自动化系统的虚拟调试：原理、应用与实践

# 自动化系统的虚拟调试：原理、应用与实践 ## 1. 引言 在制造和加工行业，产品数字化以及所有与生产相关任务的概念已经发展了数十年。这一发展始于基于计算机的二维设计。随着信息技术的发展，产品开发过程中更复杂的任务可以进行数字化处理，这属于数字工厂的范畴。数字工厂包括产品模型的数字化以及将其集成到制造过程链中，其目的是对所有重要的工厂流程和与产品相关的资源进行集成规划、实施、控制和持续改进。 虚拟调试是数字工厂中的一个重要话题。自动化系统的调试是工程中的重要阶段，它能检验系统和组件是否按照用户要求正确规划、设计、生产和安装。然而，实际中这一阶段耗时且成本高，而虚拟调试可以改善这种情况。目前，系统组件的模拟经常被使用，但通常不集成自动化设备和组件，如可编程逻辑控制器（PLC），硬件在环（HiL）技术也仅用于单个组件，而数字工厂的概念将这两种技术结合起来。 在虚拟调试中，根据数字工厂的概念，用虚拟模型取代真实工厂。但问题是，虚拟工厂模型需要哪些数字数据，虚拟工厂如何实现和配置，以及这些过程如何集成到制造系统的工程生命周期中。接下来将详细解答这些问题。 ## 2. 虚拟调试 ### 2.1 工程过程的一般工作流程 制造工厂的工程始于构建和粗略的机械规划。在此阶段，根据产品开发的结果确定制造系统的总体结构（布局）以及机器在不同生产阶段的分配。 下一步是详细规划。进行机器人离线编程（OLP）的运动学模拟，这样就可以在没有真实机器人的情况下创建机器人程序，例如生成无碰撞轨迹。在机械详细规划阶段，创建基于CAD的详细三维单元布局（M - CAD），定义单台机器的生产工作流程，并选择和记录单元中的每个机械组件。机械详细规划的结果作为后续电气详细规划的输入，在这一步定义机器的电力供应和控制信号以及它们之间的互连，这可以称为E - CAD并记录在电路图中。详细规划的最后阶段是PLC编程。 经典工程过程的最后一步是调试，可理解为预生产阶段。在此阶段，检查功能组中每个组件的功能，然后从功能组级别到工作站级别依次进行互连检查，直到整个工厂完成，遵循自下而上的原则。调试的结果是一个可投入生产的功能工厂。 ### 2.2 当前调试中的问题 上述工程过程的方法可视为瀑布模型，该模型中的单个步骤只能依次执行，没有迭代返回上一步的步骤。因此，调试仅在调试阶段进行，存在以下两个主要问题： - **软件中的错误**：调试和PLC编程在整个项目中耗时较长，调试占项目总时长的15 - 20%，其中高达90%用于工业电气和控制系统（如PLC）的调试，而在调试中，高达70%的时间是由软件错误导致的。PLC软件的调试通常耗时且可能导致硬件损坏，由于调试通常在极端时间压力下进行，项目延迟会带来经济处罚，因此希望在早期阶段进行软件调试。 - **错误检测过晚**：许多在调试期间检测到的错误源于早期阶段。错误的晚期检测和消除成本可能非常高，例如，如果机器人在三维单元布局中放置错误，直到调试阶段才发现，消除这个错误将需要巨大的努力和额外的成本，因为与该机器人相关的所有规划数据都已被修改。 ### 2.3 技术现状 克服上述缺点的一种方法是生产线的全数字化规划和模拟。在早期规划阶段就可以定义和批准概念、具体流程序列和必要资源，这属于数字工厂的概念。 数字工厂的重点是基于现有的CAx数据，在产品生命周期管理（PLM）中实现无缝工作流程，对产品开发和生产规划进行数字化处理。使用数字模拟方法和技术来确保规划结果、优化过程并更快地响应变化，从而提高产品质量，减少规划时间和项目总时长，缩短产品上市时间，具有经济优势。 为了在实际调试之前测试PLC程序，可以应用虚拟调试。它是数字工厂和真实工厂之间的平滑过渡。在虚拟调试中，由机电组件组成的物理工厂用虚拟模型进行模拟，该模拟系统通过简单连接或真实工业通信系统连接到真实控制器（PLC），目标是使模拟系统的行为接近真实物理工厂的行为，以便将调试好的PLC连接到真实工厂时无需更改。因此，自动化系统的开发和测试可以与电气和机电开发并行进行，在实际调试时，再将连接切换到真实系统。 ### 2.4 虚拟调试的组件 虚拟工厂是一个机电工厂模型，模拟真实物理工厂的行为，它应像真实系统一样正确响应PLC控制信号，并且整个过程应可视化以便于人工观察。为了满足这些要求，机电模型应分为面向控制的行为模型和运动学三维模型。 - **行为模型**：模拟系统的非受控行为，通过逻辑和时间组件对生产资源的行为状态进行建模和计算，这些组件基于控制信号运行。在一个PLC扫描周期内，行为模型应根据工厂的物理特性对控制信号（PLC的输出信号）做出反应，并将反馈信号（PLC的输入信号）返回给PLC，就像真实系统的行为一样。 - **运动学三维模型**：可理解为几何模型，基于三维CAD模型并添加了额外信息，如应一起移动的组件分组和每个移动部件的自由度（DOF）定义。与目前的机械CAD模型不同，机电组