PLC与组态实验数字孪生创建研究.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2022-12-18 基金项目:教育部供需对接就业育人项目（20230102908，20230102894）作者简介:陈伟（1964），男，安徽淮南，高级实验师，硕士，主要从事机电控制研究，。引文格式:陈伟，张国荣.PLC 与组态实验数字孪生创建研究J.实验技术与管理,2023,40(6):99-103.Cite this article:CHEN W,ZHANG G R.Research on digital twin creation of PLC and configuration experimentJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):99-103.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.015 PLC 与组态实验数字孪生创建研究 陈 伟，张国荣（安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）摘 要：针对线上 PLC 与组态实验提出直接组网和间接组网两种不同的组网和管理方式，并最终选用间接组网和第三方远程协助工具方式组建了 PLC 与组态实验平台。以多工步机床动力头进给速度控制实验为例，列举了创建数字孪生体中遇到的各种问题，给出了解决方案及物理实体接线方式，创建了数字孪生体，实现了数字孪生所要求的实时全方位信息双向闭环交换。该实验平台组建方便，使用不受场地、时间限制，可使学生在线上很好地完成相关的实验，实际应用效果良好。关键词：PLC；组态；实验；数字孪生；远程开放教育；组网 中图分类号：TP301.6；G642.1 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0099-05 Research on digital twin creation of PLC and configuration experiment CHEN Wei,ZHANG Guorong(School of Mechanical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)Abstract:Two different networking and management methods,direct networking and indirect networking,were proposed for online PLC and configuration experiments.Finally,indirect networking and third-party remote assistance tools were chosen to establish the PLC and configuration experimental platform.Taking the feed speed control experiment of multi step machine tool power head as an example,this paper enumerates various problems encountered in creating digital twins,gives solutions and physical entity wiring methods,creates digital twins,and realizes the two-way closed-loop exchange of real-time omnidirectional information required by digital twins.The experimental platform is easy to establish and is not limited by venue or time,allowing students to complete relevant experiments online with good practical application results.Key words:PLC;configuration;experiment;digital twins;distance open education;networking 1 数字孪生 1.1 数字孪生技术及与虚拟仿真的区别 本世纪出现在先进制造技术范畴的数字孪生理念，是一种将新型信息技术与物理实体相融合的理念，其英文为 Digital Twin，代表近似度很高的两个对象，即物理对象和虚拟对象。虚拟对象高度近似于物理对象，可与物理对象进行实时信息交换。在实时信息交换中，一种是正向信息交换，即物理对象的状况有所改变，虚拟对象的状况相应改变；还有一种是反向信息交换，即通过虚拟对象获取物理对象反馈信息，再反向指导物理对象的变化1-3。经过近十年的发展研究，数字孪生技术已经在工业生产中的设计、制造、检验、维修等过程中得到应用，尤其在生产制造厂的数字化信息化自动控制中获得了良好的反馈效果。物理实体产品与虚拟数字化产品在数字孪生技术中可最大程度地获得统一，使虚拟环境与现实环境的同一性得到保障，有效避免了因虚拟与现实的不同而所造成传统仿真条件下仿真效果与物理现实的差异。虚拟仿真技术是应用虚拟仿真软件反映真实现100 实 验 技 术 与 管 理 场，通过某些数值计算与问题求解，再现现场行为或过程的模拟技术。数字孪生依托包括虚拟仿真、实测参数、数据分析与处理等技术措施获知物理实体实际工作状态，加以预测及诊断，并对物理实体进行优化处理，同时进一步优化虚拟数字孪生体本身，从而保证其实时性、保真性与闭环性。数字孪生是虚拟仿真的进一步发展和延伸。要实现数字孪生需要满足两个基本条件，一是要有物理实体，二是要实现全方位信息的闭环双向交换4。数字孪生实验平台是学生进行虚实结合的自主动手实验的实操空间。它含有虚、实两套实验环境，这两套实验环境是相互有机结合的一个整体，而不是互相分离、独立的。在虚拟环境的数字孪生体上所做任何操控和运行，都将在物理实体中等效实现，学生所获得的认知和体验与在物理实体上一样真实5。数字孪生实验平台可以最大限度地克服传统实验教学受到的时间、人员、场地等限制，为学生自主实验提供更方便、更有效的学习空间。在数字孪生环境中的实验，还可避免因操作失误给学生带来的人身伤害和设备损坏6。1.2 数字孪生实验现状 使用数字孪生技术再生实验场景是当前的研究热点。李海峰等人7使用中铁装备生产车间的数字孪生系统进行实验教学，装备生产车间的数字孪生系统能够反映车间内生产设备运转状态。学生可选择“返回外景”或“进入厂房”切换功能场景，选择交互式功能观察生产设备的整体运转状态和内部组件。但作为教学实验系统，不应对装备生产车间设备运行状况进行反向闭环控制，因此其所展示的仅是一个“中铁装配 3D 可视化”画面，也没有述及设备运行状况在数字孪生中的实现方式。李福等人8针对实验教学中自动化方向机器人抽象的理论计算、昂贵的设备实验、复杂的实体系统、难以构建环境等问题，创建了智能机器人在复杂高危环境下作业的实验教学虚拟仿真平台。其所述及的是虚拟仿真系统的建立，没有物理实体，无法实现物理实体与数字孪生体之间的双向闭环信息交换。刘光宇等人9研究利用数字孪生光伏微电网实验教学虚拟仿真平台，构建实体实验与虚拟仿真交互系统，让学生学习和掌握光伏微电网的运行原理、结构组成及检测方法。学生在虚拟仿真实验线上平台可学习和掌握光伏微电网检测方法、设计过程和跟踪控制最大功率点的优化处理，其实验结果可通过物理实体设备进行检验，但其信息交换仅限于单向，数字孪生体没有对光伏微电网物理实体反向闭环控制的功能。董靖川等人10研究的并联机器人数字孪生实验系统，能够对单台设备就地监控，但未涉及远程组网和对多台设备进行管理的数字孪生系统。1.3 PLC 与组态实验数字孪生平台 PLC 与组态实验数字孪生平台建设采用了目前发展迅猛的物联网技术，具有以下特点和优势：（1）无论是本校学生还是外校学生，均可通过注册账户，在实验平台空闲时，通过远程方式学习和操控实验装置。（2）大大缓解了传统实验室场地、时间方面的限制，有利于各高校之间实验平台整合及设备共享，有利于提高实验装置利用率，有利于减少设备损坏及降低维护成本。（3）能够更合理地评估学生的实验能力，提升学生动手实际操作能力和实验积极性，提升实验的趣味性和灵活性。PLC 与组态实验数字孪生平台，需要实现的不仅包括远程监控，还包括分析优化功能，即可实现对 PLC与组态实验物理实体（见图 1）的操控和测试，实现数据参数与视频监控的双向闭环信息交换，以及对PLC 和组态软件程序的实时反馈、调试、上传和下载，且可更好地完成对学生的管理，根据每个学生的实验学习状况给出合理评定。图 1 PLC 与组态实验物理实体 2 PLC 与组态实验数字孪生平台创建 我校机械工程学院 PLC 实验室承担着全院机电类专业本科生、研究生的 PLC 实验教学任务，安排有多门综合设计实验课程。还承担了机电类专业学生与PLC 相关的课程设计、毕业设计等任务。PLC 与组态实验数字孪生平台系统架构方案主要有以下两种。2.1 直接组网方案 直接组网方案是远程计算机直接控制现场 PLC，使用远程客户端、云服务器、智能网关和 PLC 构建出一个数字孪生环境，通过该数字孪生环境实现将现场PLC 实验平台孪生到远程计算机端上11-12。云服务器为远程链接确认单位，智能网关为远程 陈 伟，等：PLC 与组态实验数字孪生创建研究 101 链接通信终端，远程计算机上装有远程客户端、三菱公司 PLC 程序开发软件 Gxworks2、力控公司组态王软件，能够实现对 PLC 的远程编程、监控和组态，完成实验平台的数字孪生，直接组网连接方案如图 2 所示。图 2 直接组网连接方案 PLC 与组态实验数字孪生平台所用的 PLC 型号为三菱 Fx1N-60MR，其通信端口为 RS232，传输距离较短。为了增加传输距离，将 RS232 通信端口经串口转换器转换成 RS422 通信端口，RS422 通信端口接智能网关的 RS422 通信接口，智能网关上设有 RS232、RS422、RS485、以太网和 WAN 通信接口，智能网关接云服务器，云服务器再接远程计算机。为了能够实时观察现场 PLC 实验台的运行状况，在每个 PLC 与组态实验台前布置了无线摄像头。本实验室所用的摄像头为小米摄像头云台 2K，通过无线网络将无线摄像头与远程手机或远程计算机相连接。可通过米家 APP 在手机或远程计算机上实现监控，操控端上 360 度旋转的摄像头，也可通过控制摄像头的焦距变化实现对整体或局部观察对象的监控。PLC 与组态实验数字孪生平台管理系统构架包括以下几个部分：（1）学员登录。学员可在此界面注册账户，经管理人员复核审查通过后，可通过实验平台链接界面登录。（2）实验台总列表。学员在此页面可看到实验台总列表，可远程链接到空闲实验台。（3）实验台授权管理。如需进行实验台管理或登录人员过多时，可安排指定人员使用指定实验台。（4）基础管理信息。该模块中包括组织结构、系统使用记录和学员注册审核批准。（5）程序源代码库。采集和存储 PLC 及组态软件原始程序的源码信息。（6）消息管理。这是管理人员与学员之间交流消息的窗口，也是管理系统给学员发布提醒和通告之处。2.2 间接组网方案 间接组网方案是远程计算机以合法方式通过控制本地计算机来间接控制现场 PLC。其连接方式是，多台本地计算机分别与路由器连接，路由器再经以太网与多台远程计算机连接。多台本地计算机需经实验指导教师在线下用进行实验的学生各自的校园网账户登录，校外学生的远程计算机用外网账号登录，校内学生的远程计算机可临时借用实验专用校园网账号登录。为了保证信息安全，学生可对所用校园网账户登录设置临时密码。无线摄像头的连接和使用与直接组网方案相同。用远程计算机控制本地计算机有三种方法，分别是 Windows 系统自带的远程桌面功能、QQ 远程协助功能、TeamViewer 或 TD 等第三方专用软件。使用 Windows 系统自带的远程桌面功能方法如下：本地计算机开启远程协助功能。同时按下本地计算机的“+R”键，在运行视窗 中键入指令sysdm.cpl，打开系统属性，在系统属性中选择“远程”书签项，在“允许远程协助连接这台计算机（R）”前方框上打勾，再点击“高级（V）”，在“允许此计算机被远程连接（A）”前方框上打勾，点击“确定”。远程控制计算机启动远程桌面连接。按下远程计算机的“+R”键，在打开的输入框中键入指令 mstsc，打开远程桌面连接视窗。在远程桌面连接视窗中键入需连接计算机的互联网协议地址，再点击“连接”，输入密码，等待连接成功。使用 QQ 远程协助功能时，需两个 QQ 号执行单向控制。在远程计算机上打开好友的 QQ 聊天对话框，点击聊天框右上角“”，点击远程图标，再点击“请求控制对方计算机”。如想让对方控制自己的计算机，则点击“邀请对方远程协助”，然后等待对方选择接受。使用 TeamViewer 第三方远程协助工具方法如下：在远程和本地计算机上分别安装 TeamViewer 软件。打开本地计算机的 TeamViewer，记下左侧的计算机设备号（ID）与每次启动软件生成的随机密码。在右侧“远程计算机”下输入本地计算机的 ID，然后点击“链接”按钮，在右侧“控制远程计算机”输入被远程操控计算机的 ID，再点击“链接”按钮。在打开的 TeamViewer 查验视窗中，输入本地计算机的随机密码，然后点击登录，之后就能远程控制本地计算机了。三种方法中，Windows 系统的远程协助功能使用起来比较繁琐，QQ 上的远程协助功能速度较慢。使用 TeamViewer 等第三方远程协助工具时，可由实验102 实 验 技 术 与 管 理 指导教师提前分配安排好，通过线上方式，如班级 QQ群、微信群或短信等，分别对进行实验的学生提供其所控制的计算机的 ID 号及随机密码，也可由摄像头查看相应远程计算机的 ID 号及随机密码。因随机密码是程序自动产生的临时密码，仅供一次性使用，便于对计算机的使用进行管理。直接组网方案和间接组网方案比较起来，直接组网方案只需一台计算机，其控制 PLC 的中间环节少、速度快、反应及时，可通过管理软件对实验设备进行全面管理。间接组网方案需远程和现场两台计算机，其控制 PLC 的反应速度与网速有关。由于本 PLC 与组态实验台配有一套计算机，故选用间接组网方案组网，并采用第三方远程协助工具 TeamViewer 控制本地计算机。3 数字孪生体创建实例 PLC 与组态综合性实验课程是机电类本科生学习的一门重要课程，共 28 个学时，设置单独学分。该课程要求学生根据机电传动控制课程中所学的 PLC 和组态软件知识进行实际操作，设计 PLC 和组态软件程序，按照所设计的程序正确进行线路连接，并在实验台上的机电装置和计算机组态界面上进行实际操作和调试，完成所要求的实验任务。下面以多工步机床动力头进给速度控制实验为例，创建数字孪生体。多工步机床动力头加工工件时，刀具先是高速接近工件，再低速进刀加工。加工完成抬刀返程时，为提高工作效率将高速返回，在接近停止位置前转为低速，其速度的改变方式是由 PLC 通过变频调速器控制驱动电动机的频率，由于给电动机供电的三相交流电源频率值与电动机的转速成正比，所以改变电动机转速即可改变多工步机床动力头进给速度。整个速度变化过程如图 3 所示。图 3 多工步机床动力头进给速度 在硬件结构连接中，220 V 交流电源分别给 5 V和 12 V 直流稳压电源、三菱 PLC 和变频调速器供电，变频调速器的三相交流输出端给三相交流电动机供电。本地计算机的 RS232 串口通信端口经 SC-09 通信线与 PLC 的 RS232 通信端口相接，此通信线用于本地计算机中 PLC 编程软件对 PLC 的程序写入、读出和程序运行监控，或用于组态软件对 PLC 的监控。由于是同一根通信线，上述两个功能不能同时使用。PLC 输入输出端口号是以八进制方式设置的，具体连接分配如下：输入端口 X0、X1 分别接左、右限位行程开关，X2、X5 分别接左、右停止光电接近开关，X3、X4 分别接左、右减速光电接近开关，X6、X7 和 X10 分别接实验面板上的正、反转启动按钮和停止按钮；输出端口 Y0、Y1 分别接变频调速器的正转信号端口（STF）、反转信号端口（STR），Y2、Y3分别接变频调速器的高速信号端口（RH）、低速信号端口（RL）。原先的线下实验平台要实现数字孪生，存在以下问题。第1个问题是，所用的变频调速器是三菱FR-S500型变频调速器，变频调速器的操作有两种模式，分别是面板（PU）操作模式和外部（EXT）操作模式（三菱电机自动化（上海）有限公司，2006）13。原先在线下实验时，学生需分别通过面板和外部操作模式学习变频调速器的操作。现在的线上实验，无法进行面板设置操作，只能改为由实验指导教师现场进行面板设置操作讲演，设置完成变频调速器高速和低速时的运行频率，由学生通过 PLC 控制外部操作模式，完成电机运行频率的改变，进而改变多工步机床动力头进给速度。FR-S500 型变频调速器上的 RS-485 通信模块为可选组件13，而本 PLC 实验室所用的变频调速器不含RS-485 通信模块，无法实现 PLC 与变频调速器之间的通信，PLC 也无法读取变频调速器的频率值。学生只能通过云平台频繁操控摄像头和改变焦距，才能观察到整个实验台和变频调速器上的数值指示窗口，或通过电压表测量变频调速器的 AM 与 5 端口间的电压，观察电压值的变化，近似观察变频调速器数值的变化，了解整体运行情况和频率数值的变化，并未在计算机端很好地实现数字孪生。此外，第 2 个问题是在组态界面上如何真实反映滑块运行的速度；第 3 个问题是做实验的学生在远程无法像在现场一样，清楚明了地观察输入输出端口的变化；第 4 个问题是实验台上的光电接近开关接通时只会显示微弱的小红光，限位行程开关通断状况和通断时发出的弱小声音，通过监控摄像头难以清楚地看到和听到；第 5 个问题是原丝杠左右两边各有 20 mm 长度无螺纹，超过滑块宽度，滑块移动到两边时将发生空转，反转即可重新进入螺扣，正常运行。原先在线下实验时，学生可手动退回，远程实验时则无法使用手动退回。针对第 1 个问题，可用机电传动装置原有的编码器来解决。硬件上 PLC 的 X11 接编码器的 A 端口，X12 接编码器的 B 端口。软件上利用 PLC 内部的高速 陈 伟，等：PLC 与组态实验数字孪生创建研究 103 计数器，对旋转编码器的脉冲数进行计数。此旋转编码器旋转一周的脉冲数为 36，再除以 PLC 内部计时器计得的时间t（s），即可得知电机的转速/36nM（）60/5/3tMt（r/min），M为脉冲数（个）。三菱 PLC 内部计时器有两种，一种是普通型计时器，其特点是没有断电保持计时功能，即当计时电路打开或断电时，计时器复位，有 100 ms 和 10 ms 两种精度。另一种是积算型计时器，能够对计时进行累加计算。计时中，若电路打开或计时继电器的线圈在“关”的状态，积算型计时器数值将维持目前的计时值，若再通电或计时继电器的线圈在“开”的状态时，将继续累加计算计时数值，即具有保持当前计时数值功能，只有当复位积算型计时器时，其计时数值才回归为 0。积算型计时器有 100 ms 和 1 ms 两种精度，1 ms 的积算型计时器共有 4 个，分别为 T246、T247、T248、T249。为了更精确地读取旋转编码器的旋转脉冲数，获得电机转速，采用 1 ms 积算型计时器（Mitsubishi Electric Corporation）14。使用电机频率与转速的关系式/60fnPM/36Pt（Hz）可计算出频率值。其中，n为电动机转速（r/min），f为交流电源频率值（Hz），P为电动机中旋转磁场的极对数。即原先是通过电源频率计算出电机转速，现在改成通过电机转速计算出电源频率。计算机端上的组态软件读取 PLC 中的电机转速值，在界面中以数值形式显示出来，并利用组态软件曲线图，实时显示转速-位移曲线，可保存在历史记录中以便查看。这样就解决了第 1 个问题，同时使学生学到了更多的专业技术。针对第 2 个问题，需要计算滑块运行的位移和速度，计算公式为：/36SDM（mm），VDn 5/3DMt（mm/min）=100/DMt（mm/s）。其中，S为滑块的移动位移，D为丝杠的螺距（mm），V为滑块的移动速度。利用组态软件上的动画显示功能，通过命令语言编程，可实现真实显示滑块的移动速度和方向，并在组态界面上以数值和曲线形式加以显示。针对第3个问题，利用“应用基础实验面板”上的13个红、绿、黄指示灯，在PLC程序上进行编程，用Y10Y20分别指示X0至X10的9个输入点的通断状况，并将控制变频调速器的Y0Y3的4个输出点并联到4个指示灯上，以显示其通断状况。针对第4个问题，为了能够反映限位行程开关的工作状况，在硬件上将接通信号并联在指示灯和实验台报警喇叭上，在组态软件界面上用限位行程开关触头的上下变化来显示限位行程开关是否接通，同时组态界面上的声光报警也会开启。当实验台上的光电接近开关接通时，只会显示微弱的小红光，通过摄像头难以清楚观察，所以在组态软件上用红色灯代表接通，灰色灯代表断开。在运动滑块上按运行方向设置左、右闪烁箭头，表示滑块运动方向。针对第5个问题，原实验台上共有4个限位行程开关，现将最左、最右的两个分别置于两边，将左边的两个限位行程开关并联后与X0相接，右边的两个限位行程开关并联后与X1相接，起双重保护作用，防止因行程开关故障导致滑块运行到两端时发生空转。使用北京亚控科技发展有限公司出品的组态王7.5 SP1软件15创建的PLC与组态数字孪生体如图4所示，左边为视频监控画面，右边为数字孪生界面。图 4 PLC 与组态实验数字孪生体 4 结语 根据现有PLC与组态实验台的特点，以间接组网和第三方软件方式创建了PLC与组态实验数字孪生平台，解决了一系列问题。数字孪生体很好地再现了物理实体的各种状况，可对物理实体进行各种操作、（下转第120页）120 实 验 技 术 与 管 理 pneumoconiosis cases in china from 2000 to 2019J.Journal of Occupational and Environmental Medicine,2021,63(7):440444.5 赵徵鑫，王强，翟贺争，等.中国 10 省（市）农民工尘肺病患者现状分析J.职业与健康，2021,37(18):246771.6 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