CN112114529A - 一种面向五金行业的仿真调试系统 - Google Patents
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Abstract
一种面向五金行业的仿真调试系统，包括模型仿真模块、模型数据库模块、数据采集模块、数据存储模块、PLC模块。建立五金行业生产线三维模型，实现生产线模型的动态仿真，构建模型仿真模块；建立五金智能生产线模型库，构建模型数据库模块，实现物流仿真系统和制造加工工艺系统的仿真和可视化；数据采集系统通过数据采集模块采集生产线上机器人控制器的数据并上传到Redis数据存储模块中，在Demo3D上编写C#脚本程序读取Redis数据库中的数据，实现机器人控制器与Demo3D软件的数据交互；配置Server属性并将PLC的IO端口映射至Demo3D软件的控制标签窗口上，实现PLC与Demo3D软件的数据交互；通过机器人控制器和PLC与仿真软件的数据交互功能实现调试虚拟环境中五金生产线模型的目的。
Description
技术领域
本发明设计一种面向五金行业的仿真调试系统。
背景技术
五金制品广泛应用于工业、农业和人们生活的各个领域，当前五金行业市场需求变化迅速，传统生产模式自动化水平低，难以应对小批量、多批次的快速产线切换需求，亟需提升智能化水平。
实现传统生产模式转型其核心是促进新一代信息技术和制造业深度融合，推动传统制造业向智能制造发展，实现互联网、大数据、人工智能与实体经济相结合的战略目标，大力发展智能制造。当前国内外实践智能制造理念和目标所面临的共同问题是如何实现制造业物理世界与信息世界的交互与融合。现如今“数字孪生”作为解决物理世界与信息世界交互融合的重要技术，正成为智能制造发展新趋势。其通过数字技术复制物理对象，使用计算机模拟现实环境中对象的特征与行为，在虚拟环境中仿真工业生产线的运行模式，大幅度提高企业研发与生产效率，也提升了我国五金生产行业智能化水平。
“虚拟调试”是数字孪生的应用，为了迎合我国对智能生产线的极大需求，急需开发一种面向五金行业的虚拟调试系统。研究面向五金行业的机器人生产线数字化建模和可视化技术，构建不同层次及属性的三维数字化模型库，提高系统的可视化能力；利用仿真优化与机器人技术，在虚拟环境中实现对整个生产线的仿真和优化；针对多机器人协作的复杂加工过程，结合机器人路径规划与加工工艺协同优化关键技术，研发多工艺多机器人加工仿真系统；研究人机工程仿真技术，以输出满足人体工程评估标准的作业指导；研究智能生产线的物流和场地仿真优化，确定产线布局和物流优化方案，进行场地布局的仿真和优化；建立数字孪生模型，实现机器人生产线的虚拟调试和仿真。
国外的虚拟调试技术比较成熟，已经研发了很多性能良好的虚拟调试软件。与国外相比，目前中国相关虚拟调试技术研究起步较晚，缺乏成熟的调试软件和经验丰富的相关工程师，已投入生产的大部分生产线仅针对单一生产目标的局部过程，模型单一且可视化程度不高，生产效率低下，效果并不理想，但国内也有许多学者对虚拟调试技术有了自己的研究和探索。田飞娟提出了基于Soildworks的虚拟装配工艺的研究，介绍了虚拟装配工艺的研究现状和应用背景，阐述虚拟装配的工作流程，总结了了虚拟装配的工作内容(田飞娟.基于SoildWorks的虚拟装配工艺研究[J].现代制造技术与装备,2017,(1):43-44.DOI:10.3969/j.issn.1673-5587.2017.01.024.)，但并未设计出真实的工业虚拟调试系统；王刚、郭艳丽提出建立完全虚拟化的仿真平台，用虚拟模型和虚拟电气控制来代替生产线实体机械设备和电气设备来模拟现场生产状态，缩短生产周期、节约生产成本(王刚,郭艳丽.虚拟调试技术在白车身生产线中的应用[J].湖北汽车工业学院学报,2019,33(4):38-41.DOI:10.3969/j.issn.1008-5483.2019.04.009.)，但主要讲述了PLC设备的数据交互，对于五金领域非PLC工业设备的虚拟调试并未详细介绍。而本系统通过C#脚本和Redis数据库可以实现与任意工业设备的数据通信并达到虚拟调试的目的。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种面向五金行业的仿真调试系统。
本发明主通过客户端采集KeBa机器人控制器的数据并上传至Redis数据库；在仿真软件中建立与实际生产线同比例的仿真模型；并通过C#脚本读取Redis数据库中控制器的数据，将数据导入到虚拟仿真模型中，控制仿真机器人模型按照实际控制器中的数据运动；通过Server的配置，连接PLC与仿真软件，映射PLC端口，通过仿真模型验证PLC的控制逻辑，最终实现对五金生产线的虚拟调试功能。
本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：
通过SolidWorks软件建立五金行业生产线三维模型，导入Demo3D软件实现生产线模型的动态仿真；建立五金智能生产线模型库，实现物流仿真系统和制造加工工艺系统的仿真和可视化；数据采集系统安装在PC客户端Window系统下，通过数据采集系统采集生产线上机器人控制器的数据并上传到Redis数据库中，在Demo3D上编写C#脚本程序读取Redis数据库中的数据，实现机器人控制器与Demo3D软件的数据交互；配置Server属性并将PLC的IO端口映射至Demo3D软件的控制标签窗口上，实现PLC与Demo3D软件的数据交互；通过机器人控制器和PLC与软件的数据交互功能实现调试虚拟环境中五金生产线模型的目的。
模型仿真模块，用于构建等尺寸的五金行业设备模型，构建完毕的模型用于搭建生产线模型。五金行业设备等尺寸三维模型通过SolidWorks软件建立，在SolidWorks中根据五金生产线图纸在进行全尺寸的模块化建模，完成基于特征的CAD模型，对建好的CAD模型进行装配序列、装配约束关系、装配干涉检查，建成可导入Demo3D的三维模型，完成对五金行业智能产线中的制造加工单元、转运单元以及物料等对象的全尺寸模块化建模。将SolidWorks中建好的模型另存为.raw3d格式文件，并在Demo3d中用导入的方式打开这个文件，将物理设备的各种属性映射到Demo3D虚拟空间中，形成可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，实现模型的动态仿真。
三维模型库模块，用于构建五金行业智能生产线产品生产所需的基本零部件模型、机器人制造加工单元模型、产品模型以及物流单元模型等模型库。根据模型的实现功能，将功能种类相同的模型单元添加到同一组件库中，按照功能、作用给对组件库进行命名，建立五金行业智能生产线产品生产所需的基本零部件模型、机器人模型、加工单元模型、产品模型以及物流单元模型等模型数据库。通过对Demo3D软件中对象属性的设置和方法调用，构建物流仿真系统和制造加工工艺系统的数字仿真模型。
数据采集模块，用于对整个系统进行数据采集；其输入为机器人控制器和工业设备的控制信号、PC端交互界面信号以及Redis数据库信号值，其输出为Redis数据库的键值对信息、交互界面日志信息。数据采集系统与KeBa机器人控制器、工业设备、Redis数据库模块、交互界面模块相连接；数据采集结果显示在交互界面模块上，数据采集模块与交互界面模块用C#语言进行编写；数据采集模块采集KeBa机器人控制器和工业设备的数据信号，将其解读后上传至Redis数据库中；KeBa机器人控制器通过Modbus TCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块对关节数据进行解析，解析后的数据上传到Redis数据库中并同步显示在交互界面模块上；交互界面模块其输入为数据采集模块从Redis数据库实时读取的关节数据及I/O变量数据，接收数据后同步显示到交互界面上，交互界面模块上创建和修改的IP地址、虚拟键名、I/O地址和信号名并写入配置文件，数据采集模块启动后会读取配置文件，然后更新信号列表进行数据采集。
数据存储模块，采用Redis数据库对数据进行存储，用于对物理设备和虚拟模型的数据存储以及实现虚实环境的数据交互功能；其输入为数据采集模块采集的物理设备控制信号和虚拟模型信号，其输出设备IO信号值。Redis数据库模块与数据采集模块和Demo3D仿真模块连接，数据采集模块通过Redis序列化通信协议将工控设备的关节数据及I/O信号序列化后存储到Redis数据库中，同时也读取Redis数据库中虚拟设备的状态信息反序列化之后写入到工控设备中；仿真模块通过Demo3D上的C#脚本与Redis数据库模块连接，读取Redis数据库模块中的机器人关节数据和工业设备的IO数据，驱动Demo3D软件中的虚拟模型完成五金生产线的生产加工动作，同时也可以将虚拟仿真模型中设备信号上传至Redis数据库中；通过将机器人关节数据和工业设备IO数据上传至Redis数据库中，实现数据的上传和读取，完成现实和虚拟环境的数据交互功能。
PLC模块，用于虚拟PLC模型与物理控制设备PLC的数据交互。PLC模块与Demo3D软件连接，通过对Demo3D软件上控制标签窗口中Server属性的配置，完成PLC与Demo3D的数据通信。配置硬件PLC的IP地址和端口号，将连接的PLC中的IO端口映射至控制标签窗口中，与仿真环境中的工业设备模型进行匹配，在仿真环境中可以观测PLC程序控制效果，实现物理系统PLC和机器人控制器及虚拟环境中五金智能产线的数据交互。将仿真与控制技术相结合，在搭建的虚拟调试环境中，编辑并验证PLC和机器人控制程序，确定逻辑参数，完成对PLC和机器人控制程序的虚拟调试，最后将调试完毕的程序应用在真实生产线当中，完成虚拟调试的功能。
将仿真与控制技术相结合，在搭建的虚拟调试环境中，编辑并验证PLC和机器人控制程序，确定逻辑参数，完成对PLC和机器人控制程序的虚拟调试，最后将调试完毕的程序应用在真实生产线当中，完成虚拟调试的功能。
本发明的优点和积极效果是：
首先该系统数据采集模块使用工业以太网进行通信，提高了数据采集的速度和准确度；数据采集客户端设计简洁，易于操作，将数据上传到Redis数据库，对数据进行缓存，保证KeBa机器人控制器数据传输的实时性；虚拟模型仿真效果强，便于观察程序运行效果，查看设备运行状况，进行虚拟调试；通过Demo3D软件端控制标签窗口中的Server端配置IP地址和端口号，PLC可以直接与仿真软件进行连接，简化了系统的复杂度，便于系统的二次开发。
本发明面向五金行业的仿真调试系统，使用时只需使用实际的控制设备，包括KeBa机器人控制器、PLC，而不需要实际的工业设备。并且对使用的地点没有要求，只需在普通的办公场所即可完成对机器人控制程序和PLC逻辑的验证。通过真实的控制器控制虚拟模型的运动，观察模型运行效果，直观的观测控制器的控制逻辑，及早的发现问题并改正。使用本系统可以极大缩短物流设备试车时间，降低调试费用和风险，验证五金行业智能加工制造方案的可行性和实施性，缩短研发时间。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的SoildWorks建模图。
图3为本发明的Demo3D模型图。
图4为本发明的搭建的五金行业模型库图。
图5为本发明的虚拟五金生产线模型图。
图6为本发明的KeBa控制器数据采集PC客户端界面图。
图7a～图7c为本发明的PLC的IO端口映射图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种面向五金行业的仿真调试系统，其系统结构原理图如图1所示，平台硬件组成主要包括机器人控制器、机器人示教盒、PLC和交换机；软件端主要组成包括Demo3D虚拟仿真软件、PC端交互界面组成。将机器人控制器、机器人示教盒、PLC使用以太网接入到同一交换机中，机器人控制器负责执行机器人程序；机器人示教盒负责启动机器人程序和监视机器人数据；PLC作为中央控制器，负责对整个五金生产线进行逻辑控制；交换机负责所有连接设备的数据交换。数据采集模块通过Modbus TCP协议读取KeBa机器人控制器中的数据，并通过PC客户端界面显示出来，并将数据上传至Redis数据库中。仿真软件通过C#脚本读取Redis数据库中的数据，并用数据驱动Demo3D仿真软件中的虚拟模型进行仿真。PLC与仿真软件直接连接，将PLC中的I/O口映射到Demo3D的控制标签的窗口中，通过PLC控制整个虚拟五金生产线的运行。
本发明专利的具体实施方式如下：
PC数据交互端、Redis数据库、Demo3D 2018仿真软件、Visual Studio 2017编程环境安装在Windows环境下。KeBa机器人控制器、机器人示教盒、PLC接入同一交换机的局域网中，连接PC。
(1)工业机器人系统，采用KEBA工业机器人，包括KEBA机器人控制器和示教盒，由NDR-240导轨型电源供应器进行+24V的供电，将机器人程序利用CF读卡器载入到CF卡中，然后将CF卡装载到机器人控制器中，由机器人示教盒选择相应的机器人程序；与PLC接入同一交换机的局域网中，连接成功后再PC端的数据采集模块中可以采集KeBa机器人控制器中的机械臂数据，将数据上传至Redis数据库并实时显示在数据采集界面中，如图6所示。
(2)PLC，采用SIMATIC S7-1200，由NDR-240导轨型电源供应器进行+24V的供电，利用TIA博途软件将PLC程序下载到PLC，PLC与工业机器人系统接入到同一交换机的以太网中。PLC负责整个五金生产线的逻辑控制，通过Demo3D仿真软件控制标签窗口中的Server端配置PLC的IP地址和端口号，连接PLC，将PLC的I/O端口映射到控制标签窗口中。将映射到控制标签窗口中的PLC I/O端口与仿真软件中的五金生产线模型一一对应，映射过程如图7a～7c所示，最终实现硬件PLC控制虚拟模型的功能。
(3)KeBa控制器数据采集模块由C#语言编写，编程环境为Visual Studio，通过Modbus Tcp协议与KeBa机器人控制器实现通讯。数据采集模块可以实现采集控制器中机器人关节数据和bIoDOut数据，并可以在显示客户端窗口上实时显示。采集的数据同时上传至Redis数据库中，由Demo3D软件中编写的C#脚本读取，并将读取的数据更新至虚拟模型中，驱动虚拟模型运动。
(4)Redis数据库模块，系统中的PLC的I/O数据、机器人关节数据和虚拟设备的输入输出数据都以key-value键值对的形式存储到Redis数据库中，其中value的数据类型为String字符串，数据采集模块通过将采集到的关节数据、I/O变量数据序列化之后存储到Redis数据库，然后由C#脚本程序读取这些数据并反序列化来运行仿真模块中机器人和传感器。
(5)仿真模块：采用Demo3D仿真软件进行虚拟模型搭建。首先在SoildWorks软件中搭建五金生产线相关模型，如图2所示。将搭建好的模型另存为.raw3d格式，在Demo3D中用导入的方式打开，配置模型物理属性，如图3所示。根据导入模型的不同功能进行分类，建立五金行业的模型数据库，如图4所示。方便进行二次虚拟模型开发，快速根据实际情况搭建出五金行业生产线模型，如图5所示。在Demo3D软件中写C#脚本与Redis数据库建立联系，读取Redis数据库中机械臂相关数据，并通过脚本程序将数据上传至虚拟模型中，驱动虚拟模型完成相应行动，实现物理调试虚拟的功能。通过修改软件的控制标签窗口中Server端完成与物理PLC的连接，最终通过虚拟模型的运行效果修改控制器和PLC代码，减少时间和金钱的投入，完成五金行业生产线智能化改造。
以上是整个系统的控制情况，PC客户端的交互界面模块的存在，让操作变得简单方便并且还能实时监控数据信息；Redis数据库的存在，让数据的传输更加具有实时性；Demo3D仿真软件中模型的运动更加的真实，工控设备和仿真模型之间的数据更加具有交互性；五金模型库的存在使搭建五金行业生产线模型变得更加的方便快速。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种面向五金行业的仿真调试系统，其特征在于：五金生产线虚拟仿真软件与数据采集系统安装在用户的Windows电脑上，数据采集系统与实际生产线控制设备通过交换机相连接，PLC设备与PC端仿真软件通过以太网有线通信；
包括模型仿真模块、模型数据库模块、数据采集模块、数据存储模块、PLC模块；模型仿真模块通过SoildWorks和Demo3D软件构建五金设备模型；模型数据库模块将模型仿真模块构建的设备模型按类组合成设备模型库并与模型仿真模块一起构成五金生产线仿真模型；数据采集模块负责采集实际设备的I/O信号信息并将数据信息上传到数据存储模块中进行存储；数据存储模块负责存储数据采集模块采集到的信息并与五金生产线仿真模型进行脚本通信；PLC模块负责虚拟设备PLC和现实设备PLC之间的I/O端口映射，实现实际PLC设备控制虚拟模型以及编辑并验证PLC程序功能；
模型仿真模块，用于构建尺寸的五金行业设备模型，构建完毕的模型用于搭建生产线模型，其生成的动态仿真模型是构建数据模型库模块的基础；五金行业设备尺寸三维模型通过SolidWorks软件建立，在SolidWorks中根据五金生产线图纸在进行全尺寸的模块化建模，完成基于特征的CAD模型，对建好的CAD模型进行装配序列、装配约束关系、装配干涉检查，建成可导入Demo3D的三维模型，完成对五金行业智能产线中的制造加工单元、转运单元以及物料对象的全尺寸模块化建模；将SolidWorks中建好的模型另存为.raw3d格式文件，并在Demo3d中用导入的方式打开这个文件，将物理设备的各种属性映射到Demo3D虚拟空间中，形成可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，实现模型的动态仿真；
模型数据库模块，构建五金行业智能生产线产品生产所需的基本零部件模型、机器人制造加工单元模型、产品模型以及物流单元模型的模型库；根据模型的实现功能，将功能种类相同的模型单元添加到同一组件库中，按照功能、作用给对组件库进行命名，建立五金行业智能生产线产品生产所需的基本零部件模型、机器人模型、加工单元模型、产品模型以及物流单元模型模型数据库；通过对Demo3D软件中对象属性的设置和方法调用，构建物流仿真系统和制造加工工艺系统的数字仿真模型；
数据采集模块，负责对生产线控制设备的数据采集，并将采集到的数据上传到数据存储模块中；其输入为机器人控制器和工业设备的控制信号，其输出为数据存储模块的键值对信息和控制设备I/O控制信号；数据采集模块与KeBa机器人控制器、工业设备、数据存储模块相连接；数据采集模块用C#语言进行编写，采集KeBa机器人控制器和工业设备的数据信号，将其解读后上传至Redis数据库中；KeBa机器人控制器通过Modbus TCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块对关节数据进行解析，解析后的数据上传到Redis数据库中并同步显示在采集模块的交互界面上；数据采集模块的交互界面其输入为从Redis数据库实时读取的关节数据及I/O变量数据，接收数据后同步显示到交互界面上；在交互界面模块上创建和修改的IP地址、虚拟键名、I/O地址和信号名可同步写入配置文件中，数据采集模块启动后会读取配置文件，然后更新信号列表进行数据采集；
数据存储模块，采用Redis数据库对数据进行存储，用于对物理设备和虚拟模型的数据存储以及实现虚实环境的数据交互功能，负责整个系统的数据存储；其输入为数据采集模块采集的物理设备控制信号和虚拟模型信号，其输出为设备IO信号值；Redis数据库模块与数据采集模块和五金生产线仿真模型相连接，数据采集模块通过Redis序列化通信协议将工控设备的关节数据及I/O信号序列化后存储到Redis数据库中，同时也读取Redis数据库中虚拟设备的状态信息反序列化之后写入到工控设备中；仿真模块通过Demo3D上的C#脚本与Redis数据库模块连接，读取Redis数据库模块中的机器人关节数据和工业设备的IO数据，驱动Demo3D软件中的虚拟模型完成五金生产线的生产加工动作，同时也将虚拟仿真模型中设备信号上传至Redis数据库中；通过将机器人关节数据和工业设备IO数据上传至Redis数据库中，实现数据的上传和读取，完成现实和虚拟环境的数据交互功能；
PLC模块，用于虚拟PLC模型与物理控制设备PLC的数据交互；PLC模块与Demo3D软件连接，通过对Demo3D软件上控制标签窗口中Server属性的配置，完成PLC与Demo3D的数据通信；配置硬件PLC的IP地址和端口号，将连接的PLC中的IO端口映射至控制标签窗口中，与仿真环境中的工业设备模型进行匹配，在仿真环境中观测PLC程序控制效果，实现物理系统PLC和机器人控制器及虚拟环境中五金智能产线的数据交互；将仿真与控制技术相结合，在搭建的虚拟调试环境中，编辑并验证PLC和机器人控制程序，确定逻辑参数，完成对PLC和机器人控制程序的虚拟调试，最后将调试完毕的程序应用在真实生产线当中，完成虚拟调试的功能。
2.根据权利要求1所述的一种面向五金行业的仿真调试系统，其特征在于：应用五金生产线数字化建模和可视化技术，构建不同层次及属性的三维数字化模型库，提高系统的可视化能力；结合仿真优化与机器人技术，在虚拟环境中实现对整个生产线的仿真和优化；各个数据采集模块互不干扰，增强了数据传输的正确性，数据传输基于工业以太网进行通讯，保证了数据传输的稳定性；建立五金生产线数字孪生模型，搭建虚拟调试系统，实现生产线的虚拟调试和仿真。
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