CN112596413A - 一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统和方法，在进行仿真环境搭建的同时可以开始进行控制程序设计，设计完成后将控制程序下载到PLC中；时PLC通过以太网与仿真环境进行输入输出连锁通讯；控制程序未通过测试则需要进行修改重新进行测试，直至通过。将编制三维模型，编写模型程序，测试汇集到一个平台中，减少了由于多个三维软件之间的切换使用带来的学习成本，节约了测试时间；将条烟模型作为负载进行仿真，可以观察机械设备受控于控制程序的运动情况，同时也可以直观形象地观察机械设备的运动对负载造成地影响，从而判断控制程序的正确性及合理性；使用订单仿真工具进行自动化测试，减少了大量地人力成本，提高测试效率。

Description

一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统和方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真领域，特别地，涉及烟草商业配送中心条烟分拣系统控制程序的仿真测试方法。

背景技术

条烟分拣系统是烟草配送中心主要自动化系统之一，用于将整件的、不同品牌的香烟自动分拣为客户所需订单。主要设备包括立式分拣机、卧式分拣机、通道式分拣机、计数分拣机以及相关辅联设备。

首先，在条烟分拣系统的现场调试过程中，未经测试的PLC控制程序的调试过程非常繁琐，排除错误需要考虑硬件、接线、程序逻辑等各方面的原因，并且受限于客观条件，调试阶段无法进行全流程覆盖测试，短时间内无法确认程序的正确性和完整性；

其次，控制程序需要控制机械设备的运动，还需要处理客户订单数据，将条烟按照订单所需的品牌及数量在合适的时间放置在正确的位置。现有仿真测试技术一般只能通过三维模型测试程序逻辑，然而并没有进行仿真负载测试。因此对于分拣系统来说，现有仿真技术对于控制程序的测试不够充分。

因此，有必要提供一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试方法，对程序的控制逻辑以及数据运算进行仿真测试，验证程序的正确性和完整性。

发明内容

为解决上述现有仿真技术中存在的不足和缺陷，发明人经过研发设计，提供了一种对程序的控制逻辑以及数据运算进行仿真测试，可以减少控制程序的错误，验证程序的正确性和完整性，显著减轻现有控制程序调试以及维护的难度。具体的，本发明是这样实现的：

一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统，包括：仿真环境模块，用于建立分拣系统设备的仿真三维模型，并使用仿真程序编写分拣系统设备的运行方式，且在设备模型上布置仿真检测器件，订单仿真工具，用于建立与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中真实的物理运行情况，并可以通过颜色或文字区分不同的条烟品牌，用于校验条烟分拣的正确性；PLC控制器，连接至仿真环境模块和订单仿真工具，能控制分拣系统设备的仿真三维模型按照分拣系统项目的设计图摆放，并能配置分拣系统的基础参数：设备长宽高、间距、倾斜率、曲率等，并使得仿真参数与设计值一致；能测试程序的逻辑控制、数据运算以及设备的运动控制是否正确，并使用负载测试验证控制程序的准确性以及合理性。

进一步的，所述分拣系统设备包括：立式分拣机、卧式分拣机、通道式分拣机、带式输送机、缓存输送机中的一种或多种，并导入仿真环境并进行优化及渲染，开发每台设备相对应的设备三维模型单元。

进一步的，所述运行方式包括：输送、提升、拨打、推送中的一种或多种，并留出与PLC控制器连接的控制输出接口。

进一步的，在所述分拣系统设备上布置仿真检测器件，包括：光电开关、接近开关、限位开关、编码器中的一种或多种，并留出与PLC控制器连接的控制程序输入接口。

进一步的，订单仿真工具，用于自动统计分拣的条烟总数、订单总数、用时、速度等信息。

本发明的另一方面，提供了一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试方法，包括以下步骤：

S1、建立分拣系统设备的仿真三维模型，并使用仿真程序编写分拣系统设备的运行方式，且在设备模型上布置仿真检测器件，

S2、建立与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中真实的物理运行情况，并可以通过颜色或文字区分不同的条烟品牌，用于校验条烟分拣的正确性；

S3、编制PLC控制程序并下载到PLC控制器中，并配置仿真测试环境，以及配置仿真环境与PLC的通讯连接；

S4、在仿真环境中，将仿真模型按照分拣系统项目的设计图摆放，设备长宽高、间距、倾斜率、曲率等仿真参数与设计值一致；

S5、测试输入的PLC控制程序的逻辑控制、数据运算以及对设备的运动控制是否正确，并使用负载测试验证控制程序的准确性以及合理性，根据测试结果对控制程序进行优化。

进一步的，所述步骤S5中还包括：空载测试和负载测试；

空载测试主要对控制程序的逻辑控制功能进行测试，包括电机运行控制，按钮反馈，指示灯显示，故障指示等基础功能；

负载测试主要对控制程序的数据运算功能进行测试，订单下载到PLC控制器之后需要进行分解、缓存、搬运等复杂的运算过程，设置好分拣单元范围、是否随机分拣、任务数量的通道拨打以及固定拨打数量，输出测试过程及检测结果：

（1）分拣的条烟数量、品牌是否正确；

（2）是否有条烟叠加现象；

（3） 订单之间是否留有足够的间距；

（4） 对外部接口设备的信号是否正确；

（5） 故障时能否停止运行，恢复时能否正常继续。

本发明的工作原理介绍：本发明所述仿真测试装置包括仿真环境以及订单仿真工具，运行于PC环境中，测试的对象为控制程序，运行于PLC可编程逻辑控制器中。首先，在进行仿真环境搭建的同时可以开始进行控制程序设计，设计完成后将控制程序下载到PLC中；其次，运行仿真环境与订单仿真工具，此时PLC通过以太网与仿真环境进行输入输出连锁通讯；控制程序未通过测试则需要进行修改重新进行测试，直至通过。

本发明的有益效果介绍：

1. 使用Demo3d作为仿真测试平台，将编制的三维模型、模型程序及测试方法汇集到一个平台中，减少了由于多各三维软件之间的切换使用带来的学习成本，节约了测试时间；

2. 将条烟模型作为负载进行仿真，可以观察机械设备受控于控制程序的运动情况，同时也可以直观形象地观察机械设备的运动对负载造成地影响，从而判断控制程序的正确性及合理性；

3. 使用订单仿真工具进行自动化测试，减少了大量地人力成本，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试方法的流程示意图；

图2为发明一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统的物理通讯示意图；

图3为发明实施例中的分拣系统设备摆放示意图；

图4为发明实施例中的仿真环境配置示意图；

图5为发明实施例中的PLC控制器映射IO示意图；

图6为发明实施例中的订单仿真工具通讯配置示意图

图7为发明实施例中的订单仿真工具订单配置示意图；

其中：

1为卧式分拣机，2为通道式分拣机，3为带式输送机，4为打码输送机，5为装箱设备，6为条烟订单；

11为Siemens系列PLC，12为S7Function协议，13为QuickConnect选择为S7-1500系列，14为PLC的ServerHostIP地址；

21为变量是否激活，22为该变量在PLC中的对应输入或输出的硬件地址，23为变量在PLC中的符号名，24为变量的当前值，25为与PLC的交互方式，26为仿真模型预留的接口；

31为PLC配置，32为项目信息，33为PLC中数据存储地址配置、34为配置完成后的操作选择，

41处为通道式分拣机的通道范围，42处为卧式分拣机的通道范围，43、46为拨打通道与拨打数量是否随机按照测试需求定义；44为任务数量。

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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统、包括：

仿真环境模块，用于建立分拣系统设备的仿真三维模型，并使用仿真程序编写分拣系统设备的运行方式：立式分拣机、卧式分拣机、通道式分拣机、带式输送机、缓存输送机等，并导入仿真环境并进行优化及渲染，开发每台设备相对应的设备三维模型单元，运行方式包括：输送、提升、拨打、推送等，并留出与PLC控制器连接的控制输出接口；且布置仿真检测器件，包括：光电开关、接近开关、限位开关、编码器等并留出与PLC控制器连接的控制程序输入接口；

订单仿真工具，用于建立与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中真实的物理运行情况，针对不同品牌的条烟模型，设定不同的颜色，并在模型表面放置自定义文字进行区别。在分拣系统控制程序的测试过程中，可以随时停止测试根据颜色以及文字人工对比条烟订单，也可以在分拣设备模型的终端放置颜色检测模块，汇总订单条烟品牌数据后进行比对，用于校验条烟分拣的正确性；

PLC控制器，连接至仿真环境模块和订单仿真工具，能控制分拣系统设备的仿真三维模型按照分拣系统项目的设计图摆放，并能配置分拣系统的基础参数，如设备长宽高、间距、倾斜率、曲率等，并使得仿真参数与设计值一致；能测试程序的逻辑控制、数据运算以及设备的运动控制是否正确，并使用负载测试验证控制程序的准确性以及合理性负载测试验证控制程序；还用于自动统计分拣的条烟总数、订单总数、用时、速度等信息。

实施例2：

如图1所示为条烟分拣系统控制程序的仿真测试方法。首先，在进行仿真环境搭建的同时可以开始进行控制程序设计，设计完成后将控制程序下载到PLC中；然后运行仿真环境与订单仿真工具，此时PLC通过以太网与仿真环境进行输入输出连锁通讯；控制程序未通过测试则需要进行修改重新进行测试，直至通过。本发明所述仿真测试装置包括仿真环境以及订单仿真工具，运行于PC环境中，测试的对象为控制程序，运行于PLC可编程逻辑控制器中，二者之间的关系如图2所示。具体步骤如下：

步骤1：编制三维模型

步骤1-1：使用Demo3D编制分拣系统设备的三维模型，分拣系统设备包括：立式分拣机、卧式分拣机、通道式分拣机、带式输送机、缓存输送机等，并导入仿真环境并进行优化及渲染，开发相对应的三维模型单元；

将设备器件的运行方式使用仿真程序编写，设备的运行方式包括：输送、提升、拨打、推送等，并留出控制程序控制输出接口；

在设备模型上布置仿真检测器件，包括：光电开关、接近开关、限位开关、编码器等并留出仿真检测器件的控制程序输入接口；

步骤1-2：开发与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中的运行情况，包括坠落、输送、转向、堆叠等真实的物理情况，并可以通过颜色或文字区分不同的条烟品牌，用于校验条烟分拣的正确性；

步骤2：编写PLC控制程序

编制PLC控制程序并下载到PLC中。

步骤3：配置仿真测试环境

步骤3-1：在仿真环境中，将仿真模型按照分拣系统项目的设计图摆放，设备长宽高、间距、倾斜率、曲率等仿真参数与设计值一致。

步骤3-2：配置仿真环境与PLC的通讯连接，可选PLC品牌包括：Siemens、Beckhoff、Allen Bradley等常用PLC，支持的通讯协议包括：Siemens S7、OPC、Ethernet等工业以太网协议。

步骤3-3：映射接口至PLC。

步骤3-4：配置订单仿真工具与PLC的连接，并进行连接测试，连接成功后填写条烟分拣系统的基础参数。配置完毕后可以保存以备下次使用。

步骤4：测试控制程序的逻辑控制、数据运算以及对设备的运动控制是否正确，并使用负载测试验证控制程序的准确性以及合理性，根据测试结果对控制程序进行优化。

步骤4-1：根据已实施项目经验，控制程序的逻辑控制验证包括手动输出控制、检测器件信号反馈；数据运算的验证包括订单数据拆分，并根据编码器数值的变化在正确的时间将条烟拨打至相应的位置；设备运动控制包括自动状态下的分拣单元对条烟的输送、拆垛、推送、拨打控制，输送机与气动设备的启停时机，运行故障例如条烟拥堵、姿态不正、计数错误等。将验证所需的步骤以及预期结果汇总形成通用测试用例以便对照测试。

步骤4-2：控制程序的准确性包括：拨打单元能否在正确的时间将条烟拨打至正确的位置，观察运动控制测试所形成的负载（条烟）姿态是否存在重叠或干扰的现象，使用虚拟测量工具测量条烟间距、订单间距是否与设定相符。

步骤4-3：控制程序的合理性是指在满足约定分拣速度的前提下，尽量降低系统故障率，简化故障处理的步骤，达到提高系统稳定运行时间的目的。

步骤4-4：测试分拣系统控制程序的预期结果反映的是已有项目的真实反馈，具体包括：系统功能、安全防护、人机界面、分拣能力等方面的内容。

步骤4-5：控制程序经过测试后未满足预期结果，则需要对控制程序或者人机界面进行修改、调整系统参数后再次进行测试，直到满足预期结果为止。

实施例3：

本次测试的分拣系统设备配置如图3所示，包括：1为卧式分拣机，2为通道式分拣机，3为带式输送机，4为打码输送机，5为装箱设备，6为条烟订单。分拣系统的实际功能是将不同品牌的条烟放入1卧式分拣机和2通道式分拣机中，按照订单顺序拨打至3带式输送机上，输送条烟至4打码输送机上对条烟进行打码，最后进入5装箱设备中对分拣的条烟进行包装。

分拣系统对控制程序的要求是：拨打出的条烟姿态稳定，品牌与数量与订单一致，在此基础上尽量提高分拣速度。条烟分拣的速度与卧式分拣机与通道式分拣机的拨打速度以及带式输送机的输送速度成比例关系。

在该分拣系统仿真测试的过程中，使用Demo3d作为设备三维模型的开发工具以及仿真平台，使用Siemens s7-1516-3 PN/DP作为PLC控制器，PLC与仿真平台的通讯使用S7协议。

按照本发明的方法步骤，具体的实施过程如下：

步骤1：编制三维模型

步骤1-1：编制设备三维模型

使用Demo3D编制分拣系统设备的三维模型，包括如图3所示的机械设备，并将仿真机械的运行方式使用仿真程序编写，预留控制程序控制输出接口；

步骤1-2：开发物料三维模型

使用Demo3D编制与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中的运行情况，包括坠落、输送、转向、堆叠等真实的物理情况，并可以通过颜色或文字区分不同的条烟品牌，用于校验条烟分拣的正确性；

步骤2：编写PLC控制程序

编制分拣系统的PLC控制程序并下载到PLC中。

步骤3：配置仿真测试环境

步骤3.1：在仿真环境中，将仿真设备的模型按照图2摆放，仿真设备长宽高、设备间距、电机速度、表面材质等仿真参数与尽可能与设计值保持一致。

步骤3.2：在设备模型上布置仿真检测器件，器件的位置与实际位置相同，预留仿真检测器件的控制程序输入接口。

步骤3.3：如图4，配置仿真环境与PLC的通讯连接，11处填写Siemens系列PLC，12处选择使用S7Function协议，13处QuickConnect选择为S7-1500系列，14处填写PLC的ServerHost也就是IP地址

步骤3.4：成功与PLC连接后，需要将仿真设备的输入输出接口映射接口至PLC，如图5，21为该变量是否激活，22为该变量在PLC中的对应输入或输出的硬件地址，23为变量在PLC中的符号名，24为变量的当前值，25为与PLC的交互方式，26为仿真模型预留的接口。

步骤3.5：配置订单仿真工具

配置与PLC的连接，并进行连接测试，连接成功后填写条烟分拣系统的基础参数，如图6所示，31为PLC配置，32为项目信息，33为PLC中数据存储地址配置，34为配置完成后的操作选择，选择保存可以将配置文件保存以备下次使用。

配置条烟分拣设备的基础信息，如图7所示，配置41处为通道式分拣机的通道范围为1-2，42处为卧式分拣机的通道范围为3-23，43处为拨打通道与拨打数量是否随机按照测试需求定义。设置44处为任务数量为20，点击生成任务按钮，订单仿真工具就会将订单数据下载到PLC上。

步骤4：测试控制程序

步骤4-1：空载测试

空载测试主要对控制程序的逻辑控制功能进行测试，包括电机运行控制，按钮反馈，指示灯显示，故障指示等基础功能

步骤4-2：负载测试

负载测试主要对控制程序的数据运算功能进行测试，订单下载到PLC中以后需要进行分解、缓存、搬运等复杂的运算过程，按照图7设置为46处的所有通道拨打以及43处的固定拨打数量，可以通过人眼对测试过程及结果进行检测：

1 分拣的条烟数量、品牌是否正确；

2 是否有条烟叠加现象；

3 订单之间是否留有足够的间距；

3 与外部设备的接口信号是否正确；

4 故障时能否停止运行，恢复时能否正常继续；

最后，订单仿真工具可以自动统计分拣的条烟总数、订单总数、用时、速度等信息，编制测试报告时可以参考。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试系统，其特征在于包括：

仿真环境模块，用于建立分拣系统设备的仿真三维模型，并使用仿真程序编写分拣系统设备的运行方式，且在设备模型上布置仿真检测器件，

订单仿真工具，用于建立与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中真实的物理运行情况，并可以通过颜色或文字区分不同的条烟品牌，用于校验条烟分拣的正确性；

PLC控制器，连接至仿真环境模块和订单仿真工具，能控制分拣系统设备的仿真三维模型按照分拣系统项目的设计图摆放，并能配置分拣系统的基础参数：设备长宽高、间距、倾斜率、曲率等，并使得仿真参数与设计值一致；能测试程序的逻辑控制、数据运算以及设备的运动控制是否正确，并使用负载测试验证控制程序的准确性以及合理性。

2.根据权利要求1所述的仿真测试系统，其特征在于，所述分拣系统设备包括：立式分拣机、卧式分拣机、通道式分拣机、带式输送机、缓存输送机中的一种或多种，并导入仿真环境并进行优化及渲染，开发每台设备相对应的设备三维模型单元。

3.根据权利要求1所述的仿真测试系统，其特征在于，所述运行方式包括：输送、提升、拨打、推送中的一种或多种，并留出与PLC控制器连接的控制输出接口。

4.根据权利要求2所述的仿真测试系统，其特征在于，在所述分拣系统设备上布置仿真检测器件，包括：光电开关、接近开关、限位开关、编码器中的一种或多种，并留出与PLC控制器连接的控制程序输入接口。

5.根据权利要求1所述的仿真测试系统，其特征在于，订单仿真工具，用于自动统计分拣的条烟总数、订单总数、用时、速度等信息。

6.一种条烟分拣系统控制程序的仿真测试方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、建立分拣系统设备的仿真三维模型，并使用仿真程序编写分拣系统设备的运行方式，且在设备模型上布置仿真检测器件，

S2、建立与真实条烟大小、重量以及包装都相同的仿真三维模型，能够模拟条烟在仿真环境中真实的物理运行情况，并可以通过颜色或文字区分不同的条烟品牌，用于校验条烟分拣的正确性；

S3、编制PLC控制程序并下载到PLC控制器中，并配置仿真测试环境，以及配置仿真环境与PLC的通讯连接；

S4、在仿真环境中，将仿真模型按照分拣系统项目的设计图摆放，设备长宽高、间距、倾斜率、曲率等仿真参数与设计值一致；

S5、测试输入的PLC控制程序的逻辑控制、数据运算以及对设备的运动控制是否正确，并使用负载测试验证控制程序的准确性以及合理性，根据测试结果对控制程序进行优化。

7.根据权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于，所述步骤S5中还包括：空载测试和负载测试；

空载测试主要对控制程序的逻辑控制功能进行测试，包括电机运行控制，按钮反馈，指示灯显示，故障指示等基础功能；

负载测试主要对控制程序的数据运算功能进行测试，订单下载到PLC控制器之后需要进行分解、缓存、搬运等复杂的运算过程，设置好分拣单元范围、是否随机分拣、任务数量的通道拨打以及固定拨打数量，输出测试过程及检测结果：

（1）分拣的条烟数量、品牌是否正确；

（2）是否有条烟叠加现象；

（3） 订单之间是否留有足够的间距；

（4） 对外部接口设备的信号是否正确；

（5） 故障时能否停止运行，恢复时能否正常继续。

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