CN111324045B - 一种仿真及实物结合的产线模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种仿真及实物结合的产线模拟系统及方法，所述系统包括控制器、用于模拟控制器在实际产线中运行情况的仿真系统、以及用于建立控制器与仿真系统之间的逻辑、数据交互的通信系统，所述方法包括虚拟产线的建模与接口封装；通信框架构建；对控制程序进行仿真验证；完成控制程序向实际产线的嵌入。本发明的有益效果：精简了产线开发的步骤，缩短了研发周期，可以以更低的时间、经济、人力成本搭建出复杂化、多样化的被控系对象统以及交互仿真系统，在更严峻的测试条件下对控制器及控制程序进行测试，更加保证了控制器及控制程序的可靠性与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及一种仿真及实物结合的产线模拟系统及方法。
背景技术
FlexSim是美国FlexSim公司开发的三维物流仿真软件，能应用于系统建模、仿真以及实现业务流程可视化，FlexSim中的对象参数基本可以表示所有存在的实物对象，如机器装备、操作人员、传送带、叉车、仓库、集装箱等，数据信息也可以用FlexSim中丰富的模型库表示出来。
采用FlexSim全仿真进行产线模拟的优势在于，可以基于现有组件快速搭建起与现实对应的产线，无需购买实物设备进行实验，大大降低了设备采购成本，且灵活度高、自由度大，可以构建出具有复杂逻辑的控制系统，验证控制策略及方案的正确性与合理性。然而，在仿真平台中构建的逻辑体系，往往与实际控制系统的逻辑框架有所出入，因此在编写实际控制程序时，仍然需要依照规则移植逻辑，而移植过程的准确性，将会影响最终实际控制系统的逻辑与经仿真平台验证的逻辑的一致性。因此，为了保证实际控制程序的正确性，往往还需要进行实物仿真，仍然会增加时间、人力成本。
发明内容
针对全仿真系统仍需要进行逻辑移植以及全实物验证，造成系统成本高且灵活性较差的问题，本发明提供了一种结合虚拟仿真技术以及实际控制器的半实物联合仿真系统及方法。
本发明提供一种仿真及实物结合的产线模拟系统，包括控制器、用于模拟控制器在实际产线中运行情况的仿真系统、以及用于建立控制器与仿真系统之间的逻辑、数据交互的通信系统，其中：
所述控制器对实际产线进行直接控制，所述控制器与实际产线中的设备为所述仿真系统进行仿真的主体对象；所述仿真系统提供实际产线中的常用设备的建模方式，所述仿真系统还提供所述控制器中运行的控制程序的接口；所述控制器将控制程序的运行过程数据通过所述通信系统传入仿真系统中，同时所述仿真系统中获得的反馈信号通过所述通信系统传入控制器中。
进一步地，所述仿真系统提供实际产线中常用设备的建模方式，包括物流设备、智能制造设备、传感器设备的建模方式。
进一步地，所述仿真系统包括虚拟设备单元，所述虚拟设备单元提供三维模型的渲染功能，集成动力学计算组件；所述仿真系统还提供底层通信接口，所述底层通信接口用于连接所述通信系统。
进一步地，所述通信系统包括底层通信服务端以及底层通信客户端，所述底层通信服务端连接所述控制器，所述底层通信客户端连接所述仿真系统；所述底层通信服务端与所述底层通信客户端之间进行TCP/IP通信。
本发明还提供一种仿真及实物结合的产线模拟方法，采用上述系统，包括以下步骤：
101、虚拟产线的建模与接口封装：根据实际产线，基于仿真系统提供的虚拟设备单元搭建出与实际产线的关键部件一致的虚拟场景，并将实际产线的现场设备中的伺服设备及IO设备进行接口抽象；
102、通信框架构建：构建控制器与所述虚拟产线之间的通信框架，定义控制器中各应用层之间的数据协议；
103、对控制程序进行仿真验证：利用步骤102中构建的通信框架获取工业现场传来的数据，进一步得到控制器与虚拟产线需要进行交互的逻辑数据，基于所述逻辑数据，在步骤101构建的虚拟产线仿真系统下，对实际的控制程序进行逻辑验证；
104、完成控制程序向实际产线的嵌入：更改控制器中的主程序中相应的控制接口，将所述步骤103中经仿真系统验证后的控制程序与实际产线中设备的控制接口对应，直接与所述实际产线中的执行机构建立连接。
进一步地，所述步骤102中构建的通信框架基于TCP/IP协议。
进一步地，所述步骤103中所述逻辑验证包括：以控制器为测试对象，利用步骤101中搭建的虚拟产线，利用仿真系统提供的可视化背景进行IO操作测试，验证控制器、控制程序的功能完整性、正确性。
进一步地，所述仿真及实物结合的产线模拟方法，还包括以下步骤：
201、虚拟产线的建模与接口封装：根据实际产线，基于仿真系统提供的虚拟设备单元搭建出与实际产线的关键部件一致的虚拟场景，将实际产线的现场设备中的伺服设备及IO设备进行接口抽象；
202、通信框架构建：构建所述控制器与所述虚拟产线之间的通信框架，并定义控制器中各应用层之间的数据协议；
203、完成对实际产线的远程监控：在产线运行过程中，根据步骤202构建的通信框架获取工业现场传来的数据，对步骤201中搭建的虚拟产线仿真系统进行驱动，远程监控实际产线。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)采用TCP/IP协议构建通信框架，布局灵活，可将仿真系统的客户端部署在不同系统平台中，满足本地或者远程仿真的需求；
(2)控制程序本身基于实际控制器进行开发、验证，无需经过额外的逻辑移植步骤，便可直接用于实际产线中，极大精简了产线开发的步骤，缩短了研发周期，节省了成本；
(3)基于仿真系统搭建被控对象系统，开发时间短、易于调试，同时可以以更低的时间、经济、人力成本搭建出复杂化、多样化的被控系对象统以及交互仿真系统，在更严峻的测试条件下对控制器及控制程序进行测试，更加保证了控制器及控制程序的可靠性与稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的仿真及实物结合的产线模拟系统的结构图；
图2是本发明实施例一提供的仿真及实物结合的产线模拟系统的设备示意图；
图3是本发明实施例一提供的控制程序编写系统以及虚拟仿真环境Vrep的结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的仿真及实物结合的产线模拟系统的设备通信框架图；
图5是本发明实施例一提供的仿真及实物结合的产线模拟方法的流程图；
图6是本发明实施例二提供的产线远程监控方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例一提供一种仿真及实物结合的产线模拟系统，包括控制器1、用于模拟控制器1在实际产线中运行情况的仿真系统2、以及用于建立控制器1与仿真系统2之间的逻辑、数据交互的通信系统3，其中：
控制器1对实际产线进行直接控制，所述控制器1与实际产线中的设备为仿真系统2进行仿真的主体对象；仿真系统2提供实际产线中的常用设备，比如物流设备、智能制造设备、传感器设备等的建模方式，所述仿真系统2还提供控制器1中运行的控制程序的接口；所述控制器1将控制程序的运行过程数据通过通信系统3传入仿真系统2中，同时所述仿真系统2中获得的反馈信号通过通信系统3传入到控制器1中，所述通信系统3基于TCP/IP协议进行搭建。
具体地，请参考图2，本实施例中控制器1采用华中数控IPC200工控机，搭载内核版本3的Linux系统，为保证运行编程平台HZACP编写的可编程自动化控制器(PAC)程序，所述Linux系统上还搭载了IEC(IEC61131-3语言)运行环境、Xenomai实时补丁、igh EtherCAT(以太网自动化技术)主站协议、python环境，所述PAC控制程序采用控制程序编写系统进行编写，所述控制程序编写系统上运行华中自动化控制器(HZACP)编程软件，所述HZACP编程软件提供IEC61131-3编程语言的编辑、编译工具，以及EtherCAT总线设备配置工具，基于所述HZACP编程软件，配合控制器1中搭载的PAC运行系统，可以编写、运行并调试基于EtherCAT总线的控制程序，完成对IO、伺服设备的控制任务；
请参考图3，所述HZACP编程软件基于IEC61131-3标准，可以使用功能块图、梯形图、指令表、结构化文本、以及顺序功能图(SFC)多种语言，构建基本函数功能块、轴运动控制功能块、安全功能块、用户自定义功能块、C代码插件、以及易装包，其中所述轴运动控制功能块用于PAC程序控制，最后利用工控软件MatPLC Compiler转换成ANSIC代码，采用C编译器进行调试运行，完成对控制程序的编写。所述控制程序编写完成后利用工业集线器(HUB)部署到控制器1中，所述控制器1通过控制程序对实际产线进行控制。所述控制器1还通过EtherCAT总线连接HIO1800、HSV-160E、HSV-130E、HSV-150E等IO设备以及多种传感器构成的伺服设备，形成现场总线系统，进一步实现对实际产线的控制。
仿真系统2采用虚拟仿真环境Vrep构建数据可视化系统，所述Vrep仿真环境提供了三维模型的渲染功能，并集成了动力学计算组件，可用于计算物体之间的碰撞，同时还提供底层通信接口，可以利用数据驱动环境中的模型进行仿真。请参考图3，所述仿真系统2通过底层Socket通信客户端与控制器1进行通信，获取控制器1中控制程序的运行过程数据，进一步构建虚拟设备单元；所述运行过程数据经过应用数据解析器解析后，进行动力学计算以及图形渲染，最终生成可视化的虚拟产线，包括机器人、立体仓库、物流线、制造单元等。
请参考图4，所述控制器1的PAC控制程序将实时控制数据下发给EtherCAT总线通信主站以及底层Socket通信服务端，所述EtherCAT总线通信主站用于控制器1与现场IO、伺服设备以及实际产线中的设备进行连接；所述底层Socket通信服务端与虚拟仿真环境Vrep连接的底层Socket通信客户端构成通信系统3，所述控制器1通过TCP/IP通信与仿真系统2中的虚拟产线进行通信，由于本实施例的仿真对象为控制程序，对通信不需要严格的实时性要求，因此采用TCP/IP协议，优势在于布局灵活，可将连接仿真系统2的底层Socket通信客户端部署在不同系统平台中，满足本地或者远程仿真的需求。
请参考图5，本发明实施例一还提供一种仿真及实物结合的产线模拟方法，利用上述系统，对PAC控制程序进行仿真验证，具体包括以下步骤：
101、虚拟产线的建模与接口封装：根据实际产线，基于仿真系统2提供的虚拟设备单元搭建出与实际产线的关键部件一致的虚拟场景，并将实际产线的现场设备中的伺服设备及IO设备进行接口抽象，例如实际产线为控制机器人及物流产线，则所述伺服设备对应机器人的轴关节控制，在所述虚拟仿真环境Vrep中搭建机器人的三维模型，并提供轴关节控制接口；
102、通信框架构建：构建控制器1与所述虚拟产线之间的通信框架，并定义控制器1中各应用层之间的数据协议；所述通信框架基于TCP/IP协议进行构建，控制器1通过TCP/IP通信与仿真系统2中的虚拟产线进行通信。
103、对控制程序进行仿真验证：利用步骤102中构建的通信框架获取工业现场传来的数据，进一步得到控制器与虚拟产线需要进行交互的逻辑数据，基于所述逻辑数据，在步骤101构建的虚拟产线仿真系统下，对实际的控制程序进行逻辑验证。以控制器1为测试对象，利用步骤101中搭建的虚拟产线，利用仿真系统提供的可视化背景进行IO操作测试，以达到验证控制器、控制程序的功能完整性、正确性的目的。
具体地，控制器1中的PAC控制程序将轴运动数据以及IO数据下发到所述底层Socket通信服务端，与虚拟仿真环境Vrep连接的底层Socket通信客户端通过TCP/IP通信接收所述轴运动数据以及IP数据；所述虚拟仿真环境Vrep获取到底层Socket通信客户端接收的逻辑数据后，通过事先定义的数据映射关系，将所述逻辑数据解析为轴关节控制的控制数据以及IO数据，在虚拟仿真环境Vrep中验证轴关节的运动情况并检测控制程序的逻辑是否符合预期。
104、完成控制程序向实际产线的嵌入：更改控制器1中的主程序中相应的控制接口，将所述步骤103中经仿真系统验证后的控制程序与实际产线中设备的控制接口对应，即将控制器1接入EtherCAT总线网络中，实现直接与实际产线中的执行机构建立连接，用于控制实际产线。
需要说明的是，PAC控制程序本身基于实际控制器1进行开发、验证，无需经过额外的逻辑移植步骤，便可直接用于实际产线中，极大精简了产线开发的步骤，缩短了研发周期，节省了成本。
请参考图6，本发明的实施例二提供了一种产线远程监控方法，包括：
201、虚拟产线的建模与接口封装：根据实际产线，基于仿真系统2提供的虚拟设备单元搭建出与实际产线的关键部件一致的虚拟场景，并将实际产线的现场设备中的伺服设备及IO设备进行接口抽象；
202、通信框架构建：构建控制器1与所述虚拟产线之间的通信框架，并定义控制器1中各应用层之间的数据协议；
203、完成对实际产线的远程监控：在产线运行过程中，根据步骤202构建的通信框架获取工业现场传来的数据，对步骤201中搭建的虚拟产线仿真系统进行驱动，远程监控实际产线。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种仿真及实物结合的产线模拟方法，采用一种仿真及实物结合的产线模拟系统，其特征在于，
该系统包括控制器、用于模拟控制器在实际产线中运行情况的仿真系统、以及用于建立控制器与仿真系统之间的逻辑、数据交互的通信系统，其中：
所述仿真系统提供实际产线中常用设备的建模方式，包括物流设备、智能制造设备、传感器设备的建模方式；
所述仿真系统包括虚拟设备单元，所述虚拟设备单元提供三维模型的渲染功能，集成动力学计算组件；所述仿真系统还提供底层通信接口，所述底层通信接口用于连接所述通信系统；
所述通信系统包括底层通信服务端以及底层通信客户端，所述底层通信服务端连接所述控制器，所述底层通信客户端连接所述仿真系统；所述底层通信服务端与所述底层通信客户端之间进行TCP/IP通信；
所述控制器对实际产线进行直接控制，所述控制器与实际产线中的设备为所述仿真系统进行仿真的主体对象；所述仿真系统提供实际产线中的常用设备的建模方式，所述仿真系统还提供所述控制器中运行的控制程序的接口；所述控制器将控制程序的运行过程数据通过所述通信系统传入仿真系统中，同时所述仿真系统中获得的反馈信号通过所述通信系统传入控制器中；
该方法包括以下步骤：
101、虚拟产线的建模与接口封装：根据实际产线，基于仿真系统提供的虚拟设备单元搭建出与实际产线的关键部件一致的虚拟场景，并将实际产线的现场设备中的伺服设备及IO设备进行接口抽象；
102、通信框架构建：构建控制器与所述虚拟产线之间的通信框架，定义控制器中各应用层之间的数据协议；构建的通信框架基于TCP/IP协议；
103、对控制程序进行仿真验证：利用步骤102中构建的通信框架获取工业现场传来的数据，进一步得到控制器与虚拟产线需要进行交互的逻辑数据，基于所述逻辑数据，在步骤101构建的虚拟产线仿真系统下，对实际的控制程序进行逻辑验证；
所述逻辑验证包括：以控制器为测试对象，利用步骤101中搭建的虚拟产线，利用仿真系统提供的可视化背景进行IO操作测试，验证控制器、控制程序的功能完整性、正确性；
104、完成控制程序向实际产线的嵌入：更改控制器中的主程序中相应的控制接口，将所述步骤103中经仿真系统验证后的控制程序与实际产线中设备的控制接口对应，直接与所述实际产线中的执行机构建立连接；
该方法还包括以下步骤：
201、虚拟产线的建模与接口封装：根据实际产线，基于仿真系统提供的虚拟设备单元搭建出与实际产线的关键部件一致的虚拟场景，将实际产线的现场设备中的伺服设备及IO设备进行接口抽象；
202、通信框架构建：构建所述控制器与所述虚拟产线之间的通信框架，并定义控制器中各应用层之间的数据协议；
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