CN115793492A - 一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统及方法，3D建模模块，用于将设计好的柔性集装袋自动打包设备完成3D建模；NX‑MCD仿真平台模块，用于接收柔性集装袋自动打包设备的3D模型，通过依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况；TIA Portal环境搭建模块，用于添加CPU1511‑1PN PLC和普通PC站，连接PLC与IE网卡端口，建立S7‑PLCSIM Advanced连接，完成组态，再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序；HMI人机界面模块，用于模拟操作员面板，以便测试和优化已经处于工程阶段的操作概念或接口。本发明可以对设计结果进行模拟测试，解决故障和错误，提高研发质量和现场调试效率。
Description
技术领域
本发明属于柔性集装袋自动生产线领域，具体涉及一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统及方法。
背景技术
柔性集装袋，又称吨装、太空袋，是一种柔性运输包装容器。柔性集装袋具有防潮、防尘、耐辐射、牢固安全的优点，而且在结构上具有足够的强度。由于柔性集装袋装卸、搬运都很方便，装卸效率明显提高，近年来发展很快。对于易泄露的粉末物品，对包装的要求很高。
目前柔性集装袋多采用自动化设备进行生产，如中国发明专利 CN111941937B所公开的一种吨袋自动套袋机及其工作方法，包括机架、充排气机构、内袋整理机构、内袋存放台、折叠机构。充排气机构，包括排气气缸、充气模组、轴流风机。自动进行吨袋套袋、折叠节省人工，避免安全事故，工作效率较高，成品一致性较好，质量较高。在自动化设备设计过程中，设计过程主要经历概念设计、机械设计、液压、气动驱动设计、电气设计和软件设计等阶段，每个开发阶段的独立性较强，基本无法实现机械结构和控制系统的并行设计。而且此类设备的工艺和控制复杂度较高，现场的实机调试很困难。因此亟待改进现有的柔性集装袋自动打包设备设计方法。
发明内容
为了解决上述不足，本发明的目的在于提供一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统及方法，将数字孪生的虚拟调试理念引入复杂机械装备的设计研发中。改变以往传统的产品设计过程，不同于在样机制造出来后再调试的步骤，在设备制造出来之前，设计结果在虚拟环境中进行了多次模拟测试，解决绝大部分故障和错误，提高研发质量和现场调试效率。
本发明采用以下技术方案：一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统包括：3D建模模块，NX-MCD仿真平台模块，TIA Portal环境搭建模块，HMI人机界面模块，
所述3D建模模块，用于将设计好的柔性集装袋自动打包设备完成3D建模，形成3D模型；
所述NX-MCD仿真平台模块，用于接收柔性集装袋自动打包设备的3D模型，通过依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况；
所述TIA Portal环境搭建模块，用于添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立 S7-PLCSIM Advanced连接，完成组态，再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序；
所述HMI人机界面模块，用于模拟操作员面板，以便测试和优化已经处于工程阶段的操作概念或接口。
进一步地，所述3D模型添加机电特征，具有刚体和碰撞体属性，执行机构定义线性运动或者旋转运动的驱动装置。
进一步地，所述TIA Portal采用OPC通信协议调用所述NX-MCD仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接，输入与所述运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动所述仿真平台中的3D模型的运动组件完成设定的工艺动作。
相应地，公开一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法，包括以下步骤：
S1、将设计好的柔性集装袋自动打包设备在3D建模模块内完成3D建模，形成3D模型并导入至NX-MCD仿真平台；
S2、NX-MCD仿真平台依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，来完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况；
S3、TIA Portal添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC 服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立S7-PLCSIM Advanced连接，完成组态；再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序；
S4、在NX-MCD中选择OPC UA服务器配置外部信号，将搜索到的OPC UA 信号与MCD环境中添加的信号根据功能进行映射；
S5、通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced的Start按钮、在 TIA Portal转至在线后启动监视、以及在HMI人机界面下启动仿真，可以实时地观察柔性集装袋自动打包设备的机械结构、运动干涉和控制系统，在虚拟环境下进行展示与模拟；
S6、观察3D模型在各个工艺环节是否满足要求；
S7、工艺环节若出现问题，则修改3D模型结构或者PLC程序，重复步骤 S5，工艺环节若满足工艺要求，则判定所述3D模型合格。
进一步地，S4步骤中，在模拟柔性集装袋自动打包设备工艺动作时，需要将3D模型中的运动组件拆分并分别进行模拟控制，通过所有运动组件的运动，令3D模型完成完整的工艺动作，因此需要先对运动组件进行基本机电对象、运动副、执行器的定义，然后进行基于时间或事件来控制上文设置的运动副以及执行器。
进一步地，S5步骤中，在完成虚拟调试之前的所有准备工作，构建TIA Portal、NX-MCD、PLCSIM Advanced、HMI的调试环境，通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced的Start按钮、在TIA Portal转至在线后启动监视、以及在HMI画面下启动仿真，实时地观察柔性集装袋自动打包设备模型的机械结构、运动干涉和控制系统。
进一步地，S6步骤中，仿真平台接收到控制信号后，输出相对应的虚拟I/O 信号至3D模型，3D模型根据上述虚拟I/O信号作相应的工艺动作，此时可通过观察各个工艺环节，判断各个工艺环节是否满足要求，平移驱动电机为伺服电机。
本发明的有益效果是：
本发明所述的柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统，通过对自动打包设备的模型添加机电特征的方法，使其具有逼真的物理特性，能够具备物理系统下的运动模型，定义相应的刚体和碰撞体属性，实现动作仿真，避免干涉及碰撞问题；在设备制造出来之前，设计结果在虚拟环境中进行了多次模拟测试，绝大部分故障和错误可以被更早地解决，提高研发质量和现场调试效率。
附图说明
图1为本发明所述的柔性集装袋自动打包设备的立体示意图；
图2为本发明所述的柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统的系统架构示意图；
图3为本发明所述的柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法的操作步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。
如图2所示，该虚拟调试系统包括3D建模模块，NX-MCD仿真平台模块， TIA Portal环境搭建模块，HMI人机界面模块。
其中，3D建模模块用于将设计好的柔性集装袋自动打包设备完成3D建模，形成3D模型。该3D模型需要根据方案进行详细设计后形成，并且与实际装备的尺寸、装配关系相对应。
NX-MCD仿真平台模块用于接收柔性集装袋自动打包设备的3D模型，依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，来完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况；
具体的，基本机电对象通过对自动打包设备的模型添加机电特征的方法，使其具有逼真的物理特性，能够具备物理系统下的运动模型，也就是定义相应的刚体和碰撞体属性。模型的运动仿真需要通过运动副和执行机构来进行。在定义完自动打包设备的刚体和碰撞体的基础上，通过运动副定义了对象的运动方式，执行机构定义了一种线性运动或者旋转运动的驱动装置，常见的执行器有速度和位置控制，通过设置速度或者位置来实现对运动速度和运动位置的控制。仿真序列是基于时间或者事件来控制上述设置的运动副以及执行器，包括位置控制、速度控制等。按照柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况来设计仿真序列，依次来完成设计需求。
TIA Portal环境搭建模块，用于添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在 PC站中添加OPC服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立 S7-PLCSIM Advanced连接，完成组态，再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序。
具体的，通过TIA Portal采用OPC通信协议调用所述NX-MCD仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接，输入与所述运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动所述仿真平台中的3D模型的运动组件完成设定的工艺动作。
HMI人机界面模块，用于模拟操作员面板，以便测试和优化已经处于工程阶段的操作概念或接口。在搭建NX-MCD环境以及TIA Portal环境之后，最后添加HMI设备。
具体的，本发明实例基于SIMATIC精智面板TP700Comfort，构建总控制界面、内袋抓取界面、充排气界面、折叠打包界面等调试界面。
另一方面，基于上述虚拟调试系统，本发明实施例还提供一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法，如图3所示，该方法包括流程：
S1、将设计好的柔性集装袋自动打包设备在3D建模模块内完成3D建模，形成3D模型并导入至NX-MCD仿真平台。
S2、NX-MCD仿真平台依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，来完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况。具体包括：
在模拟柔性集装袋自动打包设备工艺动作时，需要将3D模型中的运动组件拆分并分别进行模拟控制，通过所有运动组件的运动，令3D模型完成完整的工艺动作，因此需要先对运动组件进行基本机电对象、运动副、执行器的定义。然后进行基于时间或事件来控制上文设置的运动副以及执行器。
S3、TIA Portal添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC 服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立S7-PLCSIM Advanced连接，完成组态；再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序。
S4、在NX-MCD中选择OPC UA服务器配置外部信号，将搜索到的OPC UA 信号与MCD环境中添加的信号根据功能进行映射。具体的：
根据PLC变量表以及NX-MCD中所创建的模型信号，在信号映射窗口构建信号与外部信号，由信号相对应的匹配进行一一配置，建立信号映射。
S5、通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced的Start按钮、在 TIA Portal转至在线后启动监视、以及在HMI人机界面下启动仿真，可以实时地观察柔性集装袋自动打包设备的机械结构、运动干涉和控制系统，在虚拟环境下进行展示与模拟。具体的：
在完成虚拟调试之前的所有准备工作，构建TIA Portal、NX-MCD、PLCSIMAdvanced、HMI的调试环境，通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced 的Start按钮、在TIA Portal转至在线后启动监视、以及在HMI画面下启动仿真，可以实时地观察柔性集装袋自动打包设备模型的机械结构、运动干涉和控制系统。
S6、观察3D模型在各个工艺环节是否满足要求。
仿真平台接收到控制信号后，输出相对应的虚拟I/O信号至3D模型，3D模型根据上述虚拟I/O信号作相应的工艺动作，此时可通过观察各个工艺环节，判断各个工艺环节是否满足要求。
S7、工艺环节若出现问题，则修改3D模型结构或者PLC程序，重复步骤 S5，工艺环节若满足工艺要求，则判定所述3D模型合格。
本发明的工作原理：
如图1所示，在传统的自动化设备制造过程中，传统的设计方法会导致设计阶段之间存在交互障碍，产品设计信息与原型制造之间存在脱节。不仅如此，复杂机械产品的研发需要通过样机制造进行现场验证，然而在物理原型测试调试乃至实际生产运行过程中，会出现连续返工和修改的过程，且未被发现的设计错误可能对设备造成重大损害，从而延长研发周期，提高成本。
为此，本发明实施例中提供了一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统，通过结合机、电、软联合虚拟调试手段。在自动打包设备研发阶段就可以发现并且解决问题，从而达到降低成本，提高研发质量和现场调试效率。
名词解释：
TIA Portal，TIA，Totally Integrated Automation的简称，即全集成自动化；Portal：入口，开始的地方；西门子重新定义自动化的概念、平台以及标准的自动化工具平台。
NX-MCD西门子NX软件机电一体化概念设计解决方案，适用于机电一体化产品的概念设计。借助该软件，可对包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行3D建模和仿真。
CPU1511-1 PN PLC，西门子可编程控制器CPU1511-1PN PLC模块；
S7-PLCSIM Advanced，是SIEMENS推出的一款高功能仿真器，它的显著特点是除了可以仿真一般的PLC逻辑控制程序外还可以仿真通信，功能比较强大。
OPC，OLE for Process Control，用于过程控制的OLE，是一个工业标准，包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。
HMI，是Human Machine Interface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面，是交互和信息交换的媒介。
SIMATIC，西门子公司生产的可编程序控制器，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。
TP700Comfort，西门子公司操作面屏。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。前、后、左、右、末端、前端等方位指示词仅为说明结构，非限定。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统，其特征在于：包括3D建模模块，NX-MCD仿真平台模块，TIA Portal环境搭建模块，HMI人机界面模块，
所述3D建模模块，用于将设计好的柔性集装袋自动打包设备完成3D建模，形成3D模型；
所述NX-MCD仿真平台模块，用于接收柔性集装袋自动打包设备的3D模型，通过依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况；
所述TIA Portal环境搭建模块，用于添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立S7-PLCSIM Advanced连接，完成组态，再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序；
所述HMI人机界面模块，用于模拟操作员面板，以便测试和优化已经处于工程阶段的操作概念或接口。
2.根据权利要求1所述的一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统，其特征在于：所述3D模型添加机电特征，具有刚体和碰撞体属性，执行机构定义线性运动或者旋转运动的驱动装置。
3.根据权利要求1所述的一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试系统，其特征在于：所述TIA Portal采用OPC通信协议调用所述NX-MCD仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接，输入与所述运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动所述仿真平台中的3D模型的运动组件完成设定的工艺动作。
4.一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将设计好的柔性集装袋自动打包设备在3D建模模块内完成3D建模，形成3D模型并导入至NX-MCD仿真平台；
S2、NX-MCD仿真平台依次对所述3D模型定义基本机电对象、运动副、执行器、仿真序列，来完成柔性集装袋自动打包设备的真实工作情况；
S3、TIA Portal添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立S7-PLCSIM Advanced连接，完成组态；再根据功能模型以及MCD中定义的自动打包设备控制情况，编写PLC程序；
S4、在NX-MCD中选择OPC UA服务器配置外部信号，将搜索到的OPC UA信号与MCD环境中添加的信号根据功能进行映射；
S5、通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced的Start按钮、在TIA Portal转至在线后启动监视、以及在HMI人机界面下启动仿真，可以实时地观察柔性集装袋自动打包设备的机械结构、运动干涉和控制系统，在虚拟环境下进行展示与模拟；
S6、观察3D模型在各个工艺环节是否满足要求；
S7、工艺环节若出现问题，则修改3D模型结构或者PLC程序，重复步骤S5，工艺环节若满足工艺要求，则判定所述3D模型合格。
5.根据权利要求4所述的一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法，其特征在于：S4步骤中，在模拟柔性集装袋自动打包设备工艺动作时，需要将3D模型中的运动组件拆分并分别进行模拟控制，通过所有运动组件的运动，令3D模型完成完整的工艺动作，因此需要先对运动组件进行基本机电对象、运动副、执行器的定义，然后进行基于时间或事件来控制上文设置的运动副以及执行器。
6.根据权利要求4所述的一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法，其特征在于：S5步骤中，在完成虚拟调试之前的所有准备工作，构建TIA Portal、NX-MCD、PLCSIMAdvanced、HMI的调试环境，通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced的Start按钮、在TIA Portal转至在线后启动监视、以及在HMI画面下启动仿真，实时地观察柔性集装袋自动打包设备模型的机械结构、运动干涉和控制系统。
7.根据权利要求4所述的一种柔性集装袋自动打包设备虚拟调试方法，其特征在于：S6步骤中，仿真平台接收到控制信号后，输出相对应的虚拟I/O信号至3D模型，3D模型根据上述虚拟I/O信号作相应的工艺动作，此时可通过观察各个工艺环节，判断各个工艺环节是否满足要求，平移驱动电机为伺服电机。
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