基于ABB机器人与Process Simulate间的虚实联调研究.pdf

SOFTWARE2023软 件第 44 卷 第 9期2023 年Vol.44,No.9作者简介：崔久好（1986），男，本科，高级工程师、数字化工业专家，研究方向：虚拟仿真、工业自动化、数字孪生。基于 ABB 机器人与Process Simulate 间的虚实联调研究崔久好（山东莱茵科斯特智能科技有限公司数字化研发部，山东淄博 255000）摘要：无论高等院校的师生还是智能工厂的数字化工程师，在利用软件 Process Simulate 完成机器人工作站的虚实联调时往往会消耗大量的时间，结果还不理想，因为其用到的方法是传统的创建多个机器人子程序，或是创建一个机器人程序在程序中用到大量的等待信号去完成物理属性的机器人工作站与软件内机器人工作站的数字孪生同步运行，此方法能够实现物理属性的机器人工作站与软件内机器人工作站的同步运行即虚实联调，但是效率低同时对项目实施者要求也非常高，因此利用传统的方法完成机器人工作站的虚实联调会困难重重，效果还不理想。为了节省数字孪生项目中机器人工作站与软件间的虚实联调的完成时间和降低项目完成难度，作者通过在数字孪生实验室的大量实验研究，最终通过在真实机器人控制器中编写机器人程序读取机器人各轴位置数据，借助 Profinet 通讯完成机器人与 PS 软件间的实时位置数据交互，进而较快地完成虚实联调项目。通过与传统的方法做对比测试，作者创建的方法使项目完成的效率得到显著提高，同时降低了项目完成难度。基于以上对比测试，作者研究的方法在以后数字孪生项目中会得到很好地推广，并慢慢会取代传统的方法。关键词：数字孪生；虚实联调；ABB 机器人；Process Simulate中图分类号：F407.67 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.09.017本文著录格式：崔久好.基于ABB机器人与Process Simulate间的虚实联调研究J.软件,2023,44(09):073-077Research on Virtual Real Joint Debugging between ABB Robots and Process SimulateCUI Jiuhao(Shandong Rhein-Koster Intelligent Technology Co.,Ltd,Digital R&D Department,Zibo Shandong 255000)【Abstract】：Both teachers and students in higher education institutions and digital engineers in intelligent factories often consume a lot of time when using the software Process Simulate to complete virtual and real debugging of robot workstations,and the results are not ideal because the traditional method used is to create multiple robot subprograms,or create a robot program that uses a large number of waiting signals to complete the digital twin operation of the physical attribute robot workstation and the softwares robot workstation.This method can achieve synchronous operation of the physical attribute robot workstation and the softwares robot workstation,that is,virtual real debugging.However,the efficiency is low and the requirements for project implementers are also very high.Therefore,using traditional methods to complete virtual real joint debugging of robot workstations will be difficult and the effect is not ideal.In order to save the completion time of virtual and real debugging between robot workstations and software in the digital twin project and reduce the difficulty of project completion,the author conducted extensive experimental research in the digital twin laboratory.Finally,by writing a robot program in a real robot controller to read the position data of each axis of the robot and human,the real-time position data interaction between the robot and PS software was completed using Profinet communication,and then quickly complete the virtual and real joint debugging project.Through comparative testing with traditional methods,the method created by the author significantly improves the efficiency of project completion while reducing the difficulty of project completion.Based on the above comparative tests,the method researched by the author will be well promoted in future digital twin projects and will gradually replace traditional methods.【Key words】：digital twins;virtual and real joint debugging;ABB robots;Process Simulate设计研究与应用74软 件第 44 卷 第 9 期SOFTWARE0 引言生产设备的虚拟调试/虚实联调解决方案，是数字孪生技术的典型应用场景，借助 Process Simulate 软件和西门子博途软件可将设备的机械、自动化、电气系统的仿真技术结合，打造智能生产线的数字孪生体1，实现在虚拟环境中对智能设备进行全方位的仿真和监控，助力企业缩短设计和调试周期，降低人力、物力的损耗和浪费2，提升质量和灵活性。现以 ABB 机器人工作站与 Process Simulate 之间的虚实联调为例详细讲解。1 机器人工作站的虚实联调在智能工厂中实现机器人与 Process Simulate 之间的虚实联调，首先需对机器人进行通讯编程，其次在博途中进行 PLC 程序的编写，进而实现两者间的数据交互，最终在 Process Simulate 软件中进行通讯设置3。1.1 ABB 机器人通讯程序的编写实现机器人工作站与 PS 之间的虚实联调，首先将机器人各轴数据传输给 PLC，然后 PLC 通过 OPC UA通讯完成与 PS 之间的数据传输，最终完成 PS 与机器人工作站间的数据传输。机器人通讯程序编写如下：PROC main()!Set pndo18;chushihua;ENDPRPROC chushihua()IDelete intno1;CONNECT intno1 WITH information;ITimer 0.1,intno1;ENDPROCTRAP informationjpos10:=CJointT();reg61:=jpos10.robax.rax_1;reg62:=jpos10.robax.rax_2;reg63:=jpos10.robax.rax_3;reg64:=jpos10.robax.rax_4;reg65:=jpos10.robax.rax_5;reg66:=jpos10.robax.rax_6;A1:=Round(reg61*10);A2:=Round(reg62*10);A3:=Round(reg63*10);A4:=Round(reg64*10);A5:=Round(reg65*10);A6:=Round(reg66*10);IF A1=0 THENReset pndo18;ENDIFIF A2=0 THENReset pndo19;ENDIFIF A3=0 THENReset pndo20;ENDIFIF A4=0 THENReset pndo21;ENDIFIF A5=0 THENReset pndo22;ENDIFIF A6=0 THENReset pndo23;ENDIFSetGO out1,A1;SetGO out2,A2;SetGO out3,A3;SetGO out4,A4;SetGO out5,A5;SetGO out6,A6;ENDTRAP75崔久好：基于 ABB 机器人与 Process Simulate 间的虚实联调研究1.2 西门子博途程序的编写通过编写机器人程序可将机器人各轴的位置数据传输给外部 PLC，因此借助西门子博途软件进行编程接收 ABB 机器人发送的位置数据，首先在博途软件中安装 ABB 机器人的 GSD 文件，其次对机器人的 DI/DO进行地址分配，最后根据机器人组数据的地址确定 PLC端的接收地址，进而完成数据传输。如图 1 所示为机器人的 DI/DO 地址分配，如图 2 所示为机器人部分轴的位置数据。1.3 Process Simulate 位置数据链接通过以上机器人端的通讯程序编写和西门子 1500 PLC 程序编写，经过调试后机器人端可与 PLC 之间实现位置数据的交互。同时为实现外部 PLC 与 PS 软件间的通讯，则需在 Process Simulate 软件中进行位置数据的链接，链接完成后可实现软件中机器人位置数据与外部 PLC 间的数据交互，进而实现机器人工作站的虚实联调。我们以机器人 1 轴为例进行讲解，2-6 轴方法同理，1 轴具体链接如图 3 位置数据链接所示。2 Process Simulate 与 PLC 间的 OPC UA 通讯 2.1 激活通讯通道2.1.1 PLC 端激活 OPC UA 通道智能工厂完成数字孪生项目时，需要特定的通讯方式，大部分工程项目用到 OPC UA 通讯或是 OPC DA 通讯，西门子 1500 系列的 PLC 支持 OPC UA 通讯4，无需借助第三方软件即可实现。如果 PLC 是西门子 300、400、1200 系列的则需借助第三方软件方可完成通讯，我们以西门子 1500 PLC 为例进行讲解。具体设置如图 4激活 OPC UA 服务器、图 5 运行系统许可证所示。2.1.2 PS 端激活 OPC UA 通道 在博途 PLC 中激活 OPC UA 通道和运行系统许可证图 1 机器人的 DI/DO 地址分配Fig.1 DI/DO address assignment of the robot图 2 机器人部分轴的位置数据Fig.2 Position data of robot part axisPLC读取ABB机器人实时位置数据小数Successful20230609 未分组的设备 ABB BASIC V1.4ABB BASIC V1.4拓扑视图网络视图设备视图设备概览模块机架 插槽 地址地址 类型ABBPROFINET InterfaceDO 128 bytes_1DI 128 bytes_1000000000000 LAN3200.327200.327BASIC V1.4RobotBasicIODI 128 byesDO 128 bytesDP-NORM程序段11程序段21注释%I202.2Tag_18%IW200Tag_1610.0DIVRealENENOIN1IN2OUT%QD800Tag_17注释%I202.2Tag_18%IW200Tag_16-1MULIntENENOIN1IN2OUT%QD900Tag_35%QW900Tag_3510.0DIVRealENENOIN1IN2OUT%QD900Tag_1776软 件第 44 卷 第 9 期SOFTWARE后，外部 PLC 与 Process Simulate 之间的通讯设置已完成 50%，还需在 Process Simulate 软件中进行 OPC UA通道的设置，具体设置步骤：打开 Process Simulate 软件，点击文件选项 PLC 外部连接连接设置添加 OPC UA 创建外部连接输入外部连接的名称ABB（注：信号查看器中外部连接选择 ABB）。2.2 信号创建与映射在开发完成智能工厂的数字孪生项目时，需完成16 轴的位置数据创建，在信号查看器中会自动创建系统所需要的实数型（REAL）数据信号，用于系统和外部PLC 的信息交互，信息交互信号有 BOOL 型、INT 型、REAL 型等4，在 ABB 机器人与 Process Simulate 软件实现虚实联调时，只需要获取 16 轴的位置数据和法兰盘执行机构的控制信号即可完成机器人工作站的虚拟调试，完成信号创建后需对信号进行映射方可完成智能工厂自动化设备虚拟调试/虚实联调。创建的信号/映图 3 位置数据链接Fig.3 Location data link图 4 激活 OPC UA 服务器Fig.4 Activating the OPC UA server图 5 运行系统许可证Fig.5 Running the system license名称rmtp_HOME_actionmjv_action1mjv_action2mjv_action3mjv_action4mjv_action5mjV_action6资源逻辑行为编辑器IRB_120_3kg_0.58m概述入口出口参数常数操作添加删除类型移至姿态(BOOL)移动关节到值(BOOL)移动关节到值(BOOL)移动关节到值(BOOL)移动关节到值(BOOL)移动关节到值(BOOL)移动关节到值(ROOL)HOMEj1j2j3j4j5j6应用到描述描述值表达式1关节值表达式a1目标速度表达式500加速度表达式1000减速度表达式1000确定取消应用OPC UA常规应用程序名称:PLC_1注:仅当项目状态设置为通过安全设置选项进行保护时，才能启用通过项目安全设置进行用户管理。通过项目安全设置，启用附加用户管理服务器常规OPC UA 应用名称通用用户管理访问服务器服务器地址激活OPC UA服务器地址opc.tcp:/192.168.0.1:4840常规项目信息目录信息标识与维护校验和PROFINET接口X1DI 14/DQ 10AI 2/AQ 2高速计数器(HSC)脉冲发生器(PTO/PWM)PTO1/PWM1常规参数分配硬件输出l/O地址PTO2/PWM2PTO3/PWM3PTO4/PWM4启动循环通信负载系统和时钟存储器Web 服务器支持多语言时间防护与安全OPC UA常规OPC UA目录信息标识与维护校验和PROFINET接口X1DI 14/DQ 10AI 2/AQ 2高速计数器(HSC)脉冲发生器(PTO/PWM)PTO1/PWM1常规参数分配硬件输出l/O地址PTO2/PWM2PTO3/PWM3PTO4/PWM4启动循环通信负载系统和时钟存储器Web 服务器支持多语言时间防护与安全OPC UA常规服务器常规IO变量系统常数文本高级组态连接资源地址总览运行系统许可证OPC UA运行系统许可证所需的许可证类型:SIMATC OPC UA S7-1200 basicSIMATC OPC UA S7-1200 basic购买的许可证类型:77崔久好：基于 ABB 机器人与 Process Simulate 间的虚实联调研究射如图 6 所示。3 Process Simulate 软件的应用优势随着数字化技术的蔓延与发展，Process Simulate软件的优势更加凸显，软件不但能够提前验证机械设计的可靠性和稳定性，还能借助博途软件进行自动化程序的编写，提前验证自动化工艺流程的准确性和可行性。在没有真实物理属性的设备下，提前将自动化程序编写完成，大大提高编程效率5。同时，软件可通过三种通讯方式 PLC Advanced、OPC UA、OPC DA 实现智能产线的虚拟调试、虚实联调，并实时监控自动化设备的运行状态。在本研究中 Process Simulate 软件主要通过创建OPC UA 通道，实现软件中机器人与外部 PLC 之间的通讯，进而获取外部 PLC 中的位置数据，同时与法兰盘执行元器件的控制信号进行交互，进而实现 ABB 机器人与 Process Simulate 软件的信号交互，快速完成机器人工作站与 Process Simulate 的虚实联调，本研究比传统虚实联调的方法优势体现在以下几方面：（1）真实机器人的运行路径与 Process Simulate 软件中机器人运行的路径几乎完全同步，误差在 0.2，即虚实联调更加准确；（2）完成项目的效率更高、更快；（3）项目实施更加的便捷方便；（4）对项目实施者的能力要求变低，使得更多的工程技术人员、学校师生参与其中，增加其项目实施的自信心。4 结语综上所述，本研究主要阐述了在机器人虚实联调项目实施时遇到的困难，针对这些困难作者进行了大量研究和测试，最终得出机器人虚实联调项目实施的最优方案，使数字孪生虚实联调项目实施难度降低，进而对数字孪生技术有进阶的推广。希望对与该软件有关的企事业工程技术人员、高校自动化及相关专业的师生在数字孪生技术方面的快速提高有所帮助，进而提高项目完成的效率。参考文献1 高建华,刘永涛.西门子数字化制造工艺过程仿真:Process Simulate基础应用M.北京:清华大学出版社,2020.2 西门子工业软件公司.工业4.0实战:装备制造业数字化之道M.北京:机械工业出版社,2016.3 崔久好.基于Process Simulate自动化离线编程的应用J.工业控制计机,2022,35(9):62-63+66.4 崔久好.基于Process Simulate在物料智能分拣系统中的应用J.中阿科技论坛(中英文),2022(2):108-112.5 崔久好.Process Simulate在综合实训系统设计中的应用J.工业控制计算机,2023,36(6):57-59.图 6 创建信号/映射 Fig.6 Creating the signal/mapping信号查看器信号名称Gen Rob Op endIRB 120 3kg 0.58m mtp HOMEIRB 120 3kg 0.58m at HOME potionj2j3j4j5j6Pndo0DO1内存 类型地址IEC格式PLC连接外部连接资源BOOLBOOLBOOLREALREALREALREALREALREALREALBOOLNo AddressNo AddressNo Address8008048088128168208604.2IQIQ800Q804Q808Q812Q816Q820I860Q4.2ABBABBABBABBABBABBABBABBIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kgIRB 120 3kg