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今天我們分享TIAV17+PLCSIM+PS+SIMIT：自動化仿真系統(tǒng)搭建實踐。

產(chǎn)線虛擬調試解決方案，是數(shù)字化雙胞胎技術的應用拓展，可實現(xiàn)產(chǎn)線在實際投入生產(chǎn)或集成之前，即可在虛擬環(huán)境中進行仿真及測試，通過將產(chǎn)線的機械、自動化、電氣系統(tǒng)的仿真技術結合，打造產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中即可對產(chǎn)線進行全方位的仿真及調試，助力企業(yè)縮短產(chǎn)線設計與調試周期，降低風險，節(jié)約成本，提升質量與靈活性。

產(chǎn)線虛擬調試解決方案基于 Process Simulate（簡稱PS），PLCSIM Advanced/SIMATIC PLC，TIA , SIMIT等軟硬件產(chǎn)品，通過將上述產(chǎn)品組合使用，搭建產(chǎn)線虛擬調試平臺，通過將機械、電氣、自動化多學科協(xié)同并行的設計方法，可集成上游和下游工程領域，包括需求管理、機械設計、電氣設計以及軟件/ 自動化工程，使這些學科能夠同時工作，專注于包括機械部件、傳感器、驅動器、PLC 程序設計、運動控制和機器人程序的設計。

目前產(chǎn)線的虛擬調試解決方案已經(jīng)成功的應用于汽車、電池、電子、物流等行業(yè)，通過軟硬件一體的解決方案，利用Process Simulate和 PLCSIM Advanced等軟件，打造產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，在產(chǎn)線規(guī)劃階段驗證PLC 程序和機器人運動，通過 TIA Portal建立標準庫，將工程模塊標準化并重復利用，在設計期間完成對設計過程和工藝布局進的驗證，減少調試時間，提高產(chǎn)品上市速度，避免傳統(tǒng)調試的安全隱患和過高的人員成本，提高工程質量。

一、仿真的發(fā)展過程

通常情況下，數(shù)字化工廠生產(chǎn)線建設周期長、投資大、自動化控制邏輯復雜，現(xiàn)場調試的難度與工作量比較多。按照常規(guī)生產(chǎn)線建設規(guī)律，越早發(fā)現(xiàn)問題，整改的成本就越低，因此有必要在生產(chǎn)線正式生產(chǎn)、安裝和調試之前，在虛擬環(huán)境下對生產(chǎn)線進行模擬調試，解決生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC程序控制等問題。在模擬調試完成之后，再把調試好的程序移植到真實的生產(chǎn)線上。

通過在Process simulate導入或創(chuàng)建產(chǎn)線的三維模型，對模型進行運動和人機料屬性配置，可以對線體進行仿真驗證，如生產(chǎn)單元布局、工藝邏輯、機器人運動及干涉等，避免機器人運動時與其他設備干涉，優(yōu)化機器人程序出離線減少現(xiàn)場機器人調試時間；對裝配工藝進行虛擬驗證，發(fā)現(xiàn)裝配工藝設計問題并迭代，提高工藝現(xiàn)場可行性；人因工程分析在裝配過程中的人機交互過程，優(yōu)化工位布局及工裝，消除潛在的操作風險，確保工人工作身心安全。需要對產(chǎn)線上的關鍵工位進行數(shù)字孿生方面的虛擬調試，虛擬調試是基于控制信號對系統(tǒng)進行模擬仿真的技術。模擬和分析控制線體自動化設備及安全聯(lián)鎖功能的PLC程序、人機控制、I/O信號，并使用各種“假設分析”方案執(zhí)行系統(tǒng)診斷，確保正確的機械操作順序及聯(lián)動控制邏輯，為后期產(chǎn)線在線調試提供較為準確的基礎數(shù)據(jù)，提高在線調試通過率、降低風險。

二、虛擬調試軟件安裝

在產(chǎn)線虛擬調試中用到軟件Tecnomatix 2301、TIA V17、 PLCSIM Advanced 4.0、SIMIT 10.3版本軟件。（具體安裝過程可以參考B站對應軟件安裝教程）

產(chǎn)線虛擬調試平臺包含的工具軟件

借助西門子Tecnomatix軟件進行仿真驗證，基于軟件運行的模式仿真場景可通過與Tecnomatix集成方式或獨立運行方式進行構建，在基于Tecnomatix集成模式時，從Tecnomatix中將工藝結構、產(chǎn)品模型、工藝資源模型、人體模型等一鍵加載到Process Simulate中，在此過程中，系統(tǒng)自動調用相關的轉換工具，并按照工藝結構中對象的屬性設置所導入數(shù)據(jù)的類型，如零件、資源等，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類管理，而后進行工藝仿真和人體仿真。

Tecnomatix軟件界面

TIA博途采用此新型、統(tǒng)一軟件框架，可在同一開發(fā)環(huán)境中組態(tài)西門子的所有可編程控制器、人機界面和驅動裝置。在控制器、驅動裝置和人機界面之間建立通信時的共享任務，可大大降低連接和組態(tài)成本。例如，用戶可方便地將變量從可編程控制器拖放到人機界面設備的畫面中。然后在人機界面內(nèi)即時分配變量，并在后臺自動建立控制器與人機界面的連接，無需手動組態(tài)。

TIA V17軟件界面

PLC高級仿真器（SIMATIC S7-PLCSIM Advanced）可以作為虛擬控制器對 S7-1500或 ET200SP CPU的功能進行全方位仿真。通過它可以在電腦中虛擬出一臺 PLC，它不僅可以實現(xiàn)對PLC基本的程序邏輯模擬，還可以仿真通訊，安全程序等功能；通過 PLCSIM Advanced，可以實現(xiàn)在電腦中虛擬出PLC，用于PLC仿真調試，如果有觸摸屏或監(jiān)控系統(tǒng)，還可以與 TIA Portal WinCC Runtime和經(jīng)典WinCC進行通訊聯(lián)調；并且，它可以連接到NX Mechatronics Concept Designer，SIMIT等仿真軟件，進行聯(lián)合仿真調試，從而對PLC程序進行全面驗證。同時，它支持開放式的應用程序編程接口(API)，可以用于將虛擬PLC連接到其他軟件，或其他高級語言編寫的應用。

PLCSIM Advanced 4.0軟件界面

SIMIT的全稱是SIMIT Simulation Framework簡稱SIMIT。一款直觀易用且運行高效的自動化項目安裝測試系統(tǒng)。SIMIT仿真測試自動化工程組態(tài)，實現(xiàn)虛擬調試。對于虛擬調試而言，可以早期進行故障排除，縮短調試時間，減少對硬件的損害，將實際調試時間縮短 75％，總上市時間縮短15％；操作員培訓（OTS）使用模擬模型培訓與自動化系統(tǒng)的交互，對于操作員培訓而言，可以培訓操作員如何在異常情況下做出反應，以減少潛在事故。通過安全、高效的工廠運營，增加生產(chǎn)天數(shù)，確保提高利潤和業(yè)務績效。

SIMIT仿真系統(tǒng)支持四層系統(tǒng)仿真：

控制層仿真

信號層仿真

設備層仿真

工藝層仿真

SIMIT的更多優(yōu)勢：

卓越的易用性和設計便捷性

高度靈活的組態(tài)方式與開放性

高設計效率

良好的可擴展性和互操作性

Simit 軟件界面

三、PLC實例創(chuàng)建方式

應用PLCSIM Advanced可以仿真PLC程序，另外除了類似于 PLCSIM 的 Softbus 通信,先進的PLCSIM Advanced 提供了一套完整的以太網(wǎng)連接方式，包括分布式通信方式，例如 PLCSIM Advanced與真實PLC或者HMI通信，PLCSIM Advanced同時預留了用戶接口(API),利用它可以同用戶 C++/C#程序或者仿真軟件交互。

PLCSIM Adv.（后面 PLCSIM Advanced 簡稱為 PLCSIM Adv.）可用新建多個PLC實例，一個PLC實例可用認為是一個虛擬的 PLC, PLCSIM Adv.的PLC 實例可用通過 Softbus 或者“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”虛擬網(wǎng)卡進行通信。

（1）Softbus 是一種內(nèi)部總線，只能實現(xiàn)PLCSIM Adv.實例與同一臺 PC 中的另一個 PLCSIM Adv.實例、TIA PORTAL軟件、仿真 HMI等的通信。

（2）應用“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”虛擬網(wǎng)卡進行通信，PLCSIM Adv.實例的通信對象既可以在同一臺 PC 或者虛擬機內(nèi)，也可以在不同的PC或者虛擬機內(nèi)。

TIA Portal與PLCSIM Adv.的基本通信方式分為三種情況：

方式 1：通過 Softbus 的方式訪問 PLCSIM Adv.中的實例，這種情況 TIA Portal與PLCSIM Adv.安裝于同一個 PC 或者虛擬機內(nèi)，通信接口選擇 PLCSIM。

方式 2：通過 PLCSIM Adv.的虛擬網(wǎng)卡訪問 PLCSIM Adv.實例，同時 TIA Portal與PLCSIM Adv.安裝于同一個 PC 或者虛擬機內(nèi)。

方式 3：同樣通過 PLCSIM Adv.的虛擬網(wǎng)卡訪問 PLCSIM Adv.實例，但是 TIA Portal 與 PLCSIM Adv.安裝于不同 PC 或者虛擬機內(nèi)。

下面依次說明下 TIA Portal 與 PLCSIM Adv.的三種通信方式如何操作：

方式1：點擊桌面 PLCSIM Adv.圖標，啟動 PLCSIM Adv.,本例是 S7-PLCSIM Advanced V4.0，如圖所示，在線問方式為 PLCSIM，點擊“Start Vitual S7-1500 PLC”前面 箭頭。輸入“Instance name”,隨后點擊“Start”,用同樣的方法可以創(chuàng)建多個實例 PLC。

在TIA portal 內(nèi)新建項目，通過“添加新設備”新添加 1500PLC 設備，在項目上點擊右鍵選擇“屬性”在“保護”的選項卡里勾選“塊編譯時支持仿真”，如圖所示。

在博圖軟件中新建項目選擇支持仿真

點擊TIA 內(nèi)下載按鈕，通過 Softbus 的下載方式,TIA Portal 會自動為客戶選擇好 PG/PC 接口（PG/PC:PLCSIM），在“下載預覽”的窗口選擇“裝 載”，在下載結果窗口內(nèi)選擇“啟動模塊”并點擊“完成”。此時TIA Potal項目就成功裝載如PLCSIM Adv.內(nèi)，接下來可以實現(xiàn)程序邏輯的在線監(jiān)控了。

下載程序到 PLCSIM Adv

方式2：此種方式，如圖所示，PLCSIM Adv.與TIA Portal 仍然安裝于同一臺PC或者虛擬機上，但在線訪問切換至“PLCSIM Virtual Eth.Adapter”側，點擊“Start Virtual S7-1500 PLC”展開實例的設置界面，設置實例名稱，IP 地址，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關，PLC類型后，點擊“Start”。修改實例內(nèi)容，用同樣的方法可以創(chuàng)建多個實例 PLC。

應用 PLCSIM Adv.虛擬網(wǎng)卡的在線訪問方式創(chuàng)建實例

打開電腦內(nèi)以太網(wǎng)卡設置頁面，找到名為“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”的網(wǎng)卡適配器的屬性界面，如圖所示，修改其IP地址與PLCSIM Adv.為同一網(wǎng)段。

置 PLCSIM Adv.虛擬網(wǎng)卡與PLCSIM Adv.實例同一網(wǎng)段

點擊下載按鈕，如圖所示，在 PG/PC 接口選擇“Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”,點擊“開始搜索”，選中搜索到的PLC,點擊“下載”，如圖所示，在“下載預覽”的窗口選擇“裝載”，在下載結果窗口內(nèi)選擇“啟動模 塊”并點擊“完成”。此時TIA Potal項目就成功裝載如PLCSIM Adv.內(nèi)，接下來可以實現(xiàn)程序邏輯的在線監(jiān)控了。

PLC程序下載PLCSIM Adv.實例中

方式3：此種方式 PLCSIM Adv.與TIA protal安裝在不同的 PC內(nèi)或者不同的虛擬機內(nèi)，此種方式TIA Portal最接近操作真實 PLC。如圖所示,此時要確保 PC1 中“PLCSIM Virtual Eth.Adapter”與PC1中網(wǎng)卡“屬性”中的“Siemens PLCSIM Virtual Switch”勾選（此選項 PLCSIM Adv.4.0 安裝默認勾選）。

下載方式示意圖

首先如圖所示在安裝有PLCSIM Adv.的電腦(PC1)中進行配置，將PLCSIM Adv.在線訪問切換至“PLCSIM Virtual Eth.Adapter”側，點擊“Start Virtual S7-1500 PLC”展開實例的設置界面，設置實例名稱，IP 地址，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關，PLC 類型后， 點擊“Start”。修改實例內(nèi)容，用同樣的方法可以創(chuàng)建多個實例 PLC。

應用 PLCSIM Adv.虛擬網(wǎng)卡的在線訪問方式創(chuàng)建實例

在安裝有TIA Potal 的電腦(PC2)內(nèi)以太網(wǎng)卡設置頁面，找到與PC1 連接的網(wǎng)卡如圖所示，此例中此網(wǎng)卡名為“Intel(R) Ethernet Connection (7) I219-LM”（注意不同的電腦的網(wǎng)卡名字可能不同）的網(wǎng)卡適配器的屬性界面，修改其IP地址與 PLCSIM Adv.的PLC實例為同一網(wǎng)段。此時通過PC2內(nèi)的“ping 192.168.0.1”命令可以成功得到PC1內(nèi)PLC實例的回復。

設置本地網(wǎng)卡與 PLCSIM Adv.實例同一網(wǎng)段

點擊下載按鈕，PG/PC 接口選擇與 PC1 相連接的網(wǎng)卡，如圖 12 所示，本 例為“Intel(R) Ethernet Connection (7) I219-LM”,點擊“開始搜索”，選中搜索 到的 PLC,點擊“下載”， 如圖所示，在“下載預覽”的窗口選擇“裝載”，在下載結果窗口內(nèi)選擇“啟動模塊”并點擊“完成”。此時TIA Potal項目就成功裝載如PLCSIM Adv.內(nèi)，接下來可以實現(xiàn)程序邏輯的在線監(jiān)控了。

PG/PC 接口選擇

四、PDPS與PLCSIM Advanced連接方式

PS與PLC數(shù)據(jù)進行通訊的過程，PLC將程序下載到PLCSIM Advanced中去，PS通過外部連接接口對PLCSIM Advanced進行實時訪問，這樣PLC中的信號可以控制PS設備按照其邏輯進行相應的動作和是否啟動機器人相關程序等，同時PS也將設備運行到達的狀態(tài)通過相關信號反饋給PLCSIMAdvance,以滿足邏輯需要。

在PS中選擇PLCSIM Advanced連接

TIA博途里面編寫好PLC程序，并把它已SDF格式導出

在博圖中變量表信號以SDF格式導出去

即使導入數(shù)千個信號，該命令也能流暢快速地運行。將文件中的信號作為原始數(shù)據(jù)加載后，可以在導入信號之前對其進行操作以獲得最佳結果。該命令可識別電子表格文件（*.xls、*.xslx、*.xslm、*.csv）和文本文件（來自TIAportal導出的*.sdf、*.txt和任何其他文本文件）。下表列出了可識別的信號類型并注明了它們的等效過程模擬名稱。

選擇控制選項卡→映射組→導入信號。或者在信號查看器中，單擊。

導入信號表（在原始數(shù)據(jù)表下方）包含SignalName、Type、Address和Comment列。這些是將信號導入ProcessSimulate時所需的信號屬性（注釋是可選的）。通常，原始數(shù)據(jù)不會以這種方式格式化，如以下示例所示。

將相關列從原始數(shù)據(jù)表拖動到導入信號表。

在PS中導入博圖導出的變量表分別拖入對應的表格中就完成了

所有變量導入PS里面來，產(chǎn)線設備與變量一一對應起來，運行仿真，在博途軟件里面用HMI界面控制設備運行成功與否。調試過程中傳感器能夠感應正確的零件，反饋信號地址正確；設備邏輯塊按照其功確定是否需要反饋至PLC；零件流正確，無重復，冗余，或錯誤工位出現(xiàn)零件；零件與載具的負載關系正常，抓手抓放，夾具負載零件運動等動作中零件無丟失及位移；零件產(chǎn)生由邏輯控制，不會出現(xiàn)VC啟動后零件不受控的狀況。配合西門子TIA Portal博途和PLCSim Advanced虛擬PLC或者PLC硬件設備集成一體的虛擬調試在軟件中虛擬設計測試信號邏輯和反饋；能試運行說明虛擬調試成功，否則檢查變量與信號的關系，重新調整設置。

虛擬調試界面

總結

虛擬調試系統(tǒng)可分Software inLoop(SIL)與Hardware inLoop(HIL)兩類環(huán)境。SIL把所有設備資源虛擬化，由虛擬控制器VRC、虛擬HMI、虛擬PLC模擬器、虛擬訊號及算法軟件等等進行模擬仿真。HIL則是把全部設備硬件連接到仿真環(huán)境中，使用真實物理控制器、真實HMI、真實的I/O訊號與虛擬環(huán)境交互仿真。在SIL環(huán)境中驗證通過后，可替換任一虛擬資源為真實設備，進行部分驗證，最終全替換為HIL，完成物理與虛擬映射的調試。

借助S7-PLCSIM Advanced工具實現(xiàn)TIA博途與Tecnomatix的聯(lián)合虛擬調試，不需要真實的PLC硬件，即可完成PLC程序調試和生產(chǎn)線仿真驗證。此種方式只需一臺PC即可完成聯(lián)合調試工作，不需要復雜的設置。運用聯(lián)合虛擬調試相較于基于傳統(tǒng)可編程控制器的調試具有以下優(yōu)點.

a.縮短了現(xiàn)場調試周期，減少停產(chǎn)時間；

b.更好的PLC程序和機器人軌跡質量，并可重復測試；

c.在室內(nèi)即可完成調試，對現(xiàn)場工程師的技能要求降低；

d.降低了調試成本；

e.在虛擬環(huán)境中測試程序，驗證干涉區(qū)，降低碰撞事故與風險。

審核編輯：湯梓紅