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摘要：为实现以虚拟设备替代真实设备完成教学任务和教学目的，借助数字孪生技术，通过Process Simulate软件加载所需工业机器人模型并安装设置机器人控制器，完成工业机器人程序编写和调试，同时借助PLCSIM Advanced建立软件与PLC间的通信完成工业机器人相关产线PLC程序的编写，最终通过编写的自动化程序完成工艺流程验证和程序的下载。实践结果表明，与机器人自带的仿真软件程序相比，借助Process Simulate编写的机器人程序精度、效率更高，兼容多品牌机器人程序。在实现教学目的和教学任务的同时，更加安全和高效，所提方法有很强的实用性和推广价值。
关键词：数字孪生技术；机器人程序编写；PLCSIM Advanced；高精度；实用性
0引言
针对部分高校实训室学生多设备少的教学现状[1]，为实现以虚拟设备替代真实设备完成教学任务和教学目的，在Process Simulate软件中加载工业机器人和自动化产线的三维模型，加载完成后安装并设置机器人控制器以及对自动化产线模型进行编辑、信号创建以及信号映射[2]，再通过PLCSIM Advanced连接Process Simulate与博图（TIA）编程软件，实现两者之间的通信[3]，最终借助博图软件实现自动化产线程序编写、调试以及下载。利用Process Simulate软件开展的机器人编程比传统的机器人编程效率更高、精度更高[4]。所提方法实现了使用虚拟设备替代真实设备，完成教学任务和教学目的，最终在实验室设备不足的情况下提供了新的教学解决方案，为国家培养大量的优秀数字化复合型人才。
本文以自主设计研发的“1+X生产线数字化高级设备”机器人工作站为例，详细讲解借助Process Simulate软件实现机器人产线的程序编写，如创建光电传感器、机运线信号和物料信号，以及机器人程序的编写等，并给出了Process Simulate与PLC信号交互的设置。最后展望了Process Simulate基于产线的应用趋势。
1结构分析及工艺流程分析
“1+X生产线数字化高级设备”机器人工作站的主要组成部分如图1所示。其中①为不合格品暂存区；②为半成品放置区；③为白色PVC运输块终点位置；④为白色PVC运输块开始位置；⑤为黑色PVC运输块终点位置；⑥为黑色PVC运输块开始位置；⑦为工业机器人（可为UR机器人、KUKA机器人、ABB机器人）。
机器人工作站主要实现不合格品和黑白PVC运输块的搬运入库，当①不合格暂存区被放置产品后，同时满足机器人在原点位置，这时PLC给机器人第七轴伺服驱动器发送位置数据，将机器人带动至目标位置实现不合格品的搬运，将不合格品搬运至②半成品放置区。
当④白色PVC运输块开始位置没有运输块，同时③⑤处有运输块时，机器人移动至③白色PVC运输块终点位置将白色运输块搬运至④处，当⑥黑色PVC运输块开始位置没有运输块，同时④⑤处有运输块时，机器人移动至⑤黑色PVC运输块终点位置将黑色运输块搬运至⑥处。
通过工艺分析后确定机器人工作站需要创建4个机器人搬运子程序和1个机器人回原点子程序。
2 Process Simulate应用设计
2.1光电传感器的创建
机器人工作站需要创建光电传感器实现物料的检测[5]，不合格品检测处需创建1个光电传感器，白色PVC运输块皮带运输末端、黑色PVC运输块皮带运输末端各创建1个光电传感器、不合格品料仓处需创建1个光电传感器、白色PVC运输块料仓处以及黑色PVC运输块料仓处各创建1个光电传感器，创建步骤如下：
（1）在不合格品检测处创建一个光电传感器。在“资源”中选中任意对象→“控件”→“传感器”→“创建光电传感器”。
（2）在不合格品检测处编辑光电传感器信号，设置步骤如图2所示。选中①修改传感器名称，修改为light_sensor_BuHeGe→②修改直径→③修改宽度→④修改长度→⑤检查干涉的对象→选择⑥中的所有对象→⑦点击确定，主要作用实现对不合格品的检测，修改完参数后，利用“重定位”指令和“放置操纵器”指令实现传感器的移动和旋转，完成最终的传感器位置安装[6]。
（3）白色PVC运输块皮带运输末端传感器的创建、黑色PVC运输块皮带运输末端传感器的创建、白色PVC运输块料仓处以及黑色PVC运输块料仓处光电传感器的创建均可参照不合格品检测处光电传感器的创建方式。
2.2机运线信号的创建
通过机运线开始信号控制机器人将不合格品、PVC白色运输块以及PVC黑色运输块搬运至料仓，使物料沿着料仓滑落。同时不合格品沿着运输皮带的运输也通过机运线开始信号控制。因此，需要创建4条机运线控制物料的移动。4条机运线的创建步骤类似2.1节，在软件中按照机运线创建步骤完成4条机运线控制信号的创建。
2.3物料流信号的创建
在机器人工作站需创建白色不合格物料、黑色不合格物料、金属不合格物料、白色PVC运输块以及黑色PVC运输块的出现信号和消失信号，同时需要给每组物料出现信号和消失信号赋予名称，在软件中按照物料流信号的创建步骤完成物料出现信号和消失信号[7]，创建后的物料流信号如图3所示。
2.4机器人程序编写
在Process Simulate软件中加载工业机器人工作站三维模型后安装并设置机器人控制器可完成机器人的程序编写。在“1+X生产线数字化高级设备”机器人工作站中机器人根据产线需要可选择使用UR机器人、KU⁃KA机器人以及ABB机器人，由于ABB机器人借助Process Simulate软件离线编程较为成熟且应用市场较为广泛，因此以ABB机器人的离线编程[8]为例进行讲解。通过工艺流程分析得知需创建4个机器人搬运子程序和1个机器人回原点子程序，4个机器人搬运子程序为Robot1、Placeleft、Robot2、Robot3，一个机器人回原点子程序HOME，结合机器人工作站的运行逻辑关系，借助Process Simulate软件的离线编程命令编写机器人程序，编程完成后可下载到真实机器人控制器中，程序如图4所示。
3 Process Simulate与PLC信号交互
3.1信号映射
（1）打开S7-PLCSIM Advanced 3.0并进行正确设置，如图5所示。
（2）博图软件设置。
打开博图软件，创建一个名称为“机器人工作站”的项目，并添加一个1500PLC的CPU，添加完CPU后需在博图软件中进行有关通信设置[9]，在博图软件中需进行两部分的设置，第一部分的设置：选中“机器人工作站”项目右键属性→“保护”→“块编译时支持仿真”，第二部分的设置：选中项目PLC设备右键属性→“常规”→“PROFINET接口[X1]”→“以太网地址”→“添加新子网”→“IP协议”→“输入IP地址192.168.0.1”→“防护与安全”→“连接机制”→“允许来自远程对象的PUT/GET通信”，设置完成后将博图软件中的空程序下载到S7-PLCSIM Advanced软件中，目的是为PLC与Pro⁃cess Simulate之间的通信做前置设置。
（3）在Process Simulate软件中创建通信通道。
创建步骤：点击“文件”→“选项”→“PLC”→“PLC外部连接”→“连接设置”→“添加”→“PLC⁃SIM Advanced”→在弹出的对话框中输入“666”→“确定”。
（4）信号映射。
根据机器人工作站PLC程序变量地址完成Process Simulate软件信号查看器地址的输入，同时激活外部连接通道，如图6所示。
3.2信号验证
在完成所有有关设备信号的创建与信号映射后，需对创建的信号进行验证[10]，目的是验证所创建的信号是否准确，提前为机器人工作站PLC程序编写进行打点测试[11]，信号验证的步骤如下：将Process Simulate软件工作模式切换至“生产线仿真模式”，在“主页”中找到仿真面板，将信号查看器中所需验证的信号拖至仿真面板中进行强制信号的验证[12]。
4基于产线的应用及发展趋势
4.1软件实现机器人程序虚实同步
本文基于“1+X生产线数字化高级设备”借助Process Simulate所研究的机器人编程方法适用于主流品牌机器人程序的编写，可助力高校老师完成有关工业机器人编程的授课，同时基于“虚实联调”的概念，和物理生产线建立同步虚拟数字化仿真平台，通过虚拟物理生产线并获取物理生产线数据提前仿真、模拟、展示物理生产线运作，通过虚实结合，实现虚拟生产线对物理生产线的实时展示和监控，可第一时间发现机器人运行故障并及时解决故障，借助Process Simulate软件可实现机器人程序虚实同步[13]。
（1）创建机器人默认信号
机器人程序虚实同步的前置条件需创建机器人默认信号，在菜单栏“控件”中的“机器人信号”中创建startProgram、programNumber、emergencyStop、program⁃Pause、mirrorProgramNumber等默认信号。
（2）搭建机器人系统信号
机器人程序虚实同步的必要条件是搭建机器人系统信号（虚实）。在真实机器人控制器编写产线程序时一般都需创建系统信号Start at main and Start信号。为了实现机器人程序的虚实同步，同样需要在Process Simulate软件中搭建系统信号Start at main and Start。步骤为：首先PLC给机器人发送programNumber程序号，其次监控mir⁃rorProgramNumber数据是否与programNumber程序号数据一致，最后通过PLC启动startProgram。
（3）虚实同步信号验证
机器人程序虚实同步的核心条件为：当真实机器人暂停信号为高电平时，真实机器人与Process Simulate中的机器人同时暂停，当真实机器人暂停信号由高电平变为低电平且机器人开始信号为高电平时，真实机器人与Process Simulate中的机器人同时沿程序暂停点继续执行机器人程序。暂停信号的正确应用是实现机器人程序虚实同步运行的关键，因此需对暂停信号进行验证。
4.2完成机器人工作站PLC程序编写
借助软件可方便高校老师进行工业机器人编程、PLC编程以及数字孪生技术的课程实施，可锻炼学生机器人编程和PLC编程的逻辑思维能力，提高学生数字孪生技术的应用能力[14]，为国家培养合格的复合型人才。借助Process Simulate软件搭建的机器人工作站实现自动化PLC程序编写，可解决无真实设备下的自动化程序编写，同时验证工作站的工艺流程和规避设计缺陷[15]，最终缩短自动化集成项目的交付时间，为工厂创造更高的经济效益。
利用Process Simulate软件导入“1+X数字化高级设备”机器人工作站三维模型，创建设备信号及信号映射从而搭建自动化产线编程条件，借助Process Simulate软件可完成工业机器人程序的编写、借助西门子博图软件可完成对工作站PLC程序编写，最终实现无真实物理属性设备条件下的编程，同时可将编写的程序下载到真实物理属性的设备中，顺利实现教学任务和教学目的，具有较强的实用性和推广价值。机器人工作站PLC部分程序以及人机界面（HMI）程序如图7~8所示。
4.3 Process Simulate应用发展趋势
企业在工艺设计阶段存在以下痛点：成本方面，传统工艺设计依赖人员经验，无法在设计阶段进行工艺方案验证，往往在实物制造过程才发现工艺设计问题，造成返工返修成本；效率方面，传统工艺设计重复“造轮子”现象明显，导致工艺设计效率提升困难。通过在数字化环境中对工艺进行虚拟仿真验证，对产线进行虚拟调试，可以在设计阶段对工艺准确性进行全面验证，降低生产、调试成本。例如利用数字孪生系统进行各产线设备通用模型建模及仿真验证，实现工厂布局的方案验证与设计优化，提升规划质量，缩短规划设计周期。在所有的数字孪生系统工业软件中，西门子Process Simulate软件由于功能强大、运行稳定获得一些大型车企、自动化水平较高的智能工厂的青睐。随着社会对数字化复合型人才需求的增多，数字化复合型人才的培养需求也会日益显现，Process Simulate软件也将得到数智工厂和高校更广泛的接纳。
5结束语
本文阐述了“1+X生产线数字化高级设备”机器人工作站的机械结构和工艺分析，基于Process Simulate软件开展应用设计和PLC交互，实现“1+X生产线数字化高级设备”机器人工作站机器人程序的编写。采用所提方法实现以虚拟设备替代真实设备，可缓解高校实训过程中学生多设备少的教学现状，以更安全和高效地完成教学目的和教学任务。基于机器人工作站拓展Process Simulate应用，完成机器人程序编写，最后配合博图软件实现机器人工作站PLC程序的编写，解决无真实设备状况下自动化程序的编写，在设备装配完成前即可完成自动化程序的编写，这样可大幅度缩短自动化集成项目交付时间，为工厂创造更高的经济效益。最后本文对Process Simulate进行创新研究应用，借助Process Simulate软件实现机器人程序虚实同步，实现虚拟生产线对物理生产线的实时监控，可第一时间发现设备运行故障并及时解决故障，大大提高故障解决效率，缩短设备停机时间。
参考文献：
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[2]周高伟,沙杰,刘梦园,等.基于数字孪生的加工生产线虚实交互技术研究[J].机电工程,2024,41(2):337-344.
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Process Simulate在机器人离线编程中的应用论文
人参与 2025-01-23 15:25:31 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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