工业数字孪生项目4任务1 外部信号配置与信号映射的设置

项目4MCD模型的

虚拟调试任务1外部信号配置与信号映射的设置目录01项目引入02任务说明03知识准备04任务实施05任务评价与拓展项目引入1项目引入对MCD模型的虚拟调试可分为软件在环虚拟调试与硬件在环虚拟调试。其中，本教材所涉及的软件在环虚拟调试主要是指在MCD模型与通过西门子全集成自动化软件TIA博途（TIAPortal，以下简称博途软件，本教材所使用的软件版本为TIAPortalV16.0）进行仿真的虚拟PLC、虚拟人机界面之间进行软件层面的交互和调试。本教材所涉及的硬件在环虚拟调试则重点介绍MCD模型与DLDS-532实训平台各硬件组成部分之间进行的软硬件交互和调试。

对于MCD模型的使用者而言，无论是进行软件在环还是硬件在环虚拟调试，都需要在建模与仿真阶段就注意在具体设计与操作层面进行充分准备，以保证后续调试的顺畅进行。在成功与虚拟或实体PLC及HMI（人机界面）程序进行通信的基础上，还需要在NXMCD仿真环境中进行外部信号配置与信号映射，确保仿真模型与PLC、HMI程序以符合预期的方式交互，并注意合理、及时地修正联调过程中可能出现的任何软、硬件问题。项目引入素养目标培养学生探索创新、唯实求真的科学精神。培养学生执着专注、精益求精、科技强国的工匠精神。培养学生的标准意识、规范意识。培养学生严谨细致、团队协作、表达沟通的职业素质。能力目标具备在软、硬件在环虚拟调试前进行外部信号配置的操作能力。具备在软、硬件在环虚拟调试前进行信号映射的操作能力。具备使用NXMCD与博途软件进行模块级软件在环虚拟调试的能力。具备使用NXMCD与DLDS-532实训平台进行模块级硬件在环虚拟调试的能力。知识目标了解NXMCD可用外部通信协议的概念、用途与分类。了解软件在环的概念。了解硬件在环的概念。熟悉PLCSIMAdv、OPCUA外部信号配置与MCD信号映射相关的参数选项。了解软、硬件在环虚拟调试基本环境与软件配置的相关知识。任务说明2任务说明

本任务以随教材附赠的MCD模型与IO变量表为例，分别介绍从MCD模型中导出信号并在博途软件中导入所需信号，以及使用博途软件导出PLC变量表后在NXMCD仿真环境中导入并生成相应信号的操作方法、流程和注意事项。随后，本任务将继续介绍在NXMCD仿真环境中进行外部信号配置与信号映射设置的流程，以建立在本项目的后续任务中实现仿真模型通过不同通信协议与虚拟、实体PLC和HMI进行通信的基础。

通过完成本任务，学生将掌握NXMCD仿真环境中导出与导入信号、配置外部信号和建立信号映射的方法，以及在此过程中提高操作效率、避免各类错误与问题的技巧，从而为后续完成软件在环虚拟调试和硬件在环虚拟调试任务做好准备。知识准备3知识准备

1.外部通信协议的用途与分类

外部通信协议定义了MCD模型与模型外的虚拟或实体PLC、HMI程序等交互对象进行通信的方式。本教材所讨论的NXMCD仿真环境版本所支持的外部通信协议以软件实际显示名称为准，包括TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）、PROFINET、FMU（功能拟单元）、CMVM、以太网/IP、OPCDA、OPCUA、SHM（共享内存）、MATLAB、PLCSIMAdv等。其中，最为常见的、在DLDS-532实训平台的数孪生实战操作中也最为关键的两种外部通信协议是PLCSIMAdv和OPCUA。PLCSIMAdv通信可以连接作为高级仿真器的西门子SIMATICS7-PLCSIMAdvanced软件（本教材所使用的版本为S7-PLCSIMAdvancedV4.0），从而令MCD模型与博途软件中的虚拟PLC与HIMI程序交互。OPCUA通信通过OPCUA（即开放平台通信基金会旗下的统一架构协议标准），可将MCD模型与已完成程序下载的实体PLC连接起来，以实现硬件在环虚拟调试与交互。知识准备

2."PLCSIMAdv”选项卡参数选项

如图4-1所示，在进行PLCSIMAdv外部信号配置时，一般有以下常用参数选项。（1）添加实例

此选项用于添加PLCSIMAdvanced实例。添加成功后的实例将显示在“PLCSIMAdv”选项卡的实例表中。通过选择实例表中的实例，可对相应实例进行刷新连接状态、删除等操作。（2）刷新实例状态

此选项用于刷新当前被选中实例的连接状态。（3）删除实例

此选项用于删除被选中的实例。图4-1知识准备（4）更新选项

在“更新选项”部分的下拉列表框中可选择要搜索的标记类型，默认标记类型为IOM。通过“仅HMI可见”选项，可选择是否过滤对HMI可见标记的搜索。通过“HWCNExport文件"选项，可选择是否对HWCNExport软件导出的文件进行标记搜索，如果勾选此选项，则需要在下方的地址栏中输入对应的.xml文件路径，或通过右侧的“浏览”按钮选择文件路径（5）更新标记

此选项用于更新特定实例，并在下方的“标记”部分中显示更新后的标记信息。（6）标记

此选项可对更新后的标记进行过滤、查找、全选等操作，并通过下方的标记表对标记进行排序、点选、导出等操作。（7）同步

此选项用于更精确地调整MCD模型与联调对象的同步程度。在“循环”下拉列表框中可选择模型的同步对象，默认为“NoSyn”，即无同步。“步进因子”用于给出在刷新信号之间所能运行的MCD仿真步骤数。知识准备

3.“OPCUA”选项卡参数选项

如图4-2~图4-4所示，在进行OPCUA外部信号配置时，一般有以下常用参数选项。图4-2图4-3图4-4（1）添加新服务器

此选项用于添加新服务器。添加成功后的新服务器将显示在“OPCUA”选项卡的服务器表中。通过选择服务器表中的服务器，可对相应服务器进行刷新服务器状态、删除等操作。如果是首次添加服务器或更改证教材，将弹出“新建应用程序实例证教材”对话框。对此对话框的详细说明见本任务的任务实施部分。（2）刷新服务器状态

此选项用于刷新当前被选中服务器的连接状态。知识准备（3）删除服务器

此选项用于删除被选中的服务器。（4）打开证教材位置此选项用于浏览并选择安全证教材，以启用受密码保护的外部软件的接口。（5）订阅

用于创建并编辑时间敏感信号。（6）标记用于查找、筛选、导入、导出服务器中可用于映射的信号。任务实施4任务实施一、软件在环虚拟调试前的外部信号配置与信号映射设置

（1）准备工作

为使信号交互效果验证切实可行，首先需要进行如下的准备工作：1）在NXMCD仿真环境中打开“总图_step.prt”文件。在这一子任务中，目标是在软件在环虚拟调试前，按照实战中的一般工作流程，准备仿真模型与博途软件中的虚拟PLC、HMI程序进行交互所需要的信号，将信号导出为.csv表格，经过处理后在博途软件中快速建立对应变量，做好外部信号配置与信号映射设置，并验证信号是否可以正确交互。

任务实施2）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“电气”组最右侧的信号（默认显示“符号表”）下拉菜单中，选择“导出信号”，并在弹出的“导出信号”对话框中勾选“全选”选项，不勾选“添加适配器名称作为路径”选项，选择导出文件类型为“CSV”，并在下方的路径栏中按照实际情况选择合适的路径与文件名，如图4-5所示。以上设置全部完成后，单击“确定”按钮，软件即会立刻创建存有导出信号信息的.csv文件，并提示“信号已成功导出”。图4-5任务实施图4-63）使用文档处理软件对上一步中生成的.csv文件进行必要的处理。以下将按照实战流程中最为节省时间的方法进行操作：删除.csv文件的第二列（对应“Adapter”，即“适配器"），并进行全局替换，将适用于NXMCD仿真环境的所有“double”数据类型替换为适用于博途软件的“real”型。完成后，复制第一、二列所储存的所有信号名称与对应数据类型备用，如图4-6所示。任务实施4）在博途软件中，添加合适的S7-1500系列PLC（S7-1200系列PLC不支持PLCSIMAdvanced仿真），并在PLC的数据块中，将上一步复制的内容粘贴到合适的待使用数据块中，确认是否有遗漏或数据类型、I/O类型等不匹配的情形，并及时修正。视实际需要，在博途软件中编写仅用于验证此任务的简单虚拟PLC与HMI程序

任务实施1）打开S7-PLCSIMAdvancedV4.0软件，在“PLCFamily”下拉列表框中选择“S7-1500”系列PLC，在“Instancename”栏输入合法的虚拟PLC实例名称，并单击“Start”按钮，开始运行实例，如图4-7所示。返回博途软件，将PLC程序下载到本机正在运行的虚拟PLC仿真实例中，完成装载，并启动虚拟HMI仿真。

（2）外部信号配置与信号映射设置图4-7任务实施2）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“自动化”组最右侧的外部控制器（默认显示“符号表”）下拉菜单中，选择“外部信号配置”。在弹出的“外部信号配置”对话框中切换到“PLCSIMAdv”选项卡，单击“添加实例”按钮，根据实例名称选中上一步中的虚拟PLC实例，单击“确定”按钮。在“更新选项”部分的下拉列表框中，选择“IOMDB”，使软件能读取到PLC程序中的数据块变量，单击“更标记”按钮，勾选下方的“全选”选项，如图4-8所示。在此，可视实际需要勾选“在MCD仿真开始时重置PLC内存”选项。确认软件在环虚拟调试所需的PLC程序变量都已被选中后，单击“确定”按钮，即完成了软件在环虚拟调试前所需的外部信号配置。图4-8任务实施3）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“自动化”组最右侧的外部控制器（默认显示“符号表”）下拉菜单中，选择“信号映射”。在弹出的“信号映射”对话框右上角，选择PLCSIMAdv类实例与对应上述虚拟PLC仿真实例的名称。由于已在之前的步骤中确保NXMCD与博途软件所使用的信号和变量名称与数据类型完全相同，且I/O类型相匹配，可以在经过简单检查与确认后直接单击“执行自动映射”按钮，并单击“确定”按钮，完成仿真模型与PLC、HMI程序之间的信号映射，如图4-9所示。图4-9

任务实施4）如果在此前的准备工作中并未确保NXMCD信号与博途软件所使用的变量名称相同，可在“信号映射”对话框中分别选中左右两侧的信号与外部信号，并单击中间的“映射信号”按钮，执行手动映射操作。（3）信号交互效果验证

单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。在仿真开始后，切换到博途软件，监视已经与仿真模型处于交互之中的PLC输出变量，并手动对其切换、赋值，同时通过NXMCD仿真环境中的运行时察看器，验证对应仿真模型信号值是否同步发生变化。任务实施二、硬件在环虚拟调试前的外部信号配置与信号映射设置（1）准备工作

为使信号交互效果验证切实可行，首先需要进行如下的准备工作：1）在“IO变量表”文件夹中，分别使用文档处理软件打开“自动供料IO变量表”“智能分拣IO变量表”“智能仓储IO变量表”三个.xlsx文件，将其中对于硬件在环虚拟调试必要的各个变量编辑到一个专门新建的.xlsx文件中进行保存，并注意保持文档格式，即各列顺序、列名称不变。2）在上述新建的.xlsx文件中，补全对于硬件在环虚拟调试必要的其他变量，注意确保其名称、路径（可全部编辑为“默认变量表”）、数据类型、逻辑地址设置合理且无冲突。在这一子任务中，目标是在硬件在环虚拟调试前，按照实战中的一般工作流程，准备仿真模型与网络服务器（计算机）上运行的实体PLC、HMI程序进行交互所需要的信号，将PLC、HMI程序中的程序导出为IO变量表，经过处理后在NXMCD仿真环境中快速建立对应信号，做好外部信号配置与信号映射设置，并验证信号是否可以正确交互。任务实施3）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“电气”组最右侧的信号（默认显示“符号表”）下拉菜单中，选择“导入信号”，并在弹出的“导入信号”对话框中选择“文件类型”为“TIAPortal”，单击“导入”按钮，在弹出的“文件浏览器”窗口中按照实际情况选择上述新建的.xlsx格式的变量表，并在“创建选项”下拉列表框中选择“适配器”，如图4-10所示。以上设置全部完成后，单击“确定”按钮，软件即可立刻创建对应所选变量表中所有变量的信号，并以变量表的文件名命名这些信号所属的信号适配器图4-10任务实施4）按照硬件在环虚拟调试需要，使用上述信号创建信号适配器公式、运行时表达式、仿真序列等，以完善仿真模型，使其受这些信号控制。5）在博途软件中，添加合适的设备，并视实际需要，在博途软件中编写仅用于验证此任务的简单PLC与HMI程序。

任务实施1）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“自动化”组最右侧的外部控制器（默认显示“符号表”）下拉菜单中，选择“外部信号配置”。在弹出的“外部信号配置”对话框中切换到“OPCUA”选项卡，单击“添加新服务器”按钮，在弹出的“新建应用程序实例证教材”对话框的“国家/地区”栏中输入“CN”，如图4-11所示，其他必填栏可视情况输入合适内容，单击“确定”按钮。在弹出的“OPCUA服务器”对话框中，选择“高级”，在“服务器信息”部分的“端点URL”栏中输入所需要连接通信的实体PLC的IP地址，格式为“opc.tcp://...”，其中“...”即实体PLC的IP地址，如图4-12所示。单击“测试连接”按钮，如果弹出测试成功提示信息，单击“确定”按钮，如图4-13所示。

（2）外部信号配置与信号映射设置

任务实施图4-11图4-12图4-13任务实施2）在切换回“外部信号配置”对话框后，在对话框中的“标记”部分，勾选所需的全部实体PLC程序变量，在确认没有遗漏后，单击“确定”按钮，即完成了硬件在环虚拟调试前所需外部信号的配置。注意，如果在所需变量所在类别没有被展开时勾选“全选”选项，则对应变量不会被成功选中。任务实施3）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“自动化”组最右侧的外部控制器（默认显示“符号表”）下拉菜单中，选择“信号映射”。在弹出的“信号映射”对话框右上角，选择“OPCUA”作为外部信号类型，并在下方的下拉列表框中选择联调所需的OPCUA服务器。由于已在之前的步骤中确保NXMCD与博途软件所使用的信号和变量名称与数据类型完全相同，可以在经过简单检查与确认后直接单击“执行自动映射”按钮，并单击“确定”按钮完成仿真模型与PLC、HMI程序之间的信号映射，如图4-14所示。图4-14任务实施4）如果在此前的准备工作中并未确保NXMCD信号与博途软件所使用的变量名称相同，可在“信号映射”对话框中分别选中左右两侧的信号与外部信号，并单击中间的“映射信号”按钮，执行手动映射操作。（3）信号交互效果验证

单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。在仿真开始后，在OPCUA服务器上运行的博途软件中监视已经与仿真模型处于交互之中的PLC输出变量，并对其切换、赋值。同时，通过NXMCD仿真环境中的运行时察看器，验证对应仿真模型信号值是否同步发生变化。任务评价与拓展5任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分1软件在环虚拟调试前的外部信号配置设置结果能从MCD模型中成功导出信号30能使用NXMCD导出信号为博途软件中的虚拟PLC与HMI程序导入或创建信号能成功使用PLCSIMAdvanced软件进行仿真并为虚拟PLC下载程序能在NXMCD仿真环境中成功添加并设置PLCSIMAdv实例2软件在环虚拟调试前的信号映射设置结果能快速使用自动映射功能完成NXMCD信号与PLC程序变量的映射20能在需要手动进行信号映射时准确完成映射操作任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分3硬件在环虚拟调试前的外部信号配置设置结果能使用文档处理软件快速筛选出调试所需变量并生成格式正确的变量表文件30能顺利在NXMCD仿真环境中从变量表文件中导入信号能在NXMCD仿真环境中成功添加并设置OPCJ