邢学快1，王直杰1,沈亮亮2，顾志心2，杨超3

　　（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.西门子工业软件(上海)有限公司，上海 200042；3.上海交通大学 机械学院，上海 200030）

　摘要：机电一体化概念设计(Mechatronics Concept Designer,MCD)是西门子工业软件有限公司研发的全新仿真平台，比传统WinCC仿真效果更加清晰直观、便捷。MCD尚处于研发阶段，与PLC进行通信的过程尚不能实现数据的完整交互。该文研究如何实现MCD仿真平台与PLC数据交换进而实现虚拟仿真监控，包括对MCD平台建立的运动仿真模型进行优化，通过XML变量匹配PLC输入/输出（I/O）数据，利用OPC Server作为MCD与PLC通信的桥梁，从而实现MCD与PLC的数据交换，完成虚拟仿真监控。

　关键词： MCD；虚拟仿真；PLC；监控

0引言

　　MCD是西门子开发的在下一代数字化产品开发系统(Unigraphics Next Generation,UG NX)环境下建立3D模型与实现运动仿真的虚拟平台［1］。这种全新的仿真平台从功能出发，在研发的需求阶段建立需求模型，在仿真平台上根据实际运动场景，对3D模型进行运动物体的定义以及传感器等系统定义，通过与硬件PLC进行实时通信，实现工业生产线在MCD平台上的协同监控［2］,这种设计理念比传统视窗控制仿真监控效果更加清晰直观、便捷。

　　MCD在运动仿真模型建立的过程中，考虑到以运动副作为设计对象的仿真序列不能通过STEP7编译，无法与PLC进行数据交互，从而大大增加了运动模型创建的难度，本文抛弃传统的基于时间的仿真序列而采用全新的基于事件的仿真序列，创建的仿真模型可以将每个运动属性设置成行为序列，为PLC数据匹配提供了可能［3］。在MCD仿真模型创建完成之后，需要寻找一种能够通过STEP7编译的文件，本文利用MCD仿真模型创建的特点，将仿真序列压缩成XML文件，其中的变量在模型创建的过程中，保留了事件属性以及地址变量，从而可以匹配硬件PLC输入/输出（I/O）数据变量。PLC是通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械运动,目前两者不具备直接通信的可能［4］，本文总结MCD仿真模型创建的特点以及PLC通信原理，通过运用一种利用微软的接口技术来达成自动化控制协定(OLE for Process Control,OPC) Server，协助完成数据的传输，同时利用MCD模型分配的地址数据匹配PLC输入输出数据的地址，实现MCD与PLC信息交互，从而实现MCD监控真实机械物体运动的状态［5］。

1系统构成

　　本文选择风力发电机来实现MCD与PLC之间相互通信，完成对真实风力发电机虚拟监控。在MCD平台下，通过对风力发电机3D模型的建立、物理属性的定义、运动属性的定义、运动仿真序列的创建从而实现在MCD平台中虚拟仿真运动，通过PLCOen XML在PLC端实现链接，进而在西门子开发的一款PLC编程平台S7 Graph中修改监控数据。MCD中的输出参数是PLC中的输入控制条件指令，PLC中输出指令作为控制MCD运动状态的输入数据，合理匹配两者通信地址的数据，再利用OPC Server作为MCD与PLC中间桥梁协助完成数据传递，最终完成MCD监控真实风力发电机的运动状态。本文在虚拟仿真阶段采用PLCSIM作为调试工具，模拟监控MCD风力发电机运行状态，同时在西门子工业软件有限公司自动化图1MCD与PLC通信结构图智能实验室提供硬件PLC的条件下完成了真实风力发电机模型的现场演示，证明了MCD与PLC在工业生产中可以实现虚拟仿真监控数据实时交互［6］。

2模型建立与仿真优化

　　2.1模型建立

　　整个风力发电机模型主要包括3个模块：风扇、齿轮以及轴承支架。在MCD环境中以轴承支架为基准逐一建立模型。整个建模中，进入草图环境，根据风力发电机尺寸大小、风扇角度、齿轮数量画出草图，通过运用UG NX提供的3D模型绘制平台，完成风力发电机模型的创建。MCD提供了一个可以模拟真实场景的仿真平台，能够定义刚体、碰撞体、体积、质量、摩擦因子、阻力、密度等物理属性，方便用户进行真实运动的实验，也能定义机械运动的所有运动副、传感器、平台接口以及运动序列。在整个风力发电机模型设计中，需要定义各部分何时开始执行运动，何时运动停止以及如何运动。

　2.2仿真优化

　　仿真序列是MCD中的控制元素，可以通过仿真序列控制MCD中的任何对象。在MCD定义的对象中，每个对象都有一个或多个参数，可以通过创建仿真序列修改预设值。基于时间的仿真序列是通过时间追踪风力发电机每个时刻的运动状态，这种仿真参数的设置对于机械运动有很好的跟踪效果，但是无法获得每个模块的具体地址数据。本文采用优化事件的仿真序列，比如风力发电机风扇的运动控制，物理对象选择相应的位置控制器，在参数列表中选择需要赋值的参数并设置输入值，当位置和速度被赋予预设值时，MCD仿真模型会根据其运动状态自动计算其时间，并不需要设置时间参数，同时在仿真序列中创建条件语句来确定何时触发以改变参数。这样的优化设计大大提高了MCD与PLC通信的可能。

3数据匹配与通信验证

　　3.1XML与PLC数据匹配

　　MCD运动的逻辑存储在运动序列编辑导航器中，而在STEP7中则是用S7 Graph来呈现一个设计的运动逻辑。在STEP7中支持用PLC语言编写逻辑程序。为了能够将MCD地址与STEP7地址对应匹配，本文运用MCD模型建立的特点，在仿真序列编辑器中以XML文件格式导出仿真数据，由于建立模型与运动仿真具有相似的输入输出地址，可以在PLC中分配相同的地址。在MCD平台下，风力发电机运动属性在仿真序列中呈现与硬件PLC通信数据相似的特点，本文运用这一特点进行数据匹配。以下是风力发电机MCD仿真模型导出的XML文件部分数据：

　　

　　

　　

　　

　　由于MCD中部分文件与PLC数据地址不能直接匹配，本文在总结模型建立特点与仿真运动序列逻辑变化的基础上，提出了新的修改方案：

　　（1）将风力发电机MCD模型通过仿真序列导航器导出 PLC open XML，并检查XML文件输入输出数据是否完整。建立的模型并不一定能够完整呈现所需要的数据，通过对PLC特点的分析，修改XML文件，将地址为MD20、MD40的变量与PLC输出变量进行匹配，控制风力发电机风扇的旋转与轴承支架的转动［7］。

　　（2）通过SIMATIC Manager提供的编程平台，建立工程、选择PLC型号（本文选择插入SIMATIC 300 Station），在SIMATIC中进行硬件的组态。利用SIMATIC Manager 中资源项Source导入XML文件而不是采用S7 Graph平台绘制顺序控制图。

　　（3）PLC数据的配置。在SIMATIC Manager中编译MCD_DataBlock、添加MCD_Seq、编辑Seq图、初始化变量MCD Data、添加主程序OB1、设置PG/PC Interface。DataBlock DB1是PLC数据块，将DB1.DBX0.0与DB1.DBB1作为控制风力发电机风扇旋转与轴承支架转动的硬件PLC地址数据。以下给出了本次设计部分配置地址数据：

　　

　　

　　

　　

　　3.2.OPC与PLC数据匹配

　　MCD中信号不能直接与PLC进行通信，MCD提供的外部访问接口有很多，OPC是最典型常用的，它是一种网络通信协议。将PLC地址中的信号数据与MCD仿真序列图2OPC与PLC通信匹配图中的信号数据在OPC Server 中相匹配，PLC中控制风扇旋转与轴承转动的是OPC Server的输入数据，而OPC Server输出的数据作为PLC控制触发条件，这样在外部的链接工作就完成了。

　3.3MCD与PLC通信验证

　　MCD数据与PLC数据的交互是通过信号传递来完成的。硬件PLC中自带了OPC Server,通过数据线就可以实现信号的传输。

　　本次设计中采用PLCSIM仿真。在PLC中，OPC Server中的信号是不限的，只要MCD中设置的信号在PLC中图3MCD与PLC通信监控状态图都能够被接收，通过在PLC上按启动开关按钮、位置控制按钮实现对MCD运动模型的驱动。这些运动信号通过网线传输到MCD中，MCD再将接收信号转换成具体的仿真运动，从而实现MCD与PLC的连接、虚拟调试以及自动化控制。回到MCD平台中，抑制所有的仿真序列，点击播放，MCD中的模型仍然能够按照设计仿真运动，此时MCD中运动逻辑在STEP7中通过PLCSIM仿真控制，实现了MCD模型虚拟监控真实发电机运动状态，解决了MCD开发初期不能作为PLC虚拟监控的问题。

4结论

　　本文通过对MCD平台建立的仿真模型进行优化，采用XML变量匹配PLC输入/输出（I/O）数据的新思路，利用OPC Server作为MCD与PLC的通信桥梁，最终实现了MCD风力发电机虚拟仿真监控。MCD在与PLC通信的过程中表现出了清晰直观、方便监控的优势，MCD的优势不仅仅局限于产品运动设计的过程能够调试仿真，它还支持与软件和硬件的数据交互，利用软件的虚拟调试来替代原本传统设计方案的物理调试。西门子提供一系列的硬件、软件可以与MCD进行融合，避免了多种品牌硬件、软件相互发生冲突的可能。

　　MCD在现代设计制造业领域发挥着不可替代的作用。三维设计软件的诞生更加让人们认识到利用计算机辅助平台，可以帮助设计者跨越时间、空间制造出客户所需求的产品。传统的产品设计很难实现虚拟仿真和虚拟调试，MCD概念设计是一种真正实现虚拟现实、信息交互、协同控制、虚拟调试的仿真平台，定将在“工业4.0”时代中成为佼佼者。

参考文献

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　　［2］MAYER M P,ODENTHAL B,WAGELS C,et al. Cognitive engineering of automated assembly processes［C］. Human Factors & Ergonomics in Manufacturing,2014:313321.

　　［3］HAN S H, ALHUSSEIN M,ALJIBOURI S,et al. Automated postsimulation visualization of modular building production assembly line［J］. Automation in Construction,2012(21):229236.

　　［4］ 钟伟，张建国，李金山，等. 基于PLC控制的全自动硬币包装线系统设计与实现［J］. 制造业自动化，2011,33（11）:148152.

　　［5］何强,杨朱杰,郭晨，等.基于麦克风阵列的高信噪比定向采音系统［J］.微型机与应用,2013,32(1):1416,19.

　　［6］田海，崔杜梅.基于西门子PLC的控制网络选择策略与工程实践［C］.2009年全国第十四届自动化应用学术交流会暨中国计量学会冶金分会，2009:458461.

　　［7］马峰,徐和根,赵曼，等.基于FPGA的智能卡控制器的实现［J］.微型机与应用,2013,32(1):2022.