工業(yè)生產(chǎn)線集成控制與虛擬調(diào)試分析

肖 馳

（天門職業(yè)學(xué)院，湖北 天門 431700）

工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線在我國制造業(yè)的飛速發(fā)展下，正朝著智能化、集成化的方向發(fā)展。生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)于一體。工業(yè)以太網(wǎng)具有開放性、成本低且支持多種軟硬件的特點(diǎn)，在集成控制系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。虛擬調(diào)試技術(shù)則是利用仿真平臺(tái)對(duì)集成系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)督與控制，有助于設(shè)計(jì)人員提高設(shè)計(jì)速度、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，使設(shè)計(jì)流程發(fā)生革命性的轉(zhuǎn)變，以便更好地滿足不斷發(fā)展的制造業(yè)需求。

1 集成控制軟件的開發(fā)

工業(yè)以太網(wǎng)具有開放性，能夠支持?jǐn)?shù)種軟硬件且成本造價(jià)比較低的特點(diǎn)，因而在集成控制軟件開發(fā)中發(fā)揮著明顯優(yōu)勢(shì)。集成控制軟件由機(jī)器人應(yīng)用程序、OPC 客戶端和監(jiān)控程序組成，該軟件的開發(fā)主要以C語言為主，借助VS2015 平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)操作。機(jī)器人應(yīng)用程序可以對(duì)所有的機(jī)器人控制器實(shí)現(xiàn)在線搜索，之后對(duì)目標(biāo)控制器進(jìn)行自動(dòng)選擇并進(jìn)行連接。機(jī)器人應(yīng)用程序的功能是對(duì)機(jī)械單元信息的讀取，它既可以讀寫I/O 信號(hào)，又可以讀取和調(diào)用RAPID 程序。OPC 客戶端可以對(duì)OPC 服務(wù)器進(jìn)行搜索和連接，以讀寫OPC數(shù)據(jù)，從而對(duì)OPC 組屬性進(jìn)行設(shè)置。監(jiān)控程序能夠?qū)崿F(xiàn)截屏、錄像等操作[1]。

機(jī)器人應(yīng)用程序，利用PCSDK 進(jìn)行開發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)器人應(yīng)用程序包括的功能域有6 個(gè)，PC 訪問的應(yīng)用編程接口也在其中，其主要作用是對(duì)ABB 機(jī)器人控制器進(jìn)行訪問。根據(jù)實(shí)際開發(fā)需求，與功能域相關(guān)的類建立了聯(lián)系。

圖1 機(jī)器人應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

OPC 客戶端的開發(fā)。程序需要先對(duì)一些信息進(jìn)行獲取，包括計(jì)算機(jī)IP、相關(guān)名稱等內(nèi)容，由于OPC 服務(wù)器在計(jì)算機(jī)注冊(cè)表中，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)，則會(huì)自動(dòng)建立連接，如果點(diǎn)擊之后彈出報(bào)警彈窗，則代表著計(jì)算機(jī)中并沒有設(shè)置服務(wù)器，需要選擇相應(yīng)的選項(xiàng)建立連接。如果計(jì)算機(jī)中設(shè)置了服務(wù)器但是沒有連接成功的話，則需要繼續(xù)嘗試直到連接成功為止。服務(wù)器連接成功之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立并默認(rèn)為缺省組，當(dāng)然了，如果想要建立自定義組的話，可通過手動(dòng)設(shè)置完成。這樣一來，便可以完整地獲取這一組中的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)。在需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取時(shí)，可借助這一程序，在已經(jīng)清空的列表中將需要讀取的數(shù)據(jù)全面地顯示出來。如果需要對(duì)一些程序進(jìn)行編寫的話，通過選定需要改變的變量，在寫入編輯框中添加需要編寫的數(shù)據(jù)信息。值得注意的是，不論是讀取數(shù)據(jù)，還是編寫數(shù)據(jù)，在進(jìn)行過程中都不可將該程序退出來，要待這些讀寫操作全部完成之后，才能進(jìn)行程序退出的操作。退出程序之后，OPC 服務(wù)器便斷開與系統(tǒng)的連接，隨著相關(guān)資源的釋放，代表著相應(yīng)的讀寫操作就此完成。這樣一來，PC 端便可以將數(shù)字孿生模型與PLC 數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行虛擬調(diào)試[2]。在開發(fā)集成控制軟件時(shí)應(yīng)用多線程技術(shù)，可以提高該軟件的執(zhí)行效率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理利用。該軟件開辟了A、B、C 3 個(gè)線程，其中A 線程的任務(wù)，主要是用來控制PC 機(jī)與機(jī)器人之間的通訊。當(dāng)機(jī)器人與A 線程建立連接之后，不僅可以獲取與機(jī)器人相關(guān)的所有信息數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以對(duì)機(jī)器人RAPID 加工程序進(jìn)行遠(yuǎn)程讀取、加載和調(diào)用；B 線程的任務(wù)主要負(fù)責(zé)連接OPC 服務(wù)器，以對(duì)OPC 組屬性進(jìn)行修改和獲取。同時(shí)還可以獲取OPC 項(xiàng)的詳細(xì)信息，以對(duì)OPC 項(xiàng)中的具體信息加以修改和獲??；C 線程主要負(fù)責(zé)的任務(wù)是連接所有監(jiān)控設(shè)備，不僅支持畫面截屏功能，還支持錄像功能，從而對(duì)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。不同的線程無法同時(shí)操作同一個(gè)對(duì)象，如果執(zhí)意操作的話，容易增加程序運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)，情況嚴(yán)重的話，甚至還會(huì)使整個(gè)程序陷入癱瘓狀態(tài)。線程同步技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問題，通過使用互斥鎖排他的方式，避免共享對(duì)象被多個(gè)線程同時(shí)訪問[3]。機(jī)器人線程與PLC線程對(duì)集成控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的讀取同步的邏輯關(guān)系如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人線程與PLC 線程同步邏輯圖

2 虛擬調(diào)試

虛擬調(diào)試的目的是為了讓相關(guān)工作人員對(duì)一些重要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行完整的獲取，以全面了解整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)為相關(guān)工作人員直觀了解系統(tǒng)運(yùn)行的具體情況提供便利。除此之外，虛擬調(diào)試有助于相關(guān)人員對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行同時(shí)設(shè)計(jì)。在調(diào)試過程中，通過及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中的障礙，讓系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)更加完善。實(shí)現(xiàn)虛擬測(cè)試，自然離不開系統(tǒng)模型的支持，當(dāng)然，構(gòu)建系統(tǒng)模型還需要借助NX MCD 平臺(tái)，調(diào)試過程中，還需要運(yùn)用集成控制軟件[4]。

2.1 機(jī)器人焊接工作站的虛擬調(diào)試

構(gòu)建機(jī)器人焊接工作站的主要設(shè)施包括1 臺(tái)IRR6700-175-305 型機(jī)器人和3 臺(tái)IRB1600-6-145型機(jī)器人，并在工作站的外圍配置一些必要的設(shè)施，包括控制柜、固定柱等設(shè)施。IRR6700-175-305 型機(jī)器人的主要功能是夾持待加工工件，并將這些工件搬運(yùn)至焊接區(qū)，因而需要將該機(jī)器人固定在地面底座上。IRB1600-6-145 型機(jī)器人在待加工工件焊接過程中發(fā)揮著協(xié)同控制作用，通過對(duì)工件焊接工作進(jìn)行多方位協(xié)助，以提高焊接工作的效率和質(zhì)量。因此，在布置這3 臺(tái)機(jī)器人的位置時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)這3 臺(tái)機(jī)器人的位置進(jìn)行合理設(shè)置。機(jī)器人控制器的執(zhí)行程序主要由RAPID 語言編寫而成。程序開始執(zhí)行時(shí)，會(huì)對(duì)各個(gè)機(jī)器人的起始位置進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到在起始位置，那么這4 臺(tái)機(jī)器人均會(huì)處于等待狀態(tài)，其中IRR6700-175-305 型機(jī)器人會(huì)將加工工件搬運(yùn)到加工位置，之后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到待加工工件到達(dá)加工位置時(shí)，3 臺(tái)IRB1600-6-145 型機(jī)器人則會(huì)從之前的等待狀態(tài)進(jìn)入到工作狀態(tài)，開始對(duì)工件上表面進(jìn)行加工。當(dāng)這些工件的上表面加工完畢之后，這3 臺(tái)機(jī)器人會(huì)自動(dòng)回到起始位置，重新進(jìn)入到等待狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到3 臺(tái)IRB1600-6-145 型機(jī)器人均回到起始位置后，IRR6700-175-305 型機(jī)器人會(huì)將工件的上表面翻轉(zhuǎn)至下表面，之后進(jìn)入等待狀態(tài)。這時(shí)3 臺(tái)IRB1600-6-145 型機(jī)器人則會(huì)由現(xiàn)在的等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，開始對(duì)工件進(jìn)行下表面的加工。當(dāng)這些工件的下表面全部加工完畢之后，3 臺(tái)IRB1600-6-145型機(jī)器人則會(huì)返回到最初的起始位置，之前的工作狀態(tài)在機(jī)器人返回到起始位置后重新轉(zhuǎn)換為等待狀態(tài)，準(zhǔn)備迎接下一個(gè)加工任務(wù)的到來。這個(gè)時(shí)候，IRR6700-175-305 型機(jī)器人會(huì)向起始位置運(yùn)送加工完成的工件，它的運(yùn)行狀態(tài)也由之前的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為等待狀態(tài)。這就是自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)線的整個(gè)加工流程。想要系統(tǒng)與建立完成的機(jī)器人焊接工作站建立連接，還需要借助集成控制軟件的支持，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人焊接工作站虛擬構(gòu)建數(shù)字孿生模型，對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行虛擬調(diào)試。在進(jìn)行虛擬調(diào)試過程中，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理之處，如機(jī)器人的位置不合理、相關(guān)程序存在運(yùn)行問題等，則可以結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行合理調(diào)整，確保工件加工工作順利高效的進(jìn)行。

2.2 生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試

自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)線的搭建需要借助NX MCD 平臺(tái)，通過建立PLC 和OPC 服務(wù)器之間的連接，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)線一共包括5 個(gè)單元，分別是貨物分揀單元、AGV 小車單元、貼標(biāo)單元、自動(dòng)化立體倉庫單元和機(jī)器人拆垛單元，不同單元承擔(dān)著不同的任務(wù)和功能。

貨物分揀單元主要由4 個(gè)部分構(gòu)成，包括輸送帶、荷載生成器、鏈?zhǔn)揭圃詸C(jī)、傳感器等。貨物產(chǎn)生過程中，貨物分揀單元中的荷載生成器可對(duì)其進(jìn)行模擬。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過控制鏈?zhǔn)揭圃詸C(jī)，可以將不同顏色的貨物放置在輸送帶上。

小車（AGV）單元也是由4 個(gè)部分構(gòu)成，包括AGV小車、導(dǎo)軌、車輛控制器和目標(biāo)選擇控制器，為了提高工作效率，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，在貨物運(yùn)輸方面可以配備2 臺(tái)以上的AGV 小車。

貼標(biāo)單元的任務(wù)是在貨物表面的指定位置上準(zhǔn)確地貼上條形碼。傳感器在這一單元運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用，通過傳感器對(duì)貨物進(jìn)行檢測(cè)，隨即自動(dòng)完成條形碼的粘貼任務(wù)。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的貨架是自動(dòng)化立體倉庫單元的重要組成部分，貨架的尺寸不是隨意定制的，而是需要根據(jù)貨物的規(guī)格與大小進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定制，以便更好地滿足貨物存放需求。巷道堆垛起重機(jī)主要負(fù)責(zé)貨物的存取放工作，也是這一單元的重要構(gòu)成部分。對(duì)自動(dòng)化立體倉庫單元的管理，主要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)PLC 與機(jī)器人集成控制主要是通過集成控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的，通過連接OPC 服務(wù)器和PLC，搭建NX MCD 平臺(tái)。自程序開啟之后，荷載生成器會(huì)隨著程序的開啟而自動(dòng)生成貨物，而輸送帶也會(huì)在程序開啟之后開始運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)時(shí)候，貨物會(huì)隨著輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)接觸到傳感器，而傳感器具有辨別顏色的功能，可以對(duì)貨物的顏色進(jìn)行準(zhǔn)確的辨別。如果貨物的顏色為藍(lán)色時(shí)，移栽機(jī)則不會(huì)做出任何的動(dòng)作；如果貨物的顏色為綠色時(shí)，移栽機(jī)則會(huì)上升，輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)則會(huì)開始正轉(zhuǎn)；如果貨物的顏色為棕色時(shí)，移栽機(jī)也會(huì)上升，與之前不同的是，輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向是發(fā)轉(zhuǎn)。當(dāng)藍(lán)色貨物在傳輸過程中觸碰到貼標(biāo)傳感器時(shí)，貼標(biāo)傳感器可以對(duì)貨物的顏色進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，如果識(shí)別到貨物的顏色為指定顏色時(shí)，便會(huì)在貨物指定粘貼條形碼的位置上，自動(dòng)地將條形碼粘貼上去。貨物粘貼完條形碼之后，會(huì)隨著輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)來到傳感器的尾部，整個(gè)貨物傳送程序就此完成，而輸送帶電動(dòng)機(jī)也會(huì)就此自行停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將相應(yīng)的消息指令傳輸給AGV 小車。接收到指令之后，小車（AGV）可以對(duì)輸送帶上是否有需要等待運(yùn)送的貨物進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。如果檢測(cè)到貨物輸送帶上有貨物滯留，便會(huì)將貨物輸送帶上的貨物自行裝好，然后將這些貨物運(yùn)送至倉庫中空閑的入庫平臺(tái)上。這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)會(huì)對(duì)入庫平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，以查看平臺(tái)上是否有儲(chǔ)存的貨物，如果檢測(cè)到有貨物等待儲(chǔ)存的話，會(huì)將相應(yīng)的指令傳送至巷道式堆垛起重機(jī)，由該設(shè)備將貨物存儲(chǔ)到倉庫的空貨架上。如果將出庫命令發(fā)送至自動(dòng)化立體倉庫時(shí)，巷道式堆垛起重機(jī)會(huì)將需要出庫的貨物從倉庫中取出來，之后在出庫平臺(tái)上擺放出庫的貨物。這個(gè)時(shí)候，AGV 小車會(huì)對(duì)出庫平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，以查看平臺(tái)上是否有需要運(yùn)送的貨物，如果檢測(cè)到有貨物正在等待運(yùn)輸時(shí)，便會(huì)自動(dòng)將這些貨物運(yùn)送至拆垛輸送帶上，最后向拆垛機(jī)器人所在的位置運(yùn)送這些貨物。當(dāng)拆垛機(jī)器人檢測(cè)到需要拆垛的貨物，會(huì)自動(dòng)在貨物的傳動(dòng)帶上放置這些需要被拆垛的貨物，生產(chǎn)線的整個(gè)生產(chǎn)流程就此結(jié)束。

2.3 虛擬調(diào)試中存在的問題及解決方法

在虛擬調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)分揀貨物環(huán)節(jié)存在著一些問題，主要表現(xiàn)為：一是不同顏色的貨物經(jīng)過鏈?zhǔn)揭圃詸C(jī)時(shí)，傳感器并沒有對(duì)這些貨物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，以至于輸送帶電動(dòng)機(jī)始終保持運(yùn)行狀態(tài)；二是只能識(shí)別兩種顏色的貨物。之所以出現(xiàn)這些問題，是因?yàn)樘菪螆D程序的設(shè)計(jì)缺乏一定的合理性，如果這些問題出現(xiàn)在實(shí)際調(diào)試中，那么勢(shì)必會(huì)對(duì)設(shè)備造成不同程度的損壞。而虛擬測(cè)試則很好地解決了這些問題。通過虛擬測(cè)試，可以將這些異常情況進(jìn)行有效規(guī)避，同時(shí)針對(duì)運(yùn)行過程中存在的問題，可以及時(shí)制定與之相應(yīng)的解決方法，保障設(shè)備始終維持良好運(yùn)行狀態(tài)。

其次，AGV 小車裝卸貨目標(biāo)選擇出錯(cuò)。生產(chǎn)線的實(shí)際情況非常復(fù)雜，對(duì)AGV 小車的應(yīng)用有著較高要求，這是因?yàn)锳GV 小車的目標(biāo)選擇非常的重要。在裝卸貨過程中，比較容易出現(xiàn)一些不符合操作流程的行為，如AGV 小車從倉庫的出庫平臺(tái)取貨后直接放到入庫平臺(tái)等情況。想要對(duì)這一問題進(jìn)行有效解決，可以將兩個(gè)目標(biāo)選擇控制器添加到小車單元（AGV）中。其中一個(gè)控制器用來監(jiān)視貼標(biāo)單元輸送出來的貨物，另一個(gè)控制器則是用來監(jiān)視倉庫單元輸送出來的貨物，然后將這些貨物準(zhǔn)確地傳送至拆垛單元輸送帶上。控制貼標(biāo)單元的控制器有兩個(gè)控制點(diǎn)，其中一個(gè)用來連接貼標(biāo)單元輸送帶的末端，另一個(gè)連接進(jìn)庫平臺(tái)，同時(shí)將Targets 控制點(diǎn)連接拆垛輸送帶。啟動(dòng)PLC 程序之后，PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)可通過OPC 客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程讀寫，這樣一來，便可以有效控制系統(tǒng)模型的運(yùn)行，經(jīng)過虛擬調(diào)試證實(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的各單元模塊均處于良好運(yùn)行狀態(tài)[5]。

3 結(jié)束語

綜上所述，將集成控制系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)線中，可對(duì)機(jī)器人和PLC 建立集成通訊。集成控制軟件的開發(fā)，可對(duì)機(jī)器人焊接工作站虛擬構(gòu)建數(shù)字孿生模型，對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行虛擬調(diào)試。對(duì)于各模塊間的信息交互機(jī)線程分配問題，多線程編程技術(shù)對(duì)此進(jìn)行了有效解決。通過虛擬調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)并解決PLC 編程與系統(tǒng)模型中的一些問題，從而將設(shè)備運(yùn)行中的各種異常情況進(jìn)行有效規(guī)避。