完成風力發電機模型的創建。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。在整個風力發電機模型設計中，需要定義各部分何時開始執行運動，何時運動停止以及如何運動。

　　2.2仿真優化

　　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，可以通過創建仿真序列修改預設值?；跁r間的仿真序列是通過時間追蹤風力發電機每個時刻的運動狀態，這種仿真參數的設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據。本文采用優化事件的仿真序列，比如風力發電機風扇的運動控制，物理對象選擇相應的位置控制器，在參數列表中選擇需要賦值的參數并設置輸入值，當位置和速度被賦予預設值時，MCD仿真模型會根據其運動狀態自動計算其時間，并不需要設置時間參數，同時在仿真序列中創建條件語句來確定何時觸發以改變參數。這樣的優化設計大大提高了MCD與PLC通信的可能。

3數據匹配與通信驗證

　　3.1XML與PLC數據匹配

　　MCD運動的邏輯存儲在運動序列編輯導航器中，而在STEP7中則是用S7 Graph來呈現一個設計的運動邏輯。在STEP7中支持用PLC語言編寫邏輯程序。為了能夠將MCD地址與STEP7地址對應匹配，本文運用MCD模型建立的特點，在仿真序列編輯器中以XML文件格式導出仿真數據，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，風力發電機運動屬性在仿真序列中呈現與硬件PLC通信數據相似的特點，本文運用這一特點進行數據匹配。以下是風力發電機MCD仿真模型導出的XML文件部分數據：

　　<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數據地址不能直接匹配，本文在總結模型建立特點與仿真運動序列邏輯變化的基礎上，提出了新的修改方案：

　?。?）將風力發電機MCD模型通過仿真序列導航器導出 PLC open XML，并檢查XML文件輸入輸出數據是否完整。建立的模型并不一定能夠完整呈現所需要的數據，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，控制風力發電機風扇的旋轉與軸承支架的轉動［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。利用SIMATIC Manager 中資源項Source導入XML文件而不是采用S7 Graph平臺繪制順序控制圖。

　?。?）PLC數據的配置。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、設置PG/PC Interface。DataBlock DB1是PLC數據塊，將DB1.DBX0.0與DB1.DBB1作為控制風力發電機風扇旋轉與軸承支架轉動的硬件PLC地址數據。以下給出了本次設計部分配置地址數據：

　　<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數據匹配

　　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，它是一種網絡通信協議。將PLC地址中的信號數據與MCD仿真序列圖2OPC與PLC通信匹配圖中的信號數據在OPC Server 中相匹配，PLC中控制風扇旋轉與軸承轉動的是OPC Server的輸入數據，而OPC Server輸出的數據作為PLC控制觸發條件，這樣在外部的鏈接工作就完成了。

　　3.3MCD與PLC通信驗證

　　MCD數據與PLC數據的交互是通過信號傳遞來完成的。硬件PLC中自帶了OPC Server,通過數據線就可以實現信號的傳輸。

　　本次設計中采用PLCSIM仿真。在PLC中，OPC Server中的信號是不限的，只要MCD中設置的信號在PLC中圖3MCD與PLC通信監控狀態圖都能夠被接收，通過在PLC上按啟動開關按鈕、位置控制按鈕實現對MCD運動模型的驅動。這些運動信號通過網線傳輸到MCD中，MCD再將接收信號轉換成具體的仿真運動，從而實現MCD與PLC的連接、虛擬調試以及自動化控制?；氐組CD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，實現了MCD模型虛擬監控真實發電機運動狀態，解決了MCD開發初期不能作為PLC虛擬監控的問題。

4結論

　　本文通過對MCD平臺建立的仿真模型進行優化，采用XML變量匹配PLC輸入/輸出（I/O）數據的新思路，利用OPC Server作為MCD與PLC的通信橋梁，最終實現了MCD風力發電機虛擬仿真監控。MCD在與PLC通信的過程中表現出了清晰直觀、方便監控的優勢，MCD的優勢不僅僅局限于產品運動設計的過程能夠調試仿真，它還支持與軟件和硬件的數據交互，利用軟件的虛擬調試來替代原本傳統設計方案的物理調試。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、軟件相互發生沖突的可能。

　　MCD在現代設計制造業領域發揮著不可替代的作用。三維設計軟件的誕生更加讓人們認識到利用計算機輔助平臺，可以幫助設計者跨越時間、空間制造出客戶所需求的產品。傳統的產品設計很難實現虛擬仿真和虛擬調試，MCD概念設計是一種真正實現虛擬現實、信息交互、協同控制、虛擬調試的仿真平臺，定將在“工業4.0”時代中成為佼佼者。

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